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(西安菲爾特金屬過濾材料有限公司，西安 710201)

文丘里除塵濾袋是由袋口的文丘里管連接底部濾袋組成的。由于噴吹管噴出的壓縮空氣流速很高，其能量主要以動(dòng)壓的形式存在，而動(dòng)壓只能作用于氣流前進(jìn)的方向，因而對(duì)位于垂直方向的濾袋壁面不起作用，只有當(dāng)其轉(zhuǎn)換成靜壓時(shí)，才能起到清灰作用。文丘里管的作用在于促進(jìn)噴出的壓縮空氣與被誘導(dǎo)的二次氣流盡快進(jìn)行能量交換[1-2]。

文丘里管的形狀如圖1所示，屬于除塵器配件之一，通常與除塵骨架配套使用。該文丘里管采用厚約1 mm的不銹鋼板一次沖壓一體成型，無焊接點(diǎn)，這使得喉管口部分的過度角圓滑，有助于脈沖氣體流暢地通過其表面，以噴射狀進(jìn)入濾袋[3]。

圖1 文丘里管的形貌Fig. 1 Morphology of venturi

本工作用文丘里管由361L不銹鋼制成，配合金屬纖維氈濾袋在某造紙污泥焚燒發(fā)電除塵項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，該工況溫度波動(dòng)較大(90～300 ℃)，一般的布袋容易產(chǎn)生“燒袋”，另外該工況的含塵氣體中Cl-、S2-的含量較高，并且氣體中水分含量較高。當(dāng)除塵倉運(yùn)行3個(gè)月后，檢測發(fā)現(xiàn)排放濃度有升高趨勢，立刻打開其中一個(gè)除塵倉室進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)較多的文丘里管的端口和喉管口部分出現(xiàn)了生銹、破裂現(xiàn)象，如圖2所示，破裂后的鐵片掉落在濾袋內(nèi)部，在脈沖氣體的沖刷下，導(dǎo)致濾袋出現(xiàn)破損，引起泄漏。本工作針對(duì)文丘里管在此次工況下的失效原因進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)措施。

(a) 端口

(b) 喉管圖2 文丘里失效破損形貌Fig. 2Failure morphology of venturi: (a) port; (b) vent

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分是影響材料物理及化學(xué)性能的主要因素，元素含量不足或過量都會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能和耐蝕性發(fā)生改變。由表1可見:失效文丘里管的化學(xué)成分均在參考值范圍之內(nèi)，滿足材料使用要求，首先排除材料成分不合格原因。

表1 失效文丘里管的主要化學(xué)成分Tab. 1 Main chemical composition of the failed venturi %

1.2 組織形貌

由于文丘里管是經(jīng)過不銹鋼板大變形后一體成型的，因此原有的奧氏體組織可能會(huì)因?yàn)樽冃萎a(chǎn)生其他組織，從而影響材料的性能。由圖3可見：變形量較小的端口部分組織晶粒內(nèi)部有大量孿晶，晶界規(guī)則，主要為奧氏體；而經(jīng)過沖壓變形后，喉管部分材料組織晶粒由等軸晶粒拉伸至條帶狀組織，具有明顯的方向性。文獻(xiàn)報(bào)道，奧氏體經(jīng)過大尺度變形后，會(huì)產(chǎn)生耐蝕性較差的馬氏體組織[4-6]。圖3中還可見：沖壓板的組織中晶界處出現(xiàn)大量的黑點(diǎn)區(qū)域，如上圖3的圈中所示，應(yīng)屬奧氏體中碳化物(M23C6)被腐蝕后形成的點(diǎn)蝕坑。相比于原始奧氏體，變形晶粒中白色奧氏體基體上，出現(xiàn)了明顯的α-馬氏體聚集，針狀馬氏體多且密，為了進(jìn)一步證實(shí)馬氏體存在，對(duì)組織進(jìn)行了X射線衍射(XRD)測試，見圖4。圖中出現(xiàn)了原始奧氏體組織的3個(gè)特征衍射峰，對(duì)應(yīng)晶面指數(shù)分別為(111)、(200)、(220)，但同時(shí)也伴隨著另外三個(gè)衍射峰：(110)、(200)、(211)，屬于馬氏體組織3個(gè)特征衍射峰，通過兩者峰值強(qiáng)度的比較可以明顯看出馬氏體組織占有較大比例。

