摘 要:某高溫高壓J型染色機(jī)機(jī)頭發(fā)生開裂,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、掃描電 鏡及能譜分析等方法,分析了機(jī)頭開裂的原因。結(jié)果表明:J型染色機(jī)內(nèi)染液的氯離子含量較高, 氯離子在機(jī)頭R 部位聚集,使其內(nèi)表面鈍化膜遭到破壞而發(fā)生點(diǎn)蝕,在機(jī)頭內(nèi)部的工作應(yīng)力和機(jī) 頭冷加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的共同作用下,點(diǎn)蝕擴(kuò)展成為微裂紋,最終導(dǎo)致機(jī)頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕 開裂。

關(guān)鍵詞:高溫高壓;J型染色機(jī);染液;開裂;應(yīng)力腐蝕

中圖分類號(hào):TB304 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)01-0064-03

高溫高壓J型染色機(jī)是一種常見的壓力容器, 廣泛用于紡織印染行業(yè),其常用的主體材料為具有 較好 耐 蝕 性 的 奧 氏 體 不 銹 鋼,工 作 壓 力 為 0.2~ 0.45MPa,工作溫度約為140 ℃,介質(zhì)為染液[1]。J 型染色機(jī)工作環(huán)境特殊,染液成分復(fù)雜,在實(shí)際使用 中失效事故時(shí)有發(fā)生。

某印染企業(yè)染色車間一批高溫高壓J型染色機(jī) 在服役近8a后,機(jī)頭部位發(fā)生不同程度的開裂,該 J型 染 色 機(jī) 所 用 的 材 料 為 321 不 銹 鋼,規(guī) 格 為 ?700mm×4mm,設(shè)計(jì)壓力為0.45MPa,最高工作 壓力為0.3MPa,設(shè)計(jì)溫度為154 ℃,最高工作溫度 為100 ℃,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。為找到該J型 染色機(jī)機(jī)頭開裂的原因,確保設(shè)備的正常運(yùn)行,筆者 對(duì)開裂機(jī)頭進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)及分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖2所示:通過現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)開裂位置在J 型染色機(jī)機(jī)頭 R 部位,可見明顯的周向裂紋,外表 面裂紋處有染液滲出痕跡;機(jī)頭開裂位置附近沉積 有灰白色結(jié)晶產(chǎn)物,應(yīng)為滲出的染液經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶而 成;打開機(jī)缸操作蓋,可見機(jī)頭 R 部位內(nèi)表面有染液殘留。在機(jī)頭內(nèi)表面開裂位置處截取試樣,如圖 3所示,裂紋已貫穿整個(gè)截面,內(nèi)表面有一層黑色附 著物,經(jīng)打磨后露出金屬光澤,表面存在點(diǎn)蝕痕跡,采 用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量其壁厚,未發(fā)現(xiàn)異常減薄現(xiàn)象。

1.2 化學(xué)成分分析

在染色機(jī)機(jī)頭開裂位置處截取試樣,采用直讀 光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知,機(jī)頭材料 化學(xué)成分滿足 GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱 鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)321不銹鋼的化學(xué)成分 要求。

1.3 介質(zhì)成分分析

染液一般由染料、勻染劑和促染劑配制而成[2]。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,染液的主要成分為活性染料、代用堿和 元明粉(Na2SO4)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的染液和企業(yè)用水 取樣進(jìn)行分析,依據(jù) GB/T11896-1989《水質(zhì) 氯化 物的測(cè)定 硝酸銀滴定法》,測(cè)得染液中氯離子的質(zhì) 量濃度為11700mg/L,水中氯離子的質(zhì)量濃度為 290mg/L。

1.4 金相檢驗(yàn)

從機(jī)頭內(nèi)表面遠(yuǎn)離開裂位置區(qū)域和開裂位置處 截取試樣,經(jīng)打磨、拋光和電解浸蝕后,在光學(xué)顯微 鏡下進(jìn)行觀察。如圖4所示,機(jī)頭內(nèi)表面不同區(qū)域 的組織為奧氏體,裂紋末端呈樹枝狀,有分叉,呈穿 晶擴(kuò)展的形貌特征。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從機(jī)頭內(nèi)表面開裂位置處截取試樣,經(jīng)超聲清 洗后,采用掃描電鏡進(jìn)行觀察。如圖5所示:可見內(nèi) 表面存在腐蝕坑,腐蝕坑表面及其底部有細(xì)小的微裂紋;內(nèi)表面裂紋末端呈枯樹枝狀,裂紋附近存在少量的點(diǎn)蝕坑。

將試樣沿裂紋延伸方向斷開,發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)部有 腐蝕產(chǎn)物。如圖6所示,原始裂紋區(qū)域斷口未見明 顯塑性變形,表現(xiàn)為脆性斷裂的形貌特征,伴有多條 二次裂紋,裂紋在內(nèi)表面萌生,并向外壁擴(kuò)展,最終 斷裂區(qū)呈撕裂韌窩的形貌特征。

對(duì)沉積在機(jī)頭外表面裂紋處的灰白色結(jié)晶產(chǎn)物 進(jìn)行能譜分析。如圖 7 所示,結(jié)晶產(chǎn)物中存在碳、 氧、鈉、硫、氯等元素,其中碳、氧、鈉、硫來源于染液中的代用堿和元明粉。從能譜分析結(jié)果中還可以發(fā) 現(xiàn)氯元素含量較高,經(jīng)水質(zhì)檢測(cè),氯元素來源于配制 染液用的企業(yè)用水。因此,可以進(jìn)一步確定染液中 具有較高含量的氯離子。

