摘 要:某高温高压J型染色机机头发生开裂,通过宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电 镜及能谱分析等方法,分析了机头开裂的原因。结果表明:J型染色机内染液的氯离子含量较高, 氯离子在机头R 部位聚集,使其内表面钝化膜遭到破坏而发生点蚀,在机头内部的工作应力和机 头冷加工时产生的残余应力的共同作用下,点蚀扩展成为微裂纹,最终导致机头发生应力腐蚀 开裂。
关键词:高温高压;J型染色机;染液;开裂;应力腐蚀
中图分类号:TB304 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)01-0064-03
高温高压J型染色机是一种常见的压力容器, 广泛用于纺织印染行业,其常用的主体材料为具有 较好 耐 蚀 性 的 奥 氏 体 不 锈 钢,工 作 压 力 为 0.2~ 0.45MPa,工作温度约为140 ℃,介质为染液[1]。J 型染色机工作环境特殊,染液成分复杂,在实际使用 中失效事故时有发生。
某印染企业染色车间一批高温高压J型染色机 在服役近8a后,机头部位发生不同程度的开裂,该 J型 染 色 机 所 用 的 材 料 为 321 不 锈 钢,规 格 为 ?700mm×4mm,设计压力为0.45MPa,最高工作 压力为0.3MPa,设计温度为154 ℃,最高工作温度 为100 ℃,其结构示意如图1所示。为找到该J型 染色机机头开裂的原因,确保设备的正常运行,笔者 对开裂机头进行了一系列检验及分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
如图2所示:通过现场检查,发现开裂位置在J 型染色机机头 R 部位,可见明显的周向裂纹,外表 面裂纹处有染液渗出痕迹;机头开裂位置附近沉积 有灰白色结晶产物,应为渗出的染液经蒸发、结晶而 成;打开机缸操作盖,可见机头 R 部位内表面有染液残留。在机头内表面开裂位置处截取试样,如图 3所示,裂纹已贯穿整个截面,内表面有一层黑色附 着物,经打磨后露出金属光泽,表面存在点蚀痕迹,采 用超声波测厚仪测量其壁厚,未发现异常减薄现象。
1.2 化学成分分析
在染色机机头开裂位置处截取试样,采用直读 光谱仪进行化学成分分析。由表1可知,机头材料 化学成分满足 GB/T20878-2007《不锈钢和耐热 钢牌号及化学成分》标准对321不锈钢的化学成分 要求。
1.3 介质成分分析
染液一般由染料、匀染剂和促染剂配制而成[2]。 经现场调查,染液的主要成分为活性染料、代用碱和 元明粉(Na2SO4)。对现场使用的染液和企业用水 取样进行分析,依据 GB/T11896-1989《水质 氯化 物的测定 硝酸银滴定法》,测得染液中氯离子的质 量浓度为11700mg/L,水中氯离子的质量浓度为 290mg/L。
1.4 金相检验
从机头内表面远离开裂位置区域和开裂位置处 截取试样,经打磨、抛光和电解浸蚀后,在光学显微 镜下进行观察。如图4所示,机头内表面不同区域 的组织为奥氏体,裂纹末端呈树枝状,有分叉,呈穿 晶扩展的形貌特征。
1.5 扫描电镜及能谱分析
从机头内表面开裂位置处截取试样,经超声清 洗后,采用扫描电镜进行观察。如图5所示:可见内 表面存在腐蚀坑,腐蚀坑表面及其底部有细小的微裂纹;内表面裂纹末端呈枯树枝状,裂纹附近存在少量的点蚀坑。
将试样沿裂纹延伸方向断开,发现裂纹内部有 腐蚀产物。如图6所示,原始裂纹区域断口未见明 显塑性变形,表现为脆性断裂的形貌特征,伴有多条 二次裂纹,裂纹在内表面萌生,并向外壁扩展,最终 断裂区呈撕裂韧窝的形貌特征。
对沉积在机头外表面裂纹处的灰白色结晶产物 进行能谱分析。如图 7 所示,结晶产物中存在碳、 氧、钠、硫、氯等元素,其中碳、氧、钠、硫来源于染液中的代用碱和元明粉。从能谱分析结果中还可以发 现氯元素含量较高,经水质检测,氯元素来源于配制 染液用的企业用水。因此,可以进一步确定染液中 具有较高含量的氯离子。
2 分析与讨论
通过上述观察和检验可见,该高温高压J型染 色机机头的化学成分满足标准要求,机头基体组织 为正常的奥氏体。J型染色机的开裂位置在机头R 部位,裂纹萌生于机头内表面,并向外表面逐渐扩 展,最后导致机头开裂。
腐蚀敏感金属、特定的腐蚀介质和拉应力是产 生应力腐蚀开裂的三大要素[3]。机头内部的工作应 力、机头冷加工时产生的残余应力以及染液中存在 的氯离子,是奥氏体不锈钢机头发生应力腐蚀开裂 的主要原因。机头内表面裂纹呈树枝状穿晶扩展, 沿裂纹延伸方向断开后断口主要呈脆性断裂的形 貌,这是奥氏体不锈钢在氯化物中发生应力腐蚀开 裂的典型特征[4-5]。
以往研究结果显示,随着氯离子浓度的升高,奥 氏体不锈钢应力腐蚀开裂敏感性会增加[6]。以前, 印染企业为提高染色机的染色效果,会在染液中加 入亚氯酸钠、食盐等促染剂[7],造成染液中氯离子含 量偏高。经水质检测,染液成分中并不存在氯离子, 而用于配制染液的企业用水中氯离子含量偏高。机 头R 部位属于染液流动的死角位置,在升压、保压、 降压的染色工艺过程中,氯离子在该处不断聚集,企 业有时会将染液进行循环利用,这会造成染液中的氯 离子含量进一步升高。同时,机头内部的工作应力和 机头冷加工时产生的残余应力也会造成机头开裂。
综合分析可见,在 机 头 R 部 位 的 氯 离 子 作 用 下,使其内表面钝化膜遭到破坏而发生点蚀,氯离子 在腐蚀坑处聚集,促使腐蚀坑向机头外表面扩展,在工作压力和残余应力的共同作用下,点蚀扩展成为 较大的缝隙,形成微裂纹,这些裂纹不断扩展,最终 导致机头发生应力腐蚀开裂[8-9]。
3 结论及建议
(1)高温高压J型染色机机头产生开裂的原因 是用于配制染液的企业用水中的氯离子含量较高, 氯离子在机头R 部位聚集,使其内表面钝化膜遭到 破坏而发生点蚀,在机头内部的工作应力和机头冷 加工时产生的残余应力的共同作用下,点蚀扩展成 为微裂纹,最终导致机头发生应力腐蚀开裂。
(2)建议选用耐应力腐蚀性能更好的双相不锈 钢作为机头材料,在冷加工后进行去应力处理。加 强水质管理,严格控制染液中的氯离子含量,定期用 水清洗染色机内表面。
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