高温高压染色机裂纹分析

李向前

摘 要：介绍高温高压染色机的基本特点及失效机理，对检验中发现的高温高压染色机缺陷进行了统计分析，发现裂纹类缺陷最多。针对高温高压染色机的这些缺陷，从设计、制造、使用、检验、检测等方面提出了相应的预防措施。

关键词：高温高压染色机；晶间腐蚀；裂纹

1 引言

高温高压染色机主要染纯棉、涤纶、腈纶、尼龙、羊毛、涤棉、毛涤、麻棉或各种混纺纱线，配置各种类型纱架，可外染不同形式的纱线，如筒子纱、绞纱丝饼、散毛、毛条、经轴纱、拉链、盘带等漂染处理，是一种适应范围广泛的成品之理想的漂染设备。高温高压染色机采用全不锈钢制造，机械调速具有无噪音、调速方便等优点。

西樵地区印染业发达，高温高压染色机数量多，在检验工作中普遍发现高温高压染色机缺陷多、事故隐患严重。因此分析高温高压染色机常见缺陷，了解缺陷易发部位及形成原因，可以指导检验检测，及时消除事故隐患，确保高温高压染色机安全运行。

2 高温高压染色机基本特点

高温高压染色机的基本特点是：温度控制精度要求高，执行元件多，动作频繁，安全联锁多，既有开关量控制又有模拟量控制。染色工艺各不相同，染液成分复杂，为配置合适的染液可能要加入亚氯酸钠、食盐等，所以又处于酸、碱、水、蒸汽高温高压的恶劣环境中。在高温高压染色机工作时可能存在奥氏体不锈钢+氯离子特定组合，易产生应力腐蚀开裂。

因此高温高压染色机的主要失效机理为：疲劳失效、应力腐蚀开裂、晶间腐蚀开裂。同时，由于长期使用可能导致安全联锁装置损坏或功能不全，对高温高压染色机的安全性能产生影响。

3 检验、试验和分析

对2013年1月～9月发现存在严重事故，隱患的120台高温高压染色机进行分析，发现裂纹类缺陷的容器有60台占50%，其次是安全联锁装置缺陷的有12台占10%，其他缺陷的48台。

3.1 材料化验分析

经过审查产品质量证明书和检验记录，确定高温高压染色机本体材料均为奥氏体不锈钢，如S32168，S30408，S31603等，直径在Φ168～Φ2200mm之间，为了验证材料，分别对筒体、封头、裂纹焊缝取样进行光谱化验分析，经过具体的理化性能试验看出，原材料质量证明书上的化学成份与复验的化学成份基本相同，说明材料没有用错。但靠近裂纹边缘取样分析的含碳量为0.08，是 其它部位取样的两倍；这表明不锈钢由碳与铬结合，大量析出了（Cr、Fe）C6碳化物，易造成晶间腐蚀。

3.2 硬度测定

对材料及焊缝热影响区做了硬度（HB）测定，结果显示，焊缝热影响区的硬度大于母材的硬度，说明焊缝热影响区由于淬火作用而发生硬化，这使得初始裂纹顶端附近的断面韧性下降，对断裂强度影响很大。

3.3 产生裂纹主要原因

裂纹类缺陷所占比例最大，对其进行重点分析。

3.3.1 裂纹类缺陷的分布及失效机理

表1列出了50台高温高压染色机中裂纹类缺陷的分布位置及主要失效机理。这50台高温高压染色机。目前染行业中很少用到含氯离子的盐，因此应力腐蚀损伤可能性较低。

表1 20台裂纹类缺陷分布位置

（1）下法兰与简体连接处开裂占 50%，该部位属结构不连续区，应力大，由于高温高压染色机的工作特性易产生疲劳裂纹。检验中该部位内外壁均发现过裂纹，该部位外壁产生裂纹的主要原因为疲劳，多见于使用8～10年的设备；而有些使用3～4年的高温高压染色机内壁该部位也发现裂纹，裂纹分布在热影响区，则此内部裂纹属于疲劳+晶间腐蚀共同作用引起。（2）上法兰与封头连接处发现的均为内壁裂纹，分布在焊缝及热影响区上，该部位与染液接触、局部应力较高，失效机理应为疲劳+晶间腐蚀。（3）安全阀接管开裂发生在同一厂家生产的设备上，且仅使用了3年，裂纹出现在焊缝熔合线上，沿着整个接管均有分布，因此认为主要失效机理为晶间腐蚀。如果是疲劳裂纹不可能沿着接管整圈分布，可能与焊接时焊接工艺选择不当有关。（4）支脚垫板连接处发现的裂纹，有些裂纹穿透筒体，分布在焊缝及热影响区上，该部位与溢流出来的染液接触、局部应力较高；而且有一大部分没有透气孔，因热胀冷缩造成应力集聚和疲劳，失效机理应为疲劳+晶间腐蚀。

