分享：旋转真空过滤机转鼓滤网支撑板开裂失效分析
梁 涛１,２,姜 勇１,２
(１．南京工业大学 机械与动力工程学院,南京 ２１１８１６;
２．极端承压装备设计与制造重点实验室,南京 ２１１８１６)
摘 要:某旋转真空过滤机滤网支撑板,在使用５a(年)后开始出现零星开裂失效,局部更换后又使用了约２a出现大面积开裂失效.采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜分析、能谱分析等方法,对该支撑板开裂失效原因进行了分析.结果表明:支撑板材料中钼、镍元素含量低,使得滤网支撑板的耐腐蚀性能较低,在冷加工过程中产生的形变马氏体进一步影响了材料的耐腐蚀性能;过滤物中含有 Br－ 造成了滤网支撑板的点蚀,在点蚀坑位置处产生应力集中,最终导致滤网支撑板发生了应力腐蚀开裂.
关键词:支撑板;不锈钢;溴离子;点蚀;应力腐蚀开裂
中图分类号:TG１７２．９;TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２２２Ｇ０４
旋转真空过滤机是通过安装在水平轴上的圆柱状转鼓的旋转,使转鼓内形成真空,在压差的作用下,溶液通过覆盖在转鼓上的滤布被吸入转鼓内,从而实现固液分离.某单位粗对苯二甲酸旋转真空过滤机的滤网支撑板在使用５a(年)后出现零星开裂,更换开裂的支撑板后又继续使用了约２a,滤网支撑板出现大面积开裂失效.该过滤机所分离的介质成分(质量分数)为６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介质旋转真空过滤机是通过安装在水平轴上的圆柱状转鼓的旋转,使转鼓内形成真空,在压差的作用下,溶液通过覆盖在转鼓上的滤布被吸入转鼓内,从而实现固液分离.某单位粗对苯二甲酸旋转真空过滤机的滤网支撑板在使用５a(年)后出现零星开裂,更换开裂的支撑板后又继续使用了约２a,滤网支撑
板出现大面积开裂失效.该过滤机所分离的介质成分(质量分数)为６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介质(可能含有少量溴离子),压力４５kPa,实际使用温度约９０ ℃,转速４r??min－１,功率２０kW,支撑板材料为３１７奥氏体不锈钢.为了查明该滤网支撑板失效原因,笔者对其进行一系列的理化检验和分析,以防止类似失效的再次发生.
１理化检验
１．１ 宏观观察
图１a)为失效的滤网支撑板的现场形貌,图１b)为失效处裂纹形貌,可见开裂主要集中于加工时的大变形位置并向四周扩展.
１．２ 化学成分分析
采用Spectromaxx直读光谱仪测定滤网支撑板的化学成分,结果见表 １,同时在表 １ 里列出了GB/T２０８７８－２００７中３１７和３０４不锈钢元素含量的标准值作为参考.可见失效滤网支撑板的钼含量仅为３１７不锈钢标准值的１/１０,远低于标准规定,
另外镍元素含量也低于标准值.通过与表１中３０４不锈钢元素含量的标准值进行对比,可见失效滤网支撑板材料是３０４奥氏体不锈钢,而非要求的３１７奥氏体不锈钢.
１．３ 扫描电镜分析及能谱分析
通过JSMＧ６１６０ＧLV 扫描电镜进行断口形貌分析和腐蚀产物能谱分析,图２a)为滤网支撑板断口的微观形貌,可见表现出穿晶的解理断裂特征,并有二次裂 纹.支 撑 板 表 面 还 发 现 大 量 点 蚀 凹 坑,如图２b)所示,对凹坑中的腐蚀产物进行能谱分析,检测出质量分数为６１．６％的铁元素,１４．６％的铬元素,１０．０％的氧元素,８．２％ 的镍元素,１．０％ 的锰元素,１．２％的硅元素,０．６％ 的碳元素 和 高 达 ２．８％ 的 溴元素.
