王海鋒,陳仙鳳,程 飛,董偉雄,郭 濤

(紹興市特種設(shè)備檢測院,紹興 312071)

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0.2～0.45 MPa，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8 a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φ700 mm×4 mm，設(shè)計(jì)壓力為0.45 MPa，最高工作壓力為0.3 MPa，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。

圖1 J型染色機(jī)的結(jié)構(gòu)示意

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如圖2所示：通過現(xiàn)場檢查，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，采用超聲波測厚儀測量其壁厚，未發(fā)現(xiàn)異常減薄現(xiàn)象。

圖2 J型染色機(jī)機(jī)頭開裂部位外表面的宏觀形貌

圖3 機(jī)頭開裂部位內(nèi)表面的宏觀形貌

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/T 20878-2007《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。

表1 J型染色機(jī)機(jī)頭的化學(xué)成分

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)場使用的染液和企業(yè)用水取樣進(jìn)行分析，依據(jù)GB/T 11896-1989《水質(zhì) 氯化物的測定 硝酸銀滴定法》，測得染液中氯離子的質(zhì)量濃度為11 700 mg/L，水中氯離子的質(zhì)量濃度為290 mg/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。

圖4 J型染色機(jī)機(jī)頭內(nèi)表面不同位置處的顯微組織

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。

圖5 J型染色機(jī)機(jī)頭內(nèi)表面不同位置處的微觀形貌

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。

圖6 沿J型染色機(jī)機(jī)頭內(nèi)表面裂紋延伸方向斷開后斷口不同區(qū)域的微觀形貌

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，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。

圖7 機(jī)頭外表面裂紋處結(jié)晶產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果

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，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。