由于受力较大且经常启闭，在高温高压染色机封头两端盖板连接处、摇摆杆连接处也易发生开裂，这与开关盖时用力大、重提重摔等有关，长期作用下产生疲劳裂纹。

3.3.2 材料对裂纹类缺陷的影响

常温下奥氏体不锈钢中碳的溶解度仅有0.02%～0.03%，固溶处理后奥氏体必为碳饱和而呈不稳定状态，若经再次中温加热（450℃～850℃之间），过饱和的碳将向晶界扩散，与铬结合而形成Cr23C6沉淀于晶界。由于铬原子半径较大，在晶粒内扩散速度较慢，来不及向晶界扩散，故在形成铬的碳化物时，晶界处铬含量急剧下降，一般当铬含量低于12%时不锈钢将不耐腐蚀。当有腐蚀介质作用时，晶间贫铬区将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。加热温度低（<450℃）或加热时间短，不利扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生缺铬现象；加热温度较高（>850℃），铬的扩散速度加快，晶界不会形成贫铬区，因此450℃～850℃为奥氏体不锈钢易产生晶间腐蚀的敏化温度。18型奥氏体不锈钢在焊接时焊缝或热影响区必然要经过这一温度，如果焊接工艺不当，极易形成晶间贫铬区，在使用中产生晶间腐蚀。

因此高温高压染色机的主要失效机理为：疲劳失效、应力腐蚀开裂、晶间腐蚀开裂。同时，由于长期使用可能导致安全联锁装置损坏或功能不全，对高温高压染色机的安全性能产生影响。

3.4 安全联锁装置缺陷

现场检验中发现高温高压染色机安全联锁装 置主要存在以下缺陷：（1）在长期使用过程中，因为撞击等原因，安全联锁装置缺失；（2）联锁保护装置中定位销脱落或者弯曲损坏；（3）联锁保护装置中报警装置损坏。

其中报警装置主要起到显示、警示作用，对高温高压染色机的本体安全影响不是太大；而安全联锁装置缺失、定位销脱落，极易造成快开门盖弹飞，造成人员伤亡。

3.5 其他缺陷

在检验中还发现一些其他缺陷：如筒节磨穿、压力表损坏、私自开孔、私自修理改造、无出厂资料、射线检测发现超标缺陷等。缺陷种类多种多样，没有一定的规律，分散性较大。

在一个开闭过程中，高温高压染色机经历了升压-保压-降压的压力循环，同时高温高压染色机没有保温层覆盖的部位还存在升温、降温引起的温度循环。从载荷角度考虑 ，高温高压染色机承受循环交变载荷，可能产生疲劳失效。

4 建議和预防措施

不锈钢在使用条件下产生应力腐蚀裂纹影响的因素很多，概括起来，可分为内因和外因两大类，内因包括有不锈钢的成分、组织和状态（热处理、冷、热加工和表面情况以及残余应力状况等），外因包括介质种类、温度、浓度、外加应力（工作应力、热应力、装配应力等）的性质、大小、设备和部件的结构特点等等；由于内外因素有着极密切的联系，因此在实际生产中要控制奥氏体不锈钢绝对不产生应力腐蚀裂纹几乎是不可能的事。为此应该从设计、制造、使用上采取措施，预防或降低此类缺陷的发生，及时发现危险性措施。（1）设计上：尽可能避免易造成染液积聚的设计结构，在小缝隙中流动性差，染液浓度较高，易形成缝隙腐蚀，同时旁边又有角焊缝，局部高应力，在高浓度染液作用下更易产生晶间腐蚀与疲劳破坏。（2）制造上：在焊接工艺方面应减小线能量，采用小电流、大焊速、短弧、直道焊接。多层多道焊时，层间温度不宜过高，应待先焊的一层完全冷却后（< 60℃）再进行下一层焊接，这样在敏化温度区停留时间短，有利于防止晶间腐蚀；表面处理（抛光、酸洗、钝化等）必须严格遵守操作规程，以表面呈现均匀颜色为宜。（3）使用上：应加强对安全联锁装置的检查，确保安全联锁装置有效；不得野蛮操作，严禁重提重摔；及时清理外溢或滴落的染液，确保容器表面清洁。设法降低使用介质温度、浓度、流速以及介质中的氯离子含量，要求对高温高压染色机进行定期清洗，防止大量铁锈（大多数是非不锈钢部件受腐蚀而带来的）和污垢附着在不锈钢表面上。

综上所述，在设计、选材、加工制造和生产工艺等方面进行不断的总结和改善，采取必要的措施，就可以高温高压染色机的使用寿命，降低事故率。