梁 濤１,２,姜 勇１,２

(１．南京工業大學 機械與動力工程學院,南京 ２１１８１６;

２．極端承壓裝備設計與制造重點實驗室,南京 ２１１８１６)

摘 要:某旋轉真空過濾機濾網支撐板,在使用５a(年)后開始出現零星開裂失效,局部更換后又使用了約２a出現大面積開裂失效.采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡分析、能譜分析等方法,對該支撐板開裂失效原因進行了分析.結果表明:支撐板材料中鉬、鎳元素含量低,使得濾網支撐板的耐腐蝕性能較低,在冷加工過程中產生的形變馬氏體進一步影響了材料的耐腐蝕性能;過濾物中含有 Br－ 造成了濾網支撐板的點蝕,在點蝕坑位置處產生應力集中,最終導致濾網支撐板發生了應力腐蝕開裂.

關鍵詞:支撐板;不銹鋼;溴離子;點蝕;應力腐蝕開裂

中圖分類號:TG１７２．９;TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２２２Ｇ０４

旋轉真空過濾機是通過安裝在水平軸上的圓柱狀轉鼓的旋轉,使轉鼓內形成真空,在壓差的作用下,溶液通過覆蓋在轉鼓上的濾布被吸入轉鼓內,從而實現固液分離.某單位粗對苯二甲酸旋轉真空過濾機的濾網支撐板在使用５a(年)后出現零星開裂,更換開裂的支撐板后又繼續使用了約２a,濾網支撐板出現大面積開裂失效.該過濾機所分離的介質成分(質量分數)為６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介質旋轉真空過濾機是通過安裝在水平軸上的圓柱狀轉鼓的旋轉,使轉鼓內形成真空,在壓差的作用下,溶液通過覆蓋在轉鼓上的濾布被吸入轉鼓內,從而實現固液分離.某單位粗對苯二甲酸旋轉真空過濾機的濾網支撐板在使用５a(年)后出現零星開裂,更換開裂的支撐板后又繼續使用了約２a,濾網支撐

板出現大面積開裂失效.該過濾機所分離的介質成分(質量分數)為６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介質(可能含有少量溴離子),壓力４５kPa,實際使用溫度約９０ ℃,轉速４r??min－１,功率２０kW,支撐板材料為３１７奧氏體不銹鋼.為了查明該濾網支撐板失效原因,筆者對其進行一系列的理化檢驗和分析,以防止類似失效的再次發生.

１理化檢驗

１．１ 宏觀觀察

圖１a)為失效的濾網支撐板的現場形貌,圖１b)為失效處裂紋形貌,可見開裂主要集中于加工時的大變形位置并向四周擴展.

１．２ 化學成分分析

采用Spectromaxx直讀光譜儀測定濾網支撐板的化學成分,結果見表 １,同時在表 １ 里列出了GB/T２０８７８－２００７中３１７和３０４不銹鋼元素含量的標準值作為參考.可見失效濾網支撐板的鉬含量僅為３１７不銹鋼標準值的１/１０,遠低于標準規定,

另外鎳元素含量也低于標準值.通過與表１中３０４不銹鋼元素含量的標準值進行對比,可見失效濾網支撐板材料是３０４奧氏體不銹鋼,而非要求的３１７奧氏體不銹鋼.

１．３ 掃描電鏡分析及能譜分析

通過JSMＧ６１６０ＧLV 掃描電鏡進行斷口形貌分析和腐蝕產物能譜分析,圖２a)為濾網支撐板斷口的微觀形貌,可見表現出穿晶的解理斷裂特征,并有二次裂 紋.支 撐 板 表 面 還 發 現 大 量 點 蝕 凹 坑,如圖２b)所示,對凹坑中的腐蝕產物進行能譜分析,檢測出質量分數為６１．６％的鐵元素,１４．６％的鉻元素,１０．０％的氧元素,８．２％ 的鎳元素,１．０％ 的錳元素,１．２％的硅元素,０．６％ 的碳元素 和 高 達 ２．８％ 的 溴元素.

