高溫高壓染色機裂紋分析

李向前

摘 要：介紹高溫高壓染色機的基本特點及失效機理，對檢驗中發(fā)現(xiàn)的高溫高壓染色機缺陷進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)裂紋類缺陷最多。針對高溫高壓染色機的這些缺陷，從設(shè)計、制造、使用、檢驗、檢測等方面提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：高溫高壓染色機；晶間腐蝕；裂紋

1 引言

高溫高壓染色機主要染純棉、滌綸、腈綸、尼龍、羊毛、滌棉、毛滌、麻棉或各種混紡紗線，配置各種類型紗架，可外染不同形式的紗線，如筒子紗、絞紗絲餅、散毛、毛條、經(jīng)軸紗、拉鏈、盤帶等漂染處理，是一種適應(yīng)范圍廣泛的成品之理想的漂染設(shè)備。高溫高壓染色機采用全不銹鋼制造，機械調(diào)速具有無噪音、調(diào)速方便等優(yōu)點。

西樵地區(qū)印染業(yè)發(fā)達，高溫高壓染色機數(shù)量多，在檢驗工作中普遍發(fā)現(xiàn)高溫高壓染色機缺陷多、事故隱患嚴重。因此分析高溫高壓染色機常見缺陷，了解缺陷易發(fā)部位及形成原因，可以指導(dǎo)檢驗檢測，及時消除事故隱患，確保高溫高壓染色機安全運行。

2 高溫高壓染色機基本特點

高溫高壓染色機的基本特點是：溫度控制精度要求高，執(zhí)行元件多，動作頻繁，安全聯(lián)鎖多，既有開關(guān)量控制又有模擬量控制。染色工藝各不相同，染液成分復(fù)雜，為配置合適的染液可能要加入亞氯酸鈉、食鹽等，所以又處于酸、堿、水、蒸汽高溫高壓的惡劣環(huán)境中。在高溫高壓染色機工作時可能存在奧氏體不銹鋼+氯離子特定組合，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

因此高溫高壓染色機的主要失效機理為：疲勞失效、應(yīng)力腐蝕開裂、晶間腐蝕開裂。同時，由于長期使用可能導(dǎo)致安全聯(lián)鎖裝置損壞或功能不全，對高溫高壓染色機的安全性能產(chǎn)生影響。

3 檢驗、試驗和分析

對2013年1月～9月發(fā)現(xiàn)存在嚴重事故，隱患的120臺高溫高壓染色機進行分析，發(fā)現(xiàn)裂紋類缺陷的容器有60臺占50%，其次是安全聯(lián)鎖裝置缺陷的有12臺占10%，其他缺陷的48臺。

3.1 材料化驗分析

經(jīng)過審查產(chǎn)品質(zhì)量證明書和檢驗記錄，確定高溫高壓染色機本體材料均為奧氏體不銹鋼，如S32168，S30408，S31603等，直徑在Φ168～Φ2200mm之間，為了驗證材料，分別對筒體、封頭、裂紋焊縫取樣進行光譜化驗分析，經(jīng)過具體的理化性能試驗看出，原材料質(zhì)量證明書上的化學(xué)成份與復(fù)驗的化學(xué)成份基本相同，說明材料沒有用錯。但靠近裂紋邊緣取樣分析的含碳量為0.08，是 其它部位取樣的兩倍；這表明不銹鋼由碳與鉻結(jié)合，大量析出了（Cr、Fe）C6碳化物，易造成晶間腐蝕。

3.2 硬度測定

對材料及焊縫熱影響區(qū)做了硬度（HB）測定，結(jié)果顯示，焊縫熱影響區(qū)的硬度大于母材的硬度，說明焊縫熱影響區(qū)由于淬火作用而發(fā)生硬化，這使得初始裂紋頂端附近的斷面韌性下降，對斷裂強度影響很大。

