高溫除塵濾袋用文丘里管的失效原因及改進措施

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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，其能量主要以動壓的形式存在，而動壓只能作用于氣流前進的方向，因而對位于垂直方向的濾袋壁面不起作用，只有當其轉換成靜壓時，才能起到清灰作用。文丘里管的作用在于促進噴出的壓縮空氣與被誘導的二次氣流盡快進行能量交換[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，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電除塵項目中進行了應用，該工況溫度波動較大(90～300 ℃)，一般的布袋容易產生“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。當除塵倉運行3個月后，檢測發現排放濃度有升高趨勢，立刻打開其中一個除塵倉室進行檢查，發現較多的文丘里管的端口和喉管口部分出現了生銹、破裂現象，如圖2所示，破裂后的鐵片掉落在濾袋內部，在脈沖氣體的沖刷下，導致濾袋出現破損，引起泄漏。本工作針對文丘里管在此次工況下的失效原因進行了分析并提出了改進措施。

(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

1.1 化學成分

化學成分是影響材料物理及化學性能的主要因素，元素含量不足或過量都會導致材料的力學性能和耐蝕性發生改變。由表1可見:失效文丘里管的化學成分均在參考值范圍之內，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因為變形產生其他組織，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部有大量孿晶，晶界規則，主要為奧氏體；而經過沖壓變形后，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。文獻報道，奧氏體經過大尺度變形后，會產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大量的黑點區域，如上圖3的圈中所示，應屬奧氏體中碳化物(M23C6)被腐蝕后形成的點蝕坑。相比于原始奧氏體，變形晶粒中白色奧氏體基體上，出現了明顯的α-馬氏體聚集，針狀馬氏體多且密，為了進一步證實馬氏體存在，對組織進行了X射線衍射(XRD)測試，見圖4。圖中出現了原始奧氏體組織的3個特征衍射峰，對應晶面指數分別為(111)、(200)、(220)，但同時也伴隨著另外三個衍射峰：(110)、(200)、(211)，屬于馬氏體組織3個特征衍射峰，通過兩者峰值強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，垂直擴展，裂紋呈樹枝狀，裂紋斷口截面平整，表現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物，經過能譜分析后發現含有大量的Cl-、S2-，見圖6。

文丘里管發生脆斷的原因如下:一方面馬氏體晶內強度大于晶界，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成為裂紋萌生的主要位置;另一方面外界的Cl-、S2-會對馬氏體組織產生較強的腐蝕，兩方面原因會導致裂紋的擴展方式屬于沿晶擴展，產生脆性斷裂。

(a)裂紋擴展路徑(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 腐蝕產物能譜分析結果Fig. 6 EDS results for corrosion products

2 改進措施

根據上述分析結果，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，氣體到達濾袋出口的溫度低(90～100 ℃)，遇到文丘里管會出現結露現象;另一方面氣體受噴吹壓縮空冷空氣降溫后也會出現冷凝。綜合結果導致在袋口位置出現了Cl-、S2-的液化和富集現象，形成的腐蝕性溶液附著于袋口表面，結合噴吹壓力，最終出現了應力腐蝕脆性斷裂。

針對以上原因，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，使組織轉變為單一的奧氏體，這有助于增加文丘里管的耐蝕性。由圖7可見：經過固溶處理，形變馬氏體和晶界碳化物均消失，晶粒形狀為較規整的多邊形，通過XRD衍射對組織進行分析后，只出現奧氏體組織的3個特征衍射峰：(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生，在濾芯方面，金屬纖維氈采用雙面復網，增加耐磨強度。通過以上改進措施，除塵設備長時間工作后仍運轉正常，排放濃度達到預期要求。

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

3 結論

(1) 文丘里管在制備過程中不可避免會出現大尺寸的形變，文丘里管中的奧氏體組織經過劇烈變形后會產生形變馬氏體組織，在具有腐蝕性氣氛環境中使用時,硬度較高的馬氏體晶界碳化物會成為裂紋萌生的主要位置，結合外界的腐蝕介質會對馬氏體組織產生較強的應力腐蝕，這會導致文丘里管出現脆性斷裂。

(2) 針對溫度變化較大，含塵氣體成分復雜的工況，需要對原有除塵工藝進行改進：使用前需要對文丘里管進行固溶處理，使得馬氏體轉變為單一奧氏體，同時去除晶界碳化物，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網，增加耐磨強度，可滿足長時間運行的要求。