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，對檢驗中發現的高溫高壓染色機缺陷進行了統計分析，發現裂紋類缺陷最多。針對高溫高壓染色機的這些缺陷，從設計、制造、使用、檢驗、檢測等方面提出了相應的預防措施。

關鍵詞：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、經軸紗、拉鏈、盤帶等漂染處理，是一種適應范圍廣泛的成品之理想的漂染設備。高溫高壓染色機采用全不銹鋼制造，機械調速具有無噪音、調速方便等優點。

西樵地區印染業發達，高溫高壓染色機數量多，在檢驗工作中普遍發現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，了解缺陷易發部位及形成原因，可以指導檢驗檢測，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，執行元件多，動作頻繁，安全聯鎖多，既有開關量控制又有模擬量控制。染色工藝各不相同，染液成分復雜，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，易產生應力腐蝕開裂。

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

3 檢驗、試驗和分析

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

3.1 材料化驗分析

經過審查產品質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，經過具體的理化性能試驗看出，原材料質量證明書上的化學成份與復驗的化學成份基本相同，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做了硬度（HB）測定，結果顯示，焊縫熱影響區的硬度大于母材的硬度，說明焊縫熱影響區由于淬火作用而發生硬化，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。目前染行業中很少用到含氯離子的鹽，因此應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%，該部位屬結構不連續區，應力大，由于高溫高壓染色機的工作特性易產生疲勞裂紋。檢驗中該部位內外壁均發現過裂紋，該部位外壁產生裂紋的主要原因為疲勞，多見于使用8～10年的設備；而有些使用3～4年的高溫高壓染色機內壁該部位也發現裂紋，裂紋分布在熱影響區，則此內部裂紋屬于疲勞+晶間腐蝕共同作用引起。（2）上法蘭與封頭連接處發現的均為內壁裂紋，分布在焊縫及熱影響區上，該部位與染液接觸、局部應力較高，失效機理應為疲勞+晶間腐蝕。（3）安全閥接管開裂發生在同一廠家生產的設備上，且僅使用了3年，裂紋出現在焊縫熔合線上，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。（4）支腳墊板連接處發現的裂紋，有些裂紋穿透筒體，分布在焊縫及熱影響區上，該部位與溢流出來的染液接觸、局部應力較高；而且有一大部分沒有透氣孔，因熱脹冷縮造成應力集聚和疲勞，失效機理應為疲勞+晶間腐蝕。

由于受力較大且經常啟閉，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生開裂，這與開關蓋時用力大、重提重摔等有關，長期作用下產生疲勞裂紋。

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定狀態，若經再次中溫加熱（450℃～850℃之間），過飽和的碳將向晶界擴散，與鉻結合而形成Cr23C6沉淀于晶界。由于鉻原子半徑較大，在晶粒內擴散速度較慢，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。當有腐蝕介質作用時，晶間貧鉻區將產生明顯腐蝕，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，不致產生缺鉻現象；加熱溫度較高（>850℃），鉻的擴散速度加快，晶界不會形成貧鉻區，因此450℃～850℃為奧氏體不銹鋼易產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必然要經過這一溫度，如果焊接工藝不當，極易形成晶間貧鉻區，在使用中產生晶間腐蝕。

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

3.4 安全聯鎖裝置缺陷

現場檢驗中發現高溫高壓染色機安全聯鎖裝 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，安全聯鎖裝置缺失；（2）聯鎖保護裝置中定位銷脫落或者彎曲損壞；（3）聯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

在檢驗中還發現一些其他缺陷：如筒節磨穿、壓力表損壞、私自開孔、私自修理改造、無出廠資料、射線檢測發現超標缺陷等。缺陷種類多種多樣，沒有一定的規律，分散性較大。

在一個開閉過程中，高溫高壓染色機經歷了升壓-保壓-降壓的壓力循環，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。從載荷角度考慮 ，高溫高壓染色機承受循環交變載荷，可能產生疲勞失效。

4 建議和預防措施

不銹鋼在使用條件下產生應力腐蝕裂紋影響的因素很多，概括起來，可分為內因和外因兩大類，內因包括有不銹鋼的成分、組織和狀態（熱處理、冷、熱加工和表面情況以及殘余應力狀況等），外因包括介質種類、溫度、濃度、外加應力（工作應力、熱應力、裝配應力等）的性質、大小、設備和部件的結構特點等等；由于內外因素有著極密切的聯系，因此在實際生產中要控制奧氏體不銹鋼絕對不產生應力腐蝕裂紋幾乎是不可能的事。為此應該從設計、制造、使用上采取措施，預防或降低此類缺陷的發生，及時發現危險性措施。（1）設計上：盡可能避免易造成染液積聚的設計結構，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，局部高應力，在高濃度染液作用下更易產生晶間腐蝕與疲勞破壞。（2）制造上：在焊接工藝方面應減小線能量，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程，以表面呈現均勻顏色為宜。（3）使用上：應加強對安全聯鎖裝置的檢查，確保安全聯鎖裝置有效；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。設法降低使用介質溫度、濃度、流速以及介質中的氯離子含量，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，在設計、選材、加工制造和生產工藝等方面進行不斷的總結和改善，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。