3.3 產(chǎn)生裂紋主要原因

裂紋類缺陷所占比例最大，對其進行重點分析。

3.3.1 裂紋類缺陷的分布及失效機理

表1列出了50臺高溫高壓染色機中裂紋類缺陷的分布位置及主要失效機理。這50臺高溫高壓染色機。目前染行業(yè)中很少用到含氯離子的鹽，因此應(yīng)力腐蝕損傷可能性較低。

表1 20臺裂紋類缺陷分布位置

（1）下法蘭與簡體連接處開裂占 50%，該部位屬結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，應(yīng)力大，由于高溫高壓染色機的工作特性易產(chǎn)生疲勞裂紋。檢驗中該部位內(nèi)外壁均發(fā)現(xiàn)過裂紋，該部位外壁產(chǎn)生裂紋的主要原因為疲勞，多見于使用8～10年的設(shè)備；而有些使用3～4年的高溫高壓染色機內(nèi)壁該部位也發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋分布在熱影響區(qū)，則此內(nèi)部裂紋屬于疲勞+晶間腐蝕共同作用引起。（2）上法蘭與封頭連接處發(fā)現(xiàn)的均為內(nèi)壁裂紋，分布在焊縫及熱影響區(qū)上，該部位與染液接觸、局部應(yīng)力較高，失效機理應(yīng)為疲勞+晶間腐蝕。（3）安全閥接管開裂發(fā)生在同一廠家生產(chǎn)的設(shè)備上，且僅使用了3年，裂紋出現(xiàn)在焊縫熔合線上，沿著整個接管均有分布，因此認為主要失效機理為晶間腐蝕。如果是疲勞裂紋不可能沿著接管整圈分布，可能與焊接時焊接工藝選擇不當有關(guān)。（4）支腳墊板連接處發(fā)現(xiàn)的裂紋，有些裂紋穿透筒體，分布在焊縫及熱影響區(qū)上，該部位與溢流出來的染液接觸、局部應(yīng)力較高；而且有一大部分沒有透氣孔，因熱脹冷縮造成應(yīng)力集聚和疲勞，失效機理應(yīng)為疲勞+晶間腐蝕。

由于受力較大且經(jīng)常啟閉，在高溫高壓染色機封頭兩端蓋板連接處、搖擺桿連接處也易發(fā)生開裂，這與開關(guān)蓋時用力大、重提重摔等有關(guān)，長期作用下產(chǎn)生疲勞裂紋。

3.3.2 材料對裂紋類缺陷的影響

常溫下奧氏體不銹鋼中碳的溶解度僅有0.02%～0.03%，固溶處理后奧氏體必為碳飽和而呈不穩(wěn)定狀態(tài)，若經(jīng)再次中溫加熱（450℃～850℃之間），過飽和的碳將向晶界擴散，與鉻結(jié)合而形成Cr23C6沉淀于晶界。由于鉻原子半徑較大，在晶粒內(nèi)擴散速度較慢，來不及向晶界擴散，故在形成鉻的碳化物時，晶界處鉻含量急劇下降，一般當鉻含量低于12%時不銹鋼將不耐腐蝕。當有腐蝕介質(zhì)作用時，晶間貧鉻區(qū)將產(chǎn)生明顯腐蝕，即晶間腐蝕。加熱溫度低（<450℃）或加熱時間短，不利擴散而難以形成鉻的碳化物，不致產(chǎn)生缺鉻現(xiàn)象；加熱溫度較高（>850℃），鉻的擴散速度加快，晶界不會形成貧鉻區(qū)，因此450℃～850℃為奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度。18型奧氏體不銹鋼在焊接時焊縫或熱影響區(qū)必然要經(jīng)過這一溫度，如果焊接工藝不當，極易形成晶間貧鉻區(qū)，在使用中產(chǎn)生晶間腐蝕。

因此高溫高壓染色機的主要失效機理為：疲勞失效、應(yīng)力腐蝕開裂、晶間腐蝕開裂。同時，由于長期使用可能導(dǎo)致安全聯(lián)鎖裝置損壞或功能不全，對高溫高壓染色機的安全性能產(chǎn)生影響。

