染色機(jī)失效模式分析

□ 孫偉松 □ 于思榮 □ 劉建文

1.中國石油大學(xué)(華東) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 山東青島 266580 2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院淄博分院 山東淄博 255000

1 染色機(jī)概述

染色機(jī)是織染行業(yè)中常見的一類壓力容器設(shè)備,如圖1所示。染色機(jī)通常采用不銹鋼制造,主要應(yīng)用于織染行業(yè),適用于由麻、棉、人造絲、混紡的無縫內(nèi)衣、絲襪、絲綢等的染色。

▲圖1 染色機(jī)

由于要面對高壓、高溫、染液成分復(fù)雜等惡劣工況,染色機(jī)經(jīng)常會出現(xiàn)安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置失效、成型組件振動引發(fā)材料裂紋破壞、化學(xué)腐蝕引發(fā)材料裂紋破壞等失效模式。眾多學(xué)者及相關(guān)技術(shù)人員對此進(jìn)行了大量研究,筆者就檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)的幾種染色機(jī)失效模式進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

2 安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置失效

安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置是一種能夠按照規(guī)定的生產(chǎn)工藝參數(shù)條件或程序來控制有關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行的自動操作設(shè)備。染色機(jī)的安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置如圖2所示。染色機(jī)的快開門式安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置應(yīng)滿足以下要求:① 當(dāng)快開門達(dá)到預(yù)定關(guān)閉位置時(shí),才能升壓運(yùn)行;② 當(dāng)染色機(jī)壓力容器內(nèi)的壓力完全釋放后,才能打開快開門。

▲圖2 染色機(jī)安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置

安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置在工業(yè)安全領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛,聯(lián)鎖起的作用是防止快開門意外打開,避免高溫蒸汽或染液噴出造成意外傷害。

安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置通常出現(xiàn)的故障有電子元件失效和機(jī)械部件失效兩種模式。染色機(jī)染液中的鈉鹽離子、阻燃劑成分、氯離子等對電子元件腐蝕比較嚴(yán)重,溫度變化也會加速電子元件的老化。另外,化學(xué)腐蝕引起的機(jī)械部件斷裂或強(qiáng)度降低,也是引起失效的主要原因。

可以采取的防護(hù)措施如下:① 采用更高級別的電子封裝和嚴(yán)格的密封技術(shù),防止腐蝕性介質(zhì)對電子元件侵蝕;② 針對安全聯(lián)鎖保護(hù)裝置的機(jī)械部件,選用更可靠的結(jié)構(gòu)和材料。

3 振動裂紋失效

染色機(jī)通常為成型組件,振動只能在組件內(nèi)緩沖消化,與筒體連接的鞍座承受了較大應(yīng)力,經(jīng)常會在鞍座根部及與鞍座連接的筒體附近出現(xiàn)裂紋。

染液渦流的脈動引起染色機(jī)上下左右振動,經(jīng)有限元應(yīng)力分析,筒體與鞍座應(yīng)力云圖如圖3所示。局部產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致染色機(jī)筒體與鞍座連接處產(chǎn)生裂紋。

▲圖3 筒體與鞍座應(yīng)力云圖

可以采取的防護(hù)措施如下:① 穩(wěn)固基座,減輕振動;② 在進(jìn)行鞍座與筒體裝配時(shí),增加緩沖墊板,消除應(yīng)力集中。

4 疲勞裂紋失效

由于染色機(jī)長期在交變溫度和壓力下工作,因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)連接處和熱影響區(qū)很容易出現(xiàn)疲勞加晶間腐蝕裂紋。金屬材料在交變載荷與應(yīng)變作用下,形成的疲勞裂紋如圖4所示。

▲圖4 疲勞裂紋

可以采取的防護(hù)措施如下:① 合理選材,對于振源的固定頻率進(jìn)行合理回避,最大程度減少疲勞裂紋的產(chǎn)生;② 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu),消除應(yīng)力集中現(xiàn)象及疲勞點(diǎn)的裂紋。

5 腐蝕裂紋失效

筆者在研究中發(fā)現(xiàn)一起特殊案例,由于染色機(jī)筒體保溫黏結(jié)劑使用錯(cuò)誤而引發(fā)機(jī)械結(jié)構(gòu)焊縫熱影響區(qū)開裂,化學(xué)腐蝕裂紋如圖5所示。

▲圖5 化學(xué)腐蝕裂紋

在對該染色機(jī)進(jìn)行定期檢查過程中,筆者發(fā)現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)焊縫熱影響區(qū)存在多處與焊縫垂直的裂紋,長度為2～30 mm不等。筆者對管壁外側(cè)殘留的用于粘貼保溫材料的黏結(jié)劑殘?jiān)M(jìn)行分析,同時(shí)也對幾種具有同樣功能用途的黏結(jié)劑進(jìn)行分析。

黏結(jié)劑能譜圖如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn),該染色機(jī)使用的黏結(jié)劑中,氯離子含量比其它同類黏結(jié)劑高。通過對黏結(jié)劑成分分析,可知氯丁橡膠的成分比例約為15%。該染色機(jī)材質(zhì)為304號不銹鋼,筆者推斷為氯離子超標(biāo)引發(fā)化學(xué)腐蝕開裂。

▲圖6 黏結(jié)劑能譜圖

另一方面,在染色機(jī)壓力容器加工過程中,由于金屬材料焊縫熱影響區(qū)表面存在鈍化膜局部受損現(xiàn)象,在容器直接與染液接觸的金屬表面,也經(jīng)常出現(xiàn)由鹵離子超標(biāo)引發(fā)的腐蝕開裂現(xiàn)象。

可以采取的防護(hù)措施如下:① 嚴(yán)格控制染液或接觸物中的鹵離子含量,從源頭進(jìn)行防護(hù);② 對熱影響區(qū)金屬采取相應(yīng)的保護(hù)措施,如加涂防護(hù)漆、二次鈍化等;③ 采用抗化學(xué)腐蝕的材料。

6 結(jié)束語

筆者介紹的幾例染色機(jī)失效模式,給織染行業(yè)的安全生產(chǎn)帶來極大影響,威脅工人的人身安全和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。通過分析確認(rèn)各種失效模式產(chǎn)生的原因,然后采取有針對性的防護(hù)措施,這樣可以確保設(shè)備的安全運(yùn)行,保證安全生產(chǎn)。