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期刊导读
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盐化工风机叶轮早期腐蚀失效的分析与预防
0 引 言
某盐化工企业通过采集井矿卤水(为NaCl、CaCl2和NH4Cl的饱和水溶液),经蒸馏、离子交换等工艺而实现制盐、制碱。在生产中热压缩风机将蒸馏浓缩卤水产生的蒸汽压缩升温再送至前道工序,对原料卤水进行预热以实现热量的循环使用。经三级压缩后,卤水产生的蒸汽温度由103 ℃逐步提高到118 ℃。由于机械携带和溶解携带的作用,该蒸汽中含有50 mg·kg-1左右的Cl-,因此,风机叶轮一般使用具有优良耐蚀性能的EN1.4501双相不锈钢制造。
EN1.4501双相不锈钢是一种超级双相不锈钢(SDSS),在氯离子环境中具有极强的耐点蚀及耐应力腐蚀开裂(SCC)能力[1-2],耐点蚀当量(PREN)大于40。SDSS由铁素体和奥氏体相组成,当两相体积比接近1时,其耐腐蚀性能达到最优[3-4],因此,SDSS成为近年来不锈钢领域研究的热点[5]。
该盐化工企业使用的EN1.4501双相不锈钢叶轮原设计使用寿命为5 a,在服役时由于出现裂纹而导致早期失效,实际使用寿命只有1 a。有研究表明,焊接热循环易破坏超级双相不锈钢原有平衡组织,并使合金元素在两相中的分配发生变化,还可能析出有害二次相,导致耐蚀性的下降[6-8]。因此,初步推测叶轮早期腐蚀失效与焊接有关。为了找到其早期开裂失效的原因,作者研究了因焊接热循环引起的叶轮显微组织的演变过程,分析了叶轮腐蚀开裂的原因及影响因素,并提出了相应的防护措施。
1 理化检验及结果
1.1 宏观形貌
叶轮本体主要由两块距离200 mm,中间夹有风叶的厚12 mm、直径1 800 mm的不锈钢钢板经手工电弧焊焊接而成。在其中的一块钢板上焊接有12个条形扰流板,其中8个在叶轮本体边缘均匀分布,另外4个在叶轮本体心部均匀分布,如图1(a)所示。叶轮本体与扰流板所用材料均为EN1.4501超级双相不锈钢,叶轮未作焊后热处理。叶轮工作时转速为2 980 r·min-1。所有失效叶轮在其近心部的扰流板附近均可观察到明显的裂纹,大多数裂纹起源于焊缝且靠近熔合线附近的叶轮本体一侧,长短不一,如图1(b)中圆圈所示。在叶轮上切割出含扰流板在内的大试样,尺寸为130 mm×130 mm,如图1(c)所示;用线切割方法从大试样中截取出含扰流板的两个小试样,见图1(d)。
图1 失效叶轮及截取试样的宏观形貌Fig.1 Macromorphology of failure impeller and samples: (a) failure impelller; (b) crack positions; (c, d) big and small samples
1.2 化学成分
在远离焊缝的失效叶轮本体上钻屑取样,根据GB/T -2008,用PANalytical Axios型X荧光光谱仪分析其化学成分。由表1可以看出,各元素的含量均符合标准规定的EN1.4501不锈钢的指标要求。
表1 失效叶轮本体的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of failure impeller body (mass) %条件CSiMnPSCrNiMoCuWNFe标准≤0.03≤0.1≤0.1≤0.035≤0.01524.0~26.06.0~8.03.0~4.00.5~1.00.5~1.00.2-0.3余实测0.0190.340.690.0220.00625.206.913.660.600.620.23余
1.3 显微组织
在远离焊接热影响区的失效叶轮本体上截取10 mm×10 mm的金相试样,位置如图1(c)方框所示,连同图1(d)所示小试样一起研磨抛光后,用10%(体积分数)草酸溶液在2.0 V电位下电解刻蚀20 s,经丙酮清洗后,用Zeiss Axio Observer. Z1m型光学显微镜(OM)和FEI INSPECT-F型扫描电镜(SEM)观察显微组织。由图2可见,失效叶轮本体为奥氏体与铁素体双相组织,两相的体积比基本为1∶1。可见叶轮母材的固溶处理工艺较合理,因此该叶轮在含有氯化物的酸性环境下可以长期服役[9]。
由图3可见:叶轮本体和扰流板本体均为细小的铁素体和奥氏体双相组织;扰流板本体与叶轮本体之间并未完全焊死,二者之间留有缝隙;焊缝由粗大铁素体柱状晶构成;焊缝区以及焊缝与扰流板本体交界区域未观察到裂纹,在焊缝与叶轮本体交界区域存在微裂纹,该裂纹萌生于表面,位于热影响区内、靠近熔合线的叶轮本体一侧。
1.4 裂纹的微观形貌
用FEI INSPECT-F型扫描电镜观察图3(c)中裂纹形貌,用附带的X-max型X射线能谱仪(EDS)分析微区成分。由图4可见:裂纹在扩展过程中,频繁分叉、桥接,呈典型的树枝状,据此可以推断该裂纹为应力腐蚀开裂的结果;在裂纹扩展路径上叶轮
图2 失效叶轮本体的显微组织Fig.2 Microstructure of failure impeller body: (a) OM morphology and (b) SEM morphology
图3 图1(d)中扰流板附近的微观形貌Fig.3 Micromorphology near spoiler shown in Fig.1(d): (a) boundary area; (b) weld and (c) area near fusion line
文章来源:《现代盐化工》 网址: http://www.xdyhg.cn/qikandaodu/2020/0808/447.html
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