摘 要:某高溫高壓J型染色機機頭發生開裂,通過宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電 鏡及能譜分析等方法,分析了機頭開裂的原因。結果表明:J型染色機內染液的氯離子含量較高, 氯離子在機頭R 部位聚集,使其內表面鈍化膜遭到破壞而發生點蝕,在機頭內部的工作應力和機 頭冷加工時產生的殘余應力的共同作用下,點蝕擴展成為微裂紋,最終導致機頭發生應力腐蝕 開裂。
關鍵詞:高溫高壓;J型染色機;染液;開裂;應力腐蝕
中圖分類號:TB304 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)01-0064-03
高溫高壓J型染色機是一種常見的壓力容器, 廣泛用于紡織印染行業,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 ℃,介質為染液[1]。J 型染色機工作環境特殊,染液成分復雜,在實際使用 中失效事故時有發生。
某印染企業染色車間一批高溫高壓J型染色機 在服役近8a后,機頭部位發生不同程度的開裂,該 J型 染 色 機 所 用 的 材 料 為 321 不 銹 鋼,規 格 為 ?700mm×4mm,設計壓力為0.45MPa,最高工作 壓力為0.3MPa,設計溫度為154 ℃,最高工作溫度 為100 ℃,其結構示意如圖1所示。為找到該J型 染色機機頭開裂的原因,確保設備的正常運行,筆者 對開裂機頭進行了一系列檢驗及分析。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
如圖2所示:通過現場檢查,發現開裂位置在J 型染色機機頭 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;機頭開裂位置附近沉積 有灰白色結晶產物,應為滲出的染液經蒸發、結晶而 成;打開機缸操作蓋,可見機頭 R 部位內表面有染液殘留。在機頭內表面開裂位置處截取試樣,如圖 3所示,裂紋已貫穿整個截面,內表面有一層黑色附 著物,經打磨后露出金屬光澤,表面存在點蝕痕跡,采 用超聲波測厚儀測量其壁厚,未發現異常減薄現象。
1.2 化學成分分析
在染色機機頭開裂位置處截取試樣,采用直讀 光譜儀進行化學成分分析。由表1可知,機頭材料 化學成分滿足 GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱 鋼牌號及化學成分》標準對321不銹鋼的化學成分 要求。
1.3 介質成分分析
染液一般由染料、勻染劑和促染劑配制而成[2]。 經現場調查,染液的主要成分為活性染料、代用堿和 元明粉(Na2SO4)。對現場使用的染液和企業用水 取樣進行分析,依據 GB/T11896-1989《水質 氯化 物的測定 硝酸銀滴定法》,測得染液中氯離子的質 量濃度為11700mg/L,水中氯離子的質量濃度為 290mg/L。
1.4 金相檢驗
從機頭內表面遠離開裂位置區域和開裂位置處 截取試樣,經打磨、拋光和電解浸蝕后,在光學顯微 鏡下進行觀察。如圖4所示,機頭內表面不同區域 的組織為奧氏體,裂紋末端呈樹枝狀,有分叉,呈穿 晶擴展的形貌特征。
1.5 掃描電鏡及能譜分析
從機頭內表面開裂位置處截取試樣,經超聲清 洗后,采用掃描電鏡進行觀察。如圖5所示:可見內 表面存在腐蝕坑,腐蝕坑表面及其底部有細小的微裂紋;內表面裂紋末端呈枯樹枝狀,裂紋附近存在少量的點蝕坑。
將試樣沿裂紋延伸方向斷開,發現裂紋內部有 腐蝕產物。如圖6所示,原始裂紋區域斷口未見明 顯塑性變形,表現為脆性斷裂的形貌特征,伴有多條 二次裂紋,裂紋在內表面萌生,并向外壁擴展,最終 斷裂區呈撕裂韌窩的形貌特征。
對沉積在機頭外表面裂紋處的灰白色結晶產物 進行能譜分析。如圖 7 所示,結晶產物中存在碳、 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。從能譜分析結果中還可以發 現氯元素含量較高,經水質檢測,氯元素來源于配制 染液用的企業用水。因此,可以進一步確定染液中 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可見,該高溫高壓J型染 色機機頭的化學成分滿足標準要求,機頭基體組織 為正常的奧氏體。J型染色機的開裂位置在機頭R 部位,裂紋萌生于機頭內表面,并向外表面逐漸擴 展,最后導致機頭開裂。
腐蝕敏感金屬、特定的腐蝕介質和拉應力是產 生應力腐蝕開裂的三大要素[3]。機頭內部的工作應 力、機頭冷加工時產生的殘余應力以及染液中存在 的氯離子,是奧氏體不銹鋼機頭發生應力腐蝕開裂 的主要原因。機頭內表面裂紋呈樹枝狀穿晶擴展, 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生應力腐蝕開 裂的典型特征[4-5]。
以往研究結果顯示,隨著氯離子濃度的升高,奧 氏體不銹鋼應力腐蝕開裂敏感性會增加[6]。以前, 印染企業為提高染色機的染色效果,會在染液中加 入亞氯酸鈉、食鹽等促染劑[7],造成染液中氯離子含 量偏高。經水質檢測,染液成分中并不存在氯離子, 而用于配制染液的企業用水中氯離子含量偏高。機 頭R 部位屬于染液流動的死角位置,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 業有時會將染液進行循環利用,這會造成染液中的氯 離子含量進一步升高。同時,機頭內部的工作應力和 機頭冷加工時產生的殘余應力也會造成機頭開裂。
綜合分析可見,在 機 頭 R 部 位 的 氯 離 子 作 用 下,使其內表面鈍化膜遭到破壞而發生點蝕,氯離子 在腐蝕坑處聚集,促使腐蝕坑向機頭外表面擴展,在工作壓力和殘余應力的共同作用下,點蝕擴展成為 較大的縫隙,形成微裂紋,這些裂紋不斷擴展,最終 導致機頭發生應力腐蝕開裂[8-9]。
3 結論及建議
(1)高溫高壓J型染色機機頭產生開裂的原因 是用于配制染液的企業用水中的氯離子含量較高, 氯離子在機頭R 部位聚集,使其內表面鈍化膜遭到 破壞而發生點蝕,在機頭內部的工作應力和機頭冷 加工時產生的殘余應力的共同作用下,點蝕擴展成 為微裂紋,最終導致機頭發生應力腐蝕開裂。
(2)建議選用耐應力腐蝕性能更好的雙相不銹 鋼作為機頭材料,在冷加工后進行去應力處理。加 強水質管理,嚴格控制染液中的氯離子含量,定期用 水清洗染色機內表面。
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