分享：淀粉離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓開裂原因

某制藥廠對設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)的過程中，在離心機(jī)表面發(fā)現(xiàn)裂紋。據(jù)委托方介紹，該離心機(jī)設(shè)備用于淀粉加工，內(nèi)部工況存在熱蒸汽，使用年限約為3 a，轉(zhuǎn)鼓材料為304不銹鋼。進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)裂紋位于離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓鼓底位置。 

離心機(jī)作為固液分離設(shè)備，大量應(yīng)用于化工、石油、食品、制藥、選礦、煤炭、水處理和船舶等領(lǐng)域。離心機(jī)的主要部件有：底座、外殼、轉(zhuǎn)鼓、電動(dòng)機(jī)等，其中轉(zhuǎn)鼓是離心機(jī)的關(guān)鍵部件之一。304不銹鋼是300系列奧氏體不銹鋼中的典型鋼種，因其具有良好的耐腐蝕性能及機(jī)械加工性能，在食品、制藥、化工、石油等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。相較于碳鋼，不銹鋼表面被完整的氧化膜所覆蓋，覆蓋度和致密性是決定不銹鋼耐腐蝕性能的關(guān)鍵[1]。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析該離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓開裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

轉(zhuǎn)鼓裂紋處宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：鼓底外表面裂紋大體沿著圓周方向擴(kuò)展，鼓底內(nèi)表面溝槽附近可見兩處裂紋，裂紋表面黃色銹跡較明顯。 

圖  1  轉(zhuǎn)鼓裂紋處宏觀形貌

在開裂轉(zhuǎn)鼓處取樣，試樣的裂紋由內(nèi)表面開始向縱深方向擴(kuò)展，形成穿透性裂紋，取樣完成后內(nèi)表面的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，基本完全沿鼓底錐面和平面交界處的溝槽擴(kuò)展，界面呈一定角度，未圓滑過渡（見圖2）。 

圖  2  轉(zhuǎn)鼓取樣過程中裂紋處宏觀形貌

用機(jī)械方法打開裂紋，觀察斷口的宏觀形貌，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口表面無明顯塑性變形。 

圖  3  斷口處宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在開裂的轉(zhuǎn)鼓鼓底位置取樣，依據(jù)GB/T 11170—2008 《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：轉(zhuǎn)鼓試樣的化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》及GB/T 222—2006 《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》的標(biāo)準(zhǔn)要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

用丙酮清洗轉(zhuǎn)鼓斷口，利用掃描電子顯微鏡觀察轉(zhuǎn)鼓斷口，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋源處斷口呈河流花樣，斷口表面被泥狀腐蝕產(chǎn)物覆蓋；在循環(huán)應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口表面有明顯的間距條痕。 

圖  4  斷口處SEM形貌

對斷口表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：腐蝕產(chǎn)物中C、O元素含量較高，斷口表面檢測到具有腐蝕性的S、Cl元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.19%和2.46%。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在開裂轉(zhuǎn)鼓上截取試樣，將試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨和拋光處理，依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣斷口附近存在樹枝狀裂紋；將試樣用10%（體積分?jǐn)?shù)）草酸溶液電解腐蝕，可見試樣的顯微組織為奧氏體+鐵素體，有析出相沿晶界分布；將拋光后的試樣在高錳酸鉀水溶液中煮沸腐蝕，析出相呈彩虹色，確定析出相為σ相。 

圖  5  開裂轉(zhuǎn)鼓的微觀形貌

2.   綜合分析

離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓鼓底錐面和平面交界處存在溝槽，界面呈一定角度，未圓滑過渡，鼓底裂紋由內(nèi)表面開始向縱深方向擴(kuò)展，形成穿透性裂紋，取樣完成后內(nèi)表面的裂紋繼續(xù)沿溝槽擴(kuò)展，斷口表面無明顯塑性變形。該離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的顯微組織為奧氏體+鐵素體，其中奧氏體晶粒較為粗大，σ相沿晶界析出。當(dāng)奧氏體不銹鋼中存在適量鐵素體時(shí)，奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性降低[2]，但會(huì)增大σ相的析出傾向。σ相是一種鉻、鉬元素含量較高的硬脆金屬間化合物，在晶界析出時(shí)會(huì)顯著降低不銹鋼的沖擊韌性[3]，同時(shí)造成周圍局部形成貧鉻區(qū)，加速腐蝕裂紋沿晶界的擴(kuò)展，導(dǎo)致材料在氯離子介質(zhì)中的腐蝕傾向加重[4]。另一方面，σ相的存在容易破壞金屬基體的均勻連續(xù)性，造成局部應(yīng)力集中，促進(jìn)微裂紋的產(chǎn)生，并在一定條件下加速裂紋的擴(kuò)展，從而造成材料的早期破壞。奧氏體不銹鋼材料在固溶處理過程中，鋼中的析出物對不銹鋼的組織性能影響較大。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓斷口處可見微裂紋，裂紋呈樹枝狀沿晶界擴(kuò)展；裂紋源處斷口呈河流花樣，斷口表面被泥狀腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕產(chǎn)物中C、O元素含量較高，且存在具有腐蝕性的S及Cl元素，其中Cl元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.46%，說明該離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的工作介質(zhì)中存在氯離子。 

應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）宏觀上是一種脆性斷裂，拉伸應(yīng)力（如工作載荷、冷加工或熱加工的殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力、腐蝕產(chǎn)物的楔力等）、特定的材料和環(huán)境組合是SCC發(fā)生的必要條件。當(dāng)發(fā)生SCC時(shí)，不銹鋼表面鈍化膜的完整性被破壞，材料先形成微裂紋，再擴(kuò)展為宏觀裂紋，微裂紋一旦形成即可快速擴(kuò)展，直至材料破裂，因此SCC被認(rèn)為是所有腐蝕類型中破壞性和危害性最大的一種失效形式[5]，應(yīng)力腐蝕開裂也是奧氏體不銹鋼最主要的失效方式[6]。拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)是導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的兩大因素，對于300系列奧氏體不銹鋼，介質(zhì)中的氯離子是引起SCC的最常見物質(zhì)[7]。 

綜合以上分析結(jié)果，確認(rèn)該離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓鼓底在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的工況下承受較大拉應(yīng)力和切應(yīng)力，在介質(zhì)中氯離子的作用下，轉(zhuǎn)鼓發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，σ相和工作介質(zhì)中腐蝕性元素硫進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論與建議

離心機(jī)作為固液分離設(shè)備在正常工況下承受較大拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面在加工過程中未圓滑過渡，導(dǎo)致溝槽部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，在含有腐蝕性氯離子的熱蒸汽工作環(huán)境下，不銹鋼轉(zhuǎn)鼓發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。固溶處理不當(dāng)使轉(zhuǎn)鼓材料組織中出現(xiàn)硬脆的σ相，析出相周圍局部貧鉻區(qū)萌生了腐蝕裂紋，進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。 

建議嚴(yán)格控制工作介質(zhì)中氯離子等腐蝕性物質(zhì)。選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，如將材料完全置于流?dòng)水中快速冷卻，避免其析出σ相。檢修人員在設(shè)備使用前應(yīng)對各部件進(jìn)行仔細(xì)排查，避免因制造缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中。

文章來源——材料與測試網(wǎng)