某高溫高壓J型染色機機頭開裂原因

王海鋒,陳仙鳳,程 飛,董偉雄,郭 濤

(紹興市特種設備檢測院,紹興 312071)

高溫高壓J型染色機是一種常見的壓力容器，廣泛用于紡織印染行業，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 ℃，介質為染液[1]。J型染色機工作環境特殊，染液成分復雜，在實際使用中失效事故時有發生。

某印染企業染色車間一批高溫高壓J型染色機在服役近8 a后，機頭部位發生不同程度的開裂，該J型染色機所用的材料為321不銹鋼，規格為φ700 mm×4 mm，設計壓力為0.45 MPa，最高工作壓力為0.3 MPa，設計溫度為154 ℃，最高工作溫度為100 ℃，其結構示意如圖1所示。為找到該J型染色機機頭開裂的原因，確保設備的正常運行，筆者對開裂機頭進行了一系列檢驗及分析。

圖1 J型染色機的結構示意

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

如圖2所示：通過現場檢查，發現開裂位置在J型染色機機頭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；機頭開裂位置附近沉積有灰白色結晶產物，應為滲出的染液經蒸發、結晶而成；打開機缸操作蓋，可見機頭R部位內表面有染液殘留。在機頭內表面開裂位置處截取試樣，如圖3所示，裂紋已貫穿整個截面，內表面有一層黑色附著物，經打磨后露出金屬光澤，表面存在點蝕痕跡，采用超聲波測厚儀測量其壁厚，未發現異常減薄現象。

圖2 J型染色機機頭開裂部位外表面的宏觀形貌

圖3 機頭開裂部位內表面的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在染色機機頭開裂位置處截取試樣，采用直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可知，機頭材料化學成分滿足GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》標準對321不銹鋼的化學成分要求。

表1 J型染色機機頭的化學成分

1.3 介質成分分析

染液一般由染料、勻染劑和促染劑配制而成[2]。經現場調查，染液的主要成分為活性染料、代用堿和元明粉(Na2SO4)。對現場使用的染液和企業用水取樣進行分析，依據GB/T 11896-1989《水質 氯化物的測定 硝酸銀滴定法》，測得染液中氯離子的質量濃度為11 700 mg/L，水中氯離子的質量濃度為290 mg/L。

1.4 金相檢驗

從機頭內表面遠離開裂位置區域和開裂位置處截取試樣，經打磨、拋光和電解浸蝕后，在光學顯微鏡下進行觀察。如圖4所示，機頭內表面不同區域的組織為奧氏體，裂紋末端呈樹枝狀，有分叉，呈穿晶擴展的形貌特征。

圖4 J型染色機機頭內表面不同位置處的顯微組織

1.5 掃描電鏡及能譜分析

從機頭內表面開裂位置處截取試樣，經超聲清洗后，采用掃描電鏡進行觀察。如圖5所示：可見內表面存在腐蝕坑，腐蝕坑表面及其底部有細小的微裂紋；內表面裂紋末端呈枯樹枝狀，裂紋附近存在少量的點蝕坑。

圖5 J型染色機機頭內表面不同位置處的微觀形貌

將試樣沿裂紋延伸方向斷開，發現裂紋內部有腐蝕產物。如圖6所示，原始裂紋區域斷口未見明顯塑性變形，表現為脆性斷裂的形貌特征，伴有多條二次裂紋，裂紋在內表面萌生，并向外壁擴展，最終斷裂區呈撕裂韌窩的形貌特征。

圖6 沿J型染色機機頭內表面裂紋延伸方向斷開后斷口不同區域的微觀形貌

對沉積在機頭外表面裂紋處的灰白色結晶產物進行能譜分析。如圖7所示，結晶產物中存在碳、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。從能譜分析結果中還可以發現氯元素含量較高，經水質檢測，氯元素來源于配制染液用的企業用水。因此，可以進一步確定染液中具有較高含量的氯離子。

圖7 機頭外表面裂紋處結晶產物的能譜分析結果

2 分析與討論

通過上述觀察和檢驗可見，該高溫高壓J型染色機機頭的化學成分滿足標準要求，機頭基體組織為正常的奧氏體。J型染色機的開裂位置在機頭R部位，裂紋萌生于機頭內表面，并向外表面逐漸擴展，最后導致機頭開裂。

腐蝕敏感金屬、特定的腐蝕介質和拉應力是產生應力腐蝕開裂的三大要素[3]。機頭內部的工作應力、機頭冷加工時產生的殘余應力以及染液中存在的氯離子，是奧氏體不銹鋼機頭發生應力腐蝕開裂的主要原因。機頭內表面裂紋呈樹枝狀穿晶擴展，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生應力腐蝕開裂的典型特征[4-5]。

以往研究結果顯示，隨著氯離子濃度的升高，奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂敏感性會增加[6]。以前，印染企業為提高染色機的染色效果，會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。經水質檢測，染液成分中并不存在氯離子，而用于配制染液的企業用水中氯離子含量偏高。機頭R部位屬于染液流動的死角位置，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，企業有時會將染液進行循環利用，這會造成染液中的氯離子含量進一步升高。同時，機頭內部的工作應力和機頭冷加工時產生的殘余應力也會造成機頭開裂。

綜合分析可見，在機頭R部位的氯離子作用下，使其內表面鈍化膜遭到破壞而發生點蝕，氯離子在腐蝕坑處聚集，促使腐蝕坑向機頭外表面擴展，在工作壓力和殘余應力的共同作用下，點蝕擴展成為較大的縫隙，形成微裂紋，這些裂紋不斷擴展，最終導致機頭發生應力腐蝕開裂[8-9]。

3 結論及建議

(1)高溫高壓J型染色機機頭產生開裂的原因是用于配制染液的企業用水中的氯離子含量較高，氯離子在機頭R部位聚集，使其內表面鈍化膜遭到破壞而發生點蝕，在機頭內部的工作應力和機頭冷加工時產生的殘余應力的共同作用下，點蝕擴展成為微裂紋，最終導致機頭發生應力腐蝕開裂。

(2)建議選用耐應力腐蝕性能更好的雙相不銹鋼作為機頭材料，在冷加工后進行去應力處理。加強水質管理，嚴格控制染液中的氯離子含量，定期用水清洗染色機內表面。