2 分析與討論

通過上述觀察和檢驗(yàn)可見,該高溫高壓J型染 色機(jī)機(jī)頭的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)頭基體組織 為正常的奧氏體。J型染色機(jī)的開裂位置在機(jī)頭R 部位,裂紋萌生于機(jī)頭內(nèi)表面,并向外表面逐漸擴(kuò) 展,最后導(dǎo)致機(jī)頭開裂。

腐蝕敏感金屬、特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力是產(chǎn) 生應(yīng)力腐蝕開裂的三大要素[3]。機(jī)頭內(nèi)部的工作應(yīng) 力、機(jī)頭冷加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及染液中存在 的氯離子,是奧氏體不銹鋼機(jī)頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂 的主要原因。機(jī)頭內(nèi)表面裂紋呈樹枝狀穿晶擴(kuò)展, 沿裂紋延伸方向斷開后斷口主要呈脆性斷裂的形 貌,這是奧氏體不銹鋼在氯化物中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開 裂的典型特征[4-5]。

以往研究結(jié)果顯示,隨著氯離子濃度的升高,奧 氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性會(huì)增加[6]。以前, 印染企業(yè)為提高染色機(jī)的染色效果,會(huì)在染液中加 入亞氯酸鈉、食鹽等促染劑[7],造成染液中氯離子含 量偏高。經(jīng)水質(zhì)檢測(cè),染液成分中并不存在氯離子, 而用于配制染液的企業(yè)用水中氯離子含量偏高。機(jī) 頭R 部位屬于染液流動(dòng)的死角位置,在升壓、保壓、 降壓的染色工藝過程中,氯離子在該處不斷聚集,企 業(yè)有時(shí)會(huì)將染液進(jìn)行循環(huán)利用,這會(huì)造成染液中的氯 離子含量進(jìn)一步升高。同時(shí),機(jī)頭內(nèi)部的工作應(yīng)力和 機(jī)頭冷加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也會(huì)造成機(jī)頭開裂。

綜合分析可見,在 機(jī) 頭 R 部 位 的 氯 離 子 作 用 下,使其內(nèi)表面鈍化膜遭到破壞而發(fā)生點(diǎn)蝕,氯離子 在腐蝕坑處聚集,促使腐蝕坑向機(jī)頭外表面擴(kuò)展,在工作壓力和殘余應(yīng)力的共同作用下,點(diǎn)蝕擴(kuò)展成為 較大的縫隙,形成微裂紋,這些裂紋不斷擴(kuò)展,最終 導(dǎo)致機(jī)頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[8-9]。

3 結(jié)論及建議

(1)高溫高壓J型染色機(jī)機(jī)頭產(chǎn)生開裂的原因 是用于配制染液的企業(yè)用水中的氯離子含量較高, 氯離子在機(jī)頭R 部位聚集,使其內(nèi)表面鈍化膜遭到 破壞而發(fā)生點(diǎn)蝕,在機(jī)頭內(nèi)部的工作應(yīng)力和機(jī)頭冷 加工時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的共同作用下,點(diǎn)蝕擴(kuò)展成 為微裂紋,最終導(dǎo)致機(jī)頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

(2)建議選用耐應(yīng)力腐蝕性能更好的雙相不銹 鋼作為機(jī)頭材料,在冷加工后進(jìn)行去應(yīng)力處理。加 強(qiáng)水質(zhì)管理,嚴(yán)格控制染液中的氯離子含量,定期用 水清洗染色機(jī)內(nèi)表面。

參考文獻(xiàn):

[1] 郭演星.J型高 溫 高 速 染 色 機(jī) 常 見 缺 陷 與 檢 測(cè) 要 點(diǎn) [J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2010,46(4):251-253.

[2] 范雪榮.紡織品染整工藝學(xué)(第3版)[M].北京:中國(guó) 紡織出版社,2017.

[3] 董雷云,劉長(zhǎng)軍,潘 緝 悌.不 銹 鋼 盤 管 開 裂 失 效 分 析 [J].化工設(shè)備與管道,2002,39(2):53-54,4.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中華人民共和國(guó)推薦性國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn):承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別 GB/T30579—2014[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.

[5] 張瑞鋒,劉霞.304不銹鋼彎頭開裂失效分析[J].理 化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2019,55(5):351-355.

[6] 董紹平.循環(huán)水不銹鋼換熱器抗氯離子應(yīng)力腐蝕研究 [J].石油化工腐蝕與防護(hù),2012,29(1):36-40.

[7] 張海波,陳定岳,沈建民,等.高溫高速染色機(jī)常見缺 陷分析及預(yù)防[J].中國(guó)特種設(shè)備安全,2009(10):56- 59.

[8] 李巖,方可偉,劉飛華.Cl - 對(duì) 304L 不銹鋼從點(diǎn)蝕到 應(yīng)力腐蝕轉(zhuǎn)變行為的影響[J].腐蝕與防護(hù),2012,33 (11):955-959.

[9] 吳恒,王佳,李超,等.321不銹鋼在淡化海水中的耐 腐蝕性 能 [J].腐 蝕 科 學(xué) 與 防 護(hù) 技 術(shù),2012,24(3): 209-212.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>1期(pp:64-66)>