分享：淀粉离心机转鼓开裂原因

某制药厂对设备进行日常维护保养的过程中，在离心机表面发现裂纹。据委托方介绍，该离心机设备用于淀粉加工，内部工况存在热蒸汽，使用年限约为3 a，转鼓材料为304不锈钢。进一步检查后发现裂纹位于离心机转鼓鼓底位置。 

离心机作为固液分离设备，大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等领域。离心机的主要部件有：底座、外壳、转鼓、电动机等，其中转鼓是离心机的关键部件之一。304不锈钢是300系列奥氏体不锈钢中的典型钢种，因其具有良好的耐腐蚀性能及机械加工性能，在食品、制药、化工、石油等工业领域应用广泛。相较于碳钢，不锈钢表面被完整的氧化膜所覆盖，覆盖度和致密性是决定不锈钢耐腐蚀性能的关键[1]。笔者采用一系列理化检验方法分析该离心机转鼓开裂的原因，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

转鼓裂纹处宏观形貌如图1所示。由图1可知：鼓底外表面裂纹大体沿着圆周方向扩展，鼓底内表面沟槽附近可见两处裂纹，裂纹表面黄色锈迹较明显。 

图  1  转鼓裂纹处宏观形貌

在开裂转鼓处取样，试样的裂纹由内表面开始向纵深方向扩展，形成穿透性裂纹，取样完成后内表面的裂纹继续扩展，基本完全沿鼓底锥面和平面交界处的沟槽扩展，界面呈一定角度，未圆滑过渡（见图2）。 

图  2  转鼓取样过程中裂纹处宏观形貌

用机械方法打开裂纹，观察断口的宏观形貌，结果如图3所示。由图3可知：断口表面无明显塑性变形。 

图  3  断口处宏观形貌

1.2   化学成分分析

在开裂的转鼓鼓底位置取样，依据GB/T 11170—2008 《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，采用直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：转鼓试样的化学成分符合GB/T 20878—2007 《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》及GB/T 222—2006 《钢的成品化学成分允许偏差》的标准要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

用丙酮清洗转鼓断口，利用扫描电子显微镜观察转鼓断口，结果如图4所示。由图4可知：裂纹源处断口呈河流花样，断口表面被泥状腐蚀产物覆盖；在循环应力的作用下，裂纹扩展区断口表面有明显的间距条痕。 

图  4  断口处SEM形貌

对断口表面腐蚀产物覆盖处进行能谱分析，结果如表2所示。由表2可知：腐蚀产物中C、O元素含量较高，断口表面检测到具有腐蚀性的S、Cl元素，其质量分数分别为1.19%和2.46%。 

1.4   金相检验

在开裂转鼓上截取试样，将试样进行镶嵌、研磨和抛光处理，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》，利用光学显微镜观察试样，结果如图5所示。由图5可知：试样断口附近存在树枝状裂纹；将试样用10%（体积分数）草酸溶液电解腐蚀，可见试样的显微组织为奥氏体+铁素体，有析出相沿晶界分布；将抛光后的试样在高锰酸钾水溶液中煮沸腐蚀，析出相呈彩虹色，确定析出相为σ相。 

图  5  开裂转鼓的微观形貌

2.   综合分析

离心机转鼓鼓底锥面和平面交界处存在沟槽，界面呈一定角度，未圆滑过渡，鼓底裂纹由内表面开始向纵深方向扩展，形成穿透性裂纹，取样完成后内表面的裂纹继续沿沟槽扩展，断口表面无明显塑性变形。该离心机转鼓的显微组织为奥氏体+铁素体，其中奥氏体晶粒较为粗大，σ相沿晶界析出。当奥氏体不锈钢中存在适量铁素体时，奥氏体不锈钢对应力腐蚀的敏感性降低[2]，但会增大σ相的析出倾向。σ相是一种铬、钼元素含量较高的硬脆金属间化合物，在晶界析出时会显著降低不锈钢的冲击韧性[3]，同时造成周围局部形成贫铬区，加速腐蚀裂纹沿晶界的扩展，导致材料在氯离子介质中的腐蚀倾向加重[4]。另一方面，σ相的存在容易破坏金属基体的均匀连续性，造成局部应力集中，促进微裂纹的产生，并在一定条件下加速裂纹的扩展，从而造成材料的早期破坏。奥氏体不锈钢材料在固溶处理过程中，钢中的析出物对不锈钢的组织性能影响较大。离心机转鼓断口处可见微裂纹，裂纹呈树枝状沿晶界扩展；裂纹源处断口呈河流花样，断口表面被泥状腐蚀产物覆盖，腐蚀产物中C、O元素含量较高，且存在具有腐蚀性的S及Cl元素，其中Cl元素的质量分数达到2.46%，说明该离心机转鼓的工作介质中存在氯离子。 

应力腐蚀开裂（SCC）宏观上是一种脆性断裂，拉伸应力（如工作载荷、冷加工或热加工的残余应力、装配应力、腐蚀产物的楔力等）、特定的材料和环境组合是SCC发生的必要条件。当发生SCC时，不锈钢表面钝化膜的完整性被破坏，材料先形成微裂纹，再扩展为宏观裂纹，微裂纹一旦形成即可快速扩展，直至材料破裂，因此SCC被认为是所有腐蚀类型中破坏性和危害性最大的一种失效形式[5]，应力腐蚀开裂也是奥氏体不锈钢最主要的失效方式[6]。拉应力和腐蚀介质是导致材料发生应力腐蚀开裂的两大因素，对于300系列奥氏体不锈钢，介质中的氯离子是引起SCC的最常见物质[7]。 

综合以上分析结果，确认该离心机转鼓的开裂性质为应力腐蚀开裂。离心机转鼓鼓底在高速转动的工况下承受较大拉应力和切应力，在介质中氯离子的作用下，转鼓发生了应力腐蚀开裂，σ相和工作介质中腐蚀性元素硫进一步促进了裂纹扩展。 

3.   结论与建议

离心机作为固液分离设备在正常工况下承受较大拉应力，转鼓内表面在加工过程中未圆滑过渡，导致沟槽部位产生应力集中，在含有腐蚀性氯离子的热蒸汽工作环境下，不锈钢转鼓发生了应力腐蚀开裂。固溶处理不当使转鼓材料组织中出现硬脆的σ相，析出相周围局部贫铬区萌生了腐蚀裂纹，进一步促进了裂纹的扩展。 

建议严格控制工作介质中氯离子等腐蚀性物质。选择适当的热处理工艺，如将材料完全置于流动水中快速冷却，避免其析出σ相。检修人员在设备使用前应对各部件进行仔细排查，避免因制造缺陷产生应力集中。

文章来源——材料与测试网