１．４ 金相檢驗

使用 AxioImageAim 金相顯微鏡觀察失效濾網支撐板的顯微組織,結果如圖３所示.圖 ３a),b)可見大量點蝕坑,點蝕坑內充滿腐蝕產物,另可見具有分叉 特 征 的 穿 晶 裂 紋 起 始 于 點 蝕 坑 底 部.根據裂紋位 置 及 形 態 判 斷,此 種 開 裂 方 式 為 源 于點蝕坑的應力腐蝕開裂.由圖３c)可 見 支 撐 板 基體顯 微 組 織 為 奧 氏 體,有 明 顯 的 加 工 特 征;由圖３d)可見明顯的形變馬氏體,用磁鐵 檢 查,材 料具有一定磁性.

１．５ 耐腐蝕性能電化學測試

首先對濾網支撐板材材料３０４奧氏體不銹鋼進行預應變處理,然后采用 MF３００型鐵素體測量儀測量預應變４５％后３０４不銹鋼中的馬氏體含量,測定結果見表２.

采用 CHI６６０E電化學儀器一體化電化學分析系統,模擬３０４奧氏體不銹鋼與預應變４５％的３０４奧氏體不銹鋼在含有 Br－ 環境中的使用狀況.圖４為兩者在質量分數為１．５％的 NaBr溶液中的極化曲線,兩者的電化學參數見表３.可見經過預應變的３０４奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能有所下降,其自腐蝕電位由－０．２１４V 下降為－０．２３７V,自腐蝕電流 從 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,點 蝕 破 裂 電 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.說明在含有 Br－ 的環境中,奧氏體不銹鋼產生的馬氏體相變越多越容易發生點蝕.

采用 CHI６６０E電化學儀器一體化電化學分析系統,模擬３０４奧氏體不銹鋼與預應變４５％的３０４奧氏體不銹鋼在含有 Br－ 環境中的使用狀況.圖４為兩者在質量分數為１．５％的 NaBr溶液中的極化曲線,兩者的電化學參數見表３.可見經過預應變的３０４奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能有所下降,其自腐蝕電位由－０．２１４V 下降為－０．２３７V,自腐蝕電流 從 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,點 蝕 破 裂 電 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.說明在含有 Br－ 的環境中,奧氏體不銹鋼產生的馬氏體相變越多越容易發生點蝕.

２ 分析與討論

由上述理化檢驗結果可知,該旋轉真空過濾機濾網支撐板的鉬含量僅為 標 準 值 的 １/１０,遠 低 于３１７奧氏體不銹鋼的標準規定,鎳元素含量也低于標準值.不銹鋼中加入鉬元素,可提高其耐點蝕和縫隙腐蝕的能力,鎳元素是奧氏體形成元素,材料中鎳含量偏低會降低奧氏體的穩定性,導致加工時容易產生馬氏體相變,對耐蝕性能產生不利影響[１Ｇ２].支撐板的斷口形貌表現出穿晶解理斷裂特征,并可見二次裂紋.支撐板表面可見大量點蝕凹坑,坑內充滿腐蝕產物,對凹坑中的腐蝕產物進行能譜分析,

檢出含量高達２．８％(質量分數)的溴元素.奧氏體不銹鋼材料表面有一層致密的鈍化膜,因而具有良好的耐均勻腐蝕性能[３].若服役介質中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蝕性陰離子,表面的鈍化膜易發生點蝕[４].另可見具有分叉特征的穿晶裂紋起始于點蝕坑底部,根據裂紋位置及形態判斷,此開裂為應力腐蝕開裂.濾機濾網支撐板在加工和成型過程中產生的殘余應力以及安裝時殘留的裝配應力等都為發生應力腐蝕開裂提供了必要的應力條件[５Ｇ７].因此,推斷該裂紋屬于典型的奧氏體不銹鋼溴離子應力腐蝕開裂.電化學試驗也證明在含有 Br－ 的環境中,材料產生的馬氏體相變越多越容易發生點蝕.

３ 結論及建議

該濾網支撐板由于選材不規范,且殘余應力未消除,而后又接觸含有溴離子的過濾物,最終導致了典型的奧氏體不銹鋼溴離子應力腐蝕開裂.建議合理選材,選擇含鉬且鎳元素含量較高的如３１７奧氏體不銹鋼材料,提高其耐腐蝕性能;在加工成型后應進行固溶處理,消除或降低材料的殘余應力;對使用環境進行檢測,確保過濾介質中的溴離子含量較低,以避免誘發溴離子應力腐蝕.

（文章來源：材料與測試網 -理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 3期 > pp.222）