(a) 端口

(b) 喉管圖3 失效文丘里管的組織形貌Fig. 3 Structure morphology of the failed venturi:(a) port; (b) vent

圖4 失效文丘里管組織的XRD圖譜Fig. 4 XRD pattern of the structure of the failed venturi

1.3 斷口形貌

由圖5可見:裂紋起源于表面，垂直擴(kuò)展，裂紋呈樹枝狀，裂紋斷口截面平整，表現(xiàn)為沿晶和解理混合斷裂方式，屬于典型的脆性斷裂，在斷口截面可以觀察到一些腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)過能譜分析后發(fā)現(xiàn)含有大量的Cl-、S2-，見圖6。

文丘里管發(fā)生脆斷的原因如下:一方面馬氏體晶內(nèi)強(qiáng)度大于晶界，晶粒在受力變形過程中硬度較高的馬氏體和晶界碳化物會(huì)成為裂紋萌生的主要位置;另一方面外界的Cl-、S2-會(huì)對(duì)馬氏體組織產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕，兩方面原因會(huì)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展方式屬于沿晶擴(kuò)展，產(chǎn)生脆性斷裂。

(a)裂紋擴(kuò)展路徑(b) 樹枝狀裂紋(c) 斷口形貌圖5 失效文丘里管的裂紋擴(kuò)展路徑及斷口形貌Fig. 5 Crack propagation path and fracture morphology of the failed ventur: (a) crack propagation path; (b) branch-type crack; (c) fracture morphology

圖6 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Fig. 6 EDS results for corrosion products

2 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，本工況中文丘里管失效的原因是:一方面其在制備過程中產(chǎn)生了耐蝕性差的形變馬氏體和碳化物，另外工況中水分含量高，溫度變化較大，氣體到達(dá)濾袋出口的溫度低(90～100 ℃)，遇到文丘里管會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象;另一方面氣體受噴吹壓縮空冷空氣降溫后也會(huì)出現(xiàn)冷凝。綜合結(jié)果導(dǎo)致在袋口位置出現(xiàn)了Cl-、S2-的液化和富集現(xiàn)象，形成的腐蝕性溶液附著于袋口表面，結(jié)合噴吹壓力，最終出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕脆性斷裂。

針對(duì)以上原因，首先通過固溶處理，將文丘里管在真空氣氛下，1 050 ℃保溫30 min以消除形變馬氏體，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體，這有助于增加文丘里管的耐蝕性。由圖7可見：經(jīng)過固溶處理，形變馬氏體和晶界碳化物均消失，晶粒形狀為較規(guī)整的多邊形，通過XRD衍射對(duì)組織進(jìn)行分析后，只出現(xiàn)奧氏體組織的3個(gè)特征衍射峰：(111)、(200)、(220)。在工況方面：通過提高噴吹氣體溫度，減少了水蒸氣液化的產(chǎn)生，在濾芯方面，金屬纖維氈采用雙面復(fù)網(wǎng)，增加耐磨強(qiáng)度。通過以上改進(jìn)措施，除塵設(shè)備長時(shí)間工作后仍運(yùn)轉(zhuǎn)正常，排放濃度達(dá)到預(yù)期要求。

圖7 退火文丘里管的組織形貌Fig. 7 Microstructure of venturi after annealing

3 結(jié)論

(1) 文丘里管在制備過程中不可避免會(huì)出現(xiàn)大尺寸的形變，文丘里管中的奧氏體組織經(jīng)過劇烈變形后會(huì)產(chǎn)生形變馬氏體組織，在具有腐蝕性氣氛環(huán)境中使用時(shí),硬度較高的馬氏體晶界碳化物會(huì)成為裂紋萌生的主要位置，結(jié)合外界的腐蝕介質(zhì)會(huì)對(duì)馬氏體組織產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕，這會(huì)導(dǎo)致文丘里管出現(xiàn)脆性斷裂。

(2) 針對(duì)溫度變化較大，含塵氣體成分復(fù)雜的工況，需要對(duì)原有除塵工藝進(jìn)行改進(jìn)：使用前需要對(duì)文丘里管進(jìn)行固溶處理，使得馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閱我粖W氏體，同時(shí)去除晶界碳化物，有助于提高文丘里管的耐蝕性；在濾芯方面，金屬纖維氈采用雙面復(fù)網(wǎng)，增加耐磨強(qiáng)度，可滿足長時(shí)間運(yùn)行的要求。