染色机失效模式分析

□ 孙伟松 □ 于思荣 □ 刘建文

1.中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院 山东青岛 266580 2.山东省特种设备检验研究院淄博分院 山东淄博 255000

1 染色机概述

染色机是织染行业中常见的一类压力容器设备,如图1所示。染色机通常采用不锈钢制造,主要应用于织染行业,适用于由麻、棉、人造丝、混纺的无缝内衣、丝袜、丝绸等的染色。

▲图1 染色机

由于要面对高压、高温、染液成分复杂等恶劣工况,染色机经常会出现安全联锁保护装置失效、成型组件振动引发材料裂纹破坏、化学腐蚀引发材料裂纹破坏等失效模式。众多学者及相关技术人员对此进行了大量研究,笔者就检验工作中发现的几种染色机失效模式进行分析,并提出相应的防护措施。

2 安全联锁保护装置失效

安全联锁保护装置是一种能够按照规定的生产工艺参数条件或程序来控制有关设备安全运行的自动操作设备。染色机的安全联锁保护装置如图2所示。染色机的快开门式安全联锁保护装置应满足以下要求:① 当快开门达到预定关闭位置时,才能升压运行;② 当染色机压力容器内的压力完全释放后,才能打开快开门。

▲图2 染色机安全联锁保护装置

安全联锁保护装置在工业安全领域应用非常广泛,联锁起的作用是防止快开门意外打开,避免高温蒸汽或染液喷出造成意外伤害。

安全联锁保护装置通常出现的故障有电子元件失效和机械部件失效两种模式。染色机染液中的钠盐离子、阻燃剂成分、氯离子等对电子元件腐蚀比较严重,温度变化也会加速电子元件的老化。另外,化学腐蚀引起的机械部件断裂或强度降低,也是引起失效的主要原因。

可以采取的防护措施如下:① 采用更高级别的电子封装和严格的密封技术,防止腐蚀性介质对电子元件侵蚀;② 针对安全联锁保护装置的机械部件,选用更可靠的结构和材料。

3 振动裂纹失效

染色机通常为成型组件,振动只能在组件内缓冲消化,与筒体连接的鞍座承受了较大应力,经常会在鞍座根部及与鞍座连接的筒体附近出现裂纹。

染液涡流的脉动引起染色机上下左右振动,经有限元应力分析,筒体与鞍座应力云图如图3所示。局部产生应力集中,导致染色机筒体与鞍座连接处产生裂纹。

▲图3 筒体与鞍座应力云图

可以采取的防护措施如下:① 稳固基座,减轻振动;② 在进行鞍座与筒体装配时,增加缓冲垫板,消除应力集中。

4 疲劳裂纹失效

由于染色机长期在交变温度和压力下工作,因此在机械结构连接处和热影响区很容易出现疲劳加晶间腐蚀裂纹。金属材料在交变载荷与应变作用下,形成的疲劳裂纹如图4所示。

▲图4 疲劳裂纹

可以采取的防护措施如下:① 合理选材,对于振源的固定频率进行合理回避,最大程度减少疲劳裂纹的产生;② 优化机械结构,消除应力集中现象及疲劳点的裂纹。

5 腐蚀裂纹失效

笔者在研究中发现一起特殊案例,由于染色机筒体保温黏结剂使用错误而引发机械结构焊缝热影响区开裂,化学腐蚀裂纹如图5所示。

▲图5 化学腐蚀裂纹

在对该染色机进行定期检查过程中,笔者发现在机械结构焊缝热影响区存在多处与焊缝垂直的裂纹,长度为2～30 mm不等。笔者对管壁外侧残留的用于粘贴保温材料的黏结剂残渣进行分析,同时也对几种具有同样功能用途的黏结剂进行分析。

黏结剂能谱图如图6所示。分析发现,该染色机使用的黏结剂中,氯离子含量比其它同类黏结剂高。通过对黏结剂成分分析,可知氯丁橡胶的成分比例约为15%。该染色机材质为304号不锈钢,笔者推断为氯离子超标引发化学腐蚀开裂。

▲图6 黏结剂能谱图

另一方面,在染色机压力容器加工过程中,由于金属材料焊缝热影响区表面存在钝化膜局部受损现象,在容器直接与染液接触的金属表面,也经常出现由卤离子超标引发的腐蚀开裂现象。

可以采取的防护措施如下:① 严格控制染液或接触物中的卤离子含量,从源头进行防护;② 对热影响区金属采取相应的保护措施,如加涂防护漆、二次钝化等;③ 采用抗化学腐蚀的材料。

6 结束语

笔者介绍的几例染色机失效模式,给织染行业的安全生产带来极大影响,威胁工人的人身安全和企业的经济效益。通过分析确认各种失效模式产生的原因,然后采取有针对性的防护措施,这样可以确保设备的安全运行,保证安全生产。