染色機失效模式分析

□ 孫偉松 □ 于思榮 □ 劉建文

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

1 染色機概述

染色機是織染行業中常見的一類壓力容器設備,如圖1所示。染色機通常采用不銹鋼制造,主要應用于織染行業,適用于由麻、棉、人造絲、混紡的無縫內衣、絲襪、絲綢等的染色。

▲圖1 染色機

由于要面對高壓、高溫、染液成分復雜等惡劣工況,染色機經常會出現安全聯鎖保護裝置失效、成型組件振動引發材料裂紋破壞、化學腐蝕引發材料裂紋破壞等失效模式。眾多學者及相關技術人員對此進行了大量研究,筆者就檢驗工作中發現的幾種染色機失效模式進行分析,并提出相應的防護措施。

2 安全聯鎖保護裝置失效

安全聯鎖保護裝置是一種能夠按照規定的生產工藝參數條件或程序來控制有關設備安全運行的自動操作設備。染色機的安全聯鎖保護裝置如圖2所示。染色機的快開門式安全聯鎖保護裝置應滿足以下要求:① 當快開門達到預定關閉位置時,才能升壓運行;② 當染色機壓力容器內的壓力完全釋放后,才能打開快開門。

▲圖2 染色機安全聯鎖保護裝置

安全聯鎖保護裝置在工業安全領域應用非常廣泛,聯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。

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

可以采取的防護措施如下:① 采用更高級別的電子封裝和嚴格的密封技術,防止腐蝕性介質對電子元件侵蝕;② 針對安全聯鎖保護裝置的機械部件,選用更可靠的結構和材料。

3 振動裂紋失效

染色機通常為成型組件,振動只能在組件內緩沖消化,與筒體連接的鞍座承受了較大應力,經常會在鞍座根部及與鞍座連接的筒體附近出現裂紋。

染液渦流的脈動引起染色機上下左右振動,經有限元應力分析,筒體與鞍座應力云圖如圖3所示。局部產生應力集中,導致染色機筒體與鞍座連接處產生裂紋。

▲圖3 筒體與鞍座應力云圖

可以采取的防護措施如下:① 穩固基座,減輕振動;② 在進行鞍座與筒體裝配時,增加緩沖墊板,消除應力集中。

4 疲勞裂紋失效

由于染色機長期在交變溫度和壓力下工作,因此在機械結構連接處和熱影響區很容易出現疲勞加晶間腐蝕裂紋。金屬材料在交變載荷與應變作用下,形成的疲勞裂紋如圖4所示。

▲圖4 疲勞裂紋

可以采取的防護措施如下:① 合理選材,對于振源的固定頻率進行合理回避,最大程度減少疲勞裂紋的產生;② 優化機械結構,消除應力集中現象及疲勞點的裂紋。

5 腐蝕裂紋失效

筆者在研究中發現一起特殊案例,由于染色機筒體保溫黏結劑使用錯誤而引發機械結構焊縫熱影響區開裂,化學腐蝕裂紋如圖5所示。

▲圖5 化學腐蝕裂紋

在對該染色機進行定期檢查過程中,筆者發現在機械結構焊縫熱影響區存在多處與焊縫垂直的裂紋,長度為2～30 mm不等。筆者對管壁外側殘留的用于粘貼保溫材料的黏結劑殘渣進行分析,同時也對幾種具有同樣功能用途的黏結劑進行分析。

黏結劑能譜圖如圖6所示。分析發現,該染色機使用的黏結劑中,氯離子含量比其它同類黏結劑高。通過對黏結劑成分分析,可知氯丁橡膠的成分比例約為15%。該染色機材質為304號不銹鋼,筆者推斷為氯離子超標引發化學腐蝕開裂。

▲圖6 黏結劑能譜圖

另一方面,在染色機壓力容器加工過程中,由于金屬材料焊縫熱影響區表面存在鈍化膜局部受損現象,在容器直接與染液接觸的金屬表面,也經常出現由鹵離子超標引發的腐蝕開裂現象。

可以采取的防護措施如下:① 嚴格控制染液或接觸物中的鹵離子含量,從源頭進行防護;② 對熱影響區金屬采取相應的保護措施,如加涂防護漆、二次鈍化等;③ 采用抗化學腐蝕的材料。

6 結束語

筆者介紹的幾例染色機失效模式,給織染行業的安全生產帶來極大影響,威脅工人的人身安全和企業的經濟效益。通過分析確認各種失效模式產生的原因,然后采取有針對性的防護措施,這樣可以確保設備的安全運行,保證安全生產。