3.4 安全聯(lián)鎖裝置缺陷

現(xiàn)場檢驗中發(fā)現(xiàn)高溫高壓染色機安全聯(lián)鎖裝 置主要存在以下缺陷：（1）在長期使用過程中，因為撞擊等原因，安全聯(lián)鎖裝置缺失；（2）聯(lián)鎖保護裝置中定位銷脫落或者彎曲損壞；（3）聯(lián)鎖保護裝置中報警裝置損壞。

其中報警裝置主要起到顯示、警示作用，對高溫高壓染色機的本體安全影響不是太大；而安全聯(lián)鎖裝置缺失、定位銷脫落，極易造成快開門蓋彈飛，造成人員傷亡。

3.5 其他缺陷

在檢驗中還發(fā)現(xiàn)一些其他缺陷：如筒節(jié)磨穿、壓力表損壞、私自開孔、私自修理改造、無出廠資料、射線檢測發(fā)現(xiàn)超標缺陷等。缺陷種類多種多樣，沒有一定的規(guī)律，分散性較大。

在一個開閉過程中，高溫高壓染色機經(jīng)歷了升壓-保壓-降壓的壓力循環(huán)，同時高溫高壓染色機沒有保溫層覆蓋的部位還存在升溫、降溫引起的溫度循環(huán)。從載荷角度考慮 ，高溫高壓染色機承受循環(huán)交變載荷，可能產(chǎn)生疲勞失效。

4 建議和預(yù)防措施

不銹鋼在使用條件下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋影響的因素很多，概括起來，可分為內(nèi)因和外因兩大類，內(nèi)因包括有不銹鋼的成分、組織和狀態(tài)（熱處理、冷、熱加工和表面情況以及殘余應(yīng)力狀況等），外因包括介質(zhì)種類、溫度、濃度、外加應(yīng)力（工作應(yīng)力、熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力等）的性質(zhì)、大小、設(shè)備和部件的結(jié)構(gòu)特點等等；由于內(nèi)外因素有著極密切的聯(lián)系，因此在實際生產(chǎn)中要控制奧氏體不銹鋼絕對不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋幾乎是不可能的事。為此應(yīng)該從設(shè)計、制造、使用上采取措施，預(yù)防或降低此類缺陷的發(fā)生，及時發(fā)現(xiàn)危險性措施。（1）設(shè)計上：盡可能避免易造成染液積聚的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在小縫隙中流動性差，染液濃度較高，易形成縫隙腐蝕，同時旁邊又有角焊縫，局部高應(yīng)力，在高濃度染液作用下更易產(chǎn)生晶間腐蝕與疲勞破壞。（2）制造上：在焊接工藝方面應(yīng)減小線能量，采用小電流、大焊速、短弧、直道焊接。多層多道焊時，層間溫度不宜過高，應(yīng)待先焊的一層完全冷卻后（< 60℃）再進行下一層焊接，這樣在敏化溫度區(qū)停留時間短，有利于防止晶間腐蝕；表面處理（拋光、酸洗、鈍化等）必須嚴格遵守操作規(guī)程，以表面呈現(xiàn)均勻顏色為宜。（3）使用上：應(yīng)加強對安全聯(lián)鎖裝置的檢查，確保安全聯(lián)鎖裝置有效；不得野蠻操作，嚴禁重提重摔；及時清理外溢或滴落的染液，確保容器表面清潔。設(shè)法降低使用介質(zhì)溫度、濃度、流速以及介質(zhì)中的氯離子含量，要求對高溫高壓染色機進行定期清洗，防止大量鐵銹（大多數(shù)是非不銹鋼部件受腐蝕而帶來的）和污垢附著在不銹鋼表面上。

綜上所述，在設(shè)計、選材、加工制造和生產(chǎn)工藝等方面進行不斷的總結(jié)和改善，采取必要的措施，就可以高溫高壓染色機的使用壽命，降低事故率。