１．４ 金相检验
使用 AxioImageAim 金相显微镜观察失效滤网支撑板的显微组织,结果如图３所示.图 ３a),b)可见大量点蚀坑,点蚀坑内充满腐蚀产物,另可见具有分叉 特 征 的 穿 晶 裂 纹 起 始 于 点 蚀 坑 底 部.根据裂纹位 置 及 形 态 判 断,此 种 开 裂 方 式 为 源 于点蚀坑的应力腐蚀开裂.由图３c)可 见 支 撑 板 基体显 微 组 织 为 奥 氏 体,有 明 显 的 加 工 特 征;由图３d)可见明显的形变马氏体,用磁铁 检 查,材 料具有一定磁性.
１．５ 耐腐蚀性能电化学测试
首先对滤网支撑板材材料３０４奥氏体不锈钢进行预应变处理,然后采用 MF３００型铁素体测量仪测量预应变４５％后３０４不锈钢中的马氏体含量,测定结果见表２.
采用 CHI６６０E电化学仪器一体化电化学分析系统,模拟３０４奥氏体不锈钢与预应变４５％的３０４奥氏体不锈钢在含有 Br－ 环境中的使用状况.图４为两者在质量分数为１．５％的 NaBr溶液中的极化曲线,两者的电化学参数见表３.可见经过预应变的３０４奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能有所下降,其自腐蚀电位由－０．２１４V 下降为－０．２３７V,自腐蚀电流 从 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,点 蚀 破 裂 电 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.说明在含有 Br－ 的环境中,奥氏体不锈钢产生的马氏体相变越多越容易发生点蚀.
采用 CHI６６０E电化学仪器一体化电化学分析系统,模拟３０４奥氏体不锈钢与预应变４５％的３０４奥氏体不锈钢在含有 Br－ 环境中的使用状况.图４为两者在质量分数为１．５％的 NaBr溶液中的极化曲线,两者的电化学参数见表３.可见经过预应变的３０４奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能有所下降,其自腐蚀电位由－０．２１４V 下降为－０．２３７V,自腐蚀电流 从 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,点 蚀 破 裂 电 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.说明在含有 Br－ 的环境中,奥氏体不锈钢产生的马氏体相变越多越容易发生点蚀.
２ 分析与讨论
由上述理化检验结果可知,该旋转真空过滤机滤网支撑板的钼含量仅为 标 准 值 的 １/１０,远 低 于３１７奥氏体不锈钢的标准规定,镍元素含量也低于标准值.不锈钢中加入钼元素,可提高其耐点蚀和缝隙腐蚀的能力,镍元素是奥氏体形成元素,材料中镍含量偏低会降低奥氏体的稳定性,导致加工时容易产生马氏体相变,对耐蚀性能产生不利影响[１Ｇ２].支撑板的断口形貌表现出穿晶解理断裂特征,并可见二次裂纹.支撑板表面可见大量点蚀凹坑,坑内充满腐蚀产物,对凹坑中的腐蚀产物进行能谱分析,
检出含量高达２．８％(质量分数)的溴元素.奥氏体不锈钢材料表面有一层致密的钝化膜,因而具有良好的耐均匀腐蚀性能[３].若服役介质中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蚀性阴离子,表面的钝化膜易发生点蚀[４].另可见具有分叉特征的穿晶裂纹起始于点蚀坑底部,根据裂纹位置及形态判断,此开裂为应力腐蚀开裂.滤机滤网支撑板在加工和成型过程中产生的残余应力以及安装时残留的装配应力等都为发生应力腐蚀开裂提供了必要的应力条件[５Ｇ７].因此,推断该裂纹属于典型的奥氏体不锈钢溴离子应力腐蚀开裂.电化学试验也证明在含有 Br－ 的环境中,材料产生的马氏体相变越多越容易发生点蚀.
３ 结论及建议
该滤网支撑板由于选材不规范,且残余应力未消除,而后又接触含有溴离子的过滤物,最终导致了典型的奥氏体不锈钢溴离子应力腐蚀开裂.建议合理选材,选择含钼且镍元素含量较高的如３１７奥氏体不锈钢材料,提高其耐腐蚀性能;在加工成型后应进行固溶处理,消除或降低材料的残余应力;对使用环境进行检测,确保过滤介质中的溴离子含量较低,以避免诱发溴离子应力腐蚀.
