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采用化学成分分析，金相组织与断口形貌观察等方法分析了除尘滤袋用文丘里管在某高温气体除尘设备中的失效原因。结果表明：文丘里管在制备过程中易出现耐蚀性较差的碳化物(M23C6)和形变马氏体组织，在应力及腐蚀介质环境的作用下容易成为裂纹的萌生点，导致脆性断裂。针对这一情况，对文丘里管进行固溶处理及工艺条件的改进，使得设备运行正常，排放达到要求。
文丘里除尘滤袋是由袋口的文丘里管连接底部滤袋组成的。由于喷吹管喷出的压缩空气流速很高，其能量主要以动压的形式存在，而动压只能作用于气流前进的方向，因而对位于垂直方向的滤袋壁面不起作用，只有当其转换成静压时，才能起到清灰作用。文丘里管的作用在于促进喷出的压缩空气与被诱导的二次气流尽快进行能量交换。
文丘里管的形状，属于除尘器配件之一，通常与除尘骨架配套使用。该文丘里管采用厚约１ｍｍ的不锈钢板一次冲压一体成型，无焊接点，这使得喉管口部分的过度角圆滑，有助于脉冲气体流畅地通过其表面，以喷射状进入滤袋。
本工作用文丘里管由316L不锈钢制成，配合金属纤维毡滤袋在某造纸污泥焚烧发电除尘项目中进行了应用，该工况温度波动较大(90～300℃)，一般的布袋容易产生“烧袋”，另外该工况的含尘气体中Ｃｌ－、Ｓ２－的含量较高，并且气体中水分含量较高。当除尘仓运行３个月后，检测发现排放浓度有升高趋势，立刻打开其中一个除尘仓室进行检查，发现较多的文丘里管的端口和喉管口部分出现了生锈、破裂现象，如图２所示，破裂后的铁片掉落在滤袋内部，在脉冲气体的冲刷下，导致滤袋出现破损，引起泄漏。本工作针对文丘里管在此次工况下的失效原因进行了分析并提出了改进措施。
1.理化检验
1.1化学成分化学成分是影响材料物理及化学性能的主要因素，元素含量不足或过量都会导致材料的力学性能和耐蚀性发生改变。由表１可见：失效文丘里管的化学成分均在参考值范围之内，满足材料使用要求，首先排除材料成分不合格原因。
1.2组织形貌由于文丘里管是经过不锈钢板大变形后一体成型的，因此原有的奥氏体组织可能会因为变形产生其他组织，从而影响材料的性能。由图３可见：变形量较小的端口部分组织晶粒内部有大量孪晶，晶界规则，主要为奥氏体；而经过冲压变形后，喉管部分材料组织晶粒由等轴晶粒拉伸至条带状组织，具有明显的方向性。文献报道，奥氏体经过大尺度变形后，会产生耐蚀性较差的马氏体组织。３中还可见：冲压板的组织中晶界处出现大量的黑点区域，如上图３的圈中所示，应属奥氏体中碳化物(Ｍ２３Ｃ６)被腐蚀后形成的点蚀坑。相比于原始奥氏体，变形晶粒中白色奥氏体基体上，出现了明显的α－马氏体聚集，针状马氏体多且密，为了进一步证实马氏体存在，对组织进行了Ｘ射线衍射(XRD)测试，见４。图中出现了原始奥氏体组织的３个特征衍射峰，对应晶面指数分别为(111)、(200)、(220)，但同时也伴随着另外三个衍射峰：(110)、(200)、(211)，属于马氏体组织３个特征衍射峰，通过两者峰值强度的比较可以明显看出马氏体组织占有较大比例。
1.3断口形貌由５可见：裂纹起源于表面，垂直扩展，裂纹晶内强度大于晶界，晶粒在受力变形过程中硬度较高的马氏体和晶界碳化物会成为裂纹萌生的主要位置；另一方面外界的Ｃｌ－、Ｓ２－会对马氏体组织产生较强的腐蚀，两方面原因会导致裂纹的扩展方式属于沿晶扩展，产生脆性断裂。
2.改进措施根据上述分析结果，本工况中文丘里管失效的原因是：一方面其在制备过程中产生了耐蚀性差的形变马氏体和碳化物，另外工况中水分含量高，温度变化较大，气体到达滤袋出口的温度低(90～100℃)，遇到文丘里管会出现结露现象；另一方面气体受喷吹压缩空冷空气降温后也会出现冷凝。综合结果导致在袋口位置出现了Ｃｌ－、Ｓ２－的液化和富集现象，形成的腐蚀性溶液附着于袋口表面，结合喷吹压力，最终出现了应力腐蚀脆性断裂。针对以上原因，首先通过固溶处理，将文丘里管呈树枝状，裂纹断口截面平整，表现为沿晶和解理混合断裂方式，属于典型的脆性断裂，在断口截面可以观察到一些腐蚀产物，经过能谱分析后发现含有大量的Ｃｌ－、Ｓ２－。
文丘里管发生脆断的原因如下：一方面马氏体在真空气氛下，1050℃保温３０ｍｉｎ以消除形变马氏体，使组织转变为单一的奥氏体，这有助于增加文丘里管的耐蚀性。由图７可见：经过固溶处理，形变马氏体和晶界碳化物均消失，晶粒形状为较规整的多边形，通过ＸＲＤ衍射对组织进行分析后，只出现奥氏体组织的３个特征衍射峰：(111)、(200)、(220)。在工况方面：通过提高喷吹气体温度，减少了水蒸气液化的产生，在滤芯方面，金属纤维毡采用双面复网，增加耐磨强度。通过以上改进措施，除尘设备长时间工作后仍运转正常，排放浓度达到预期要求。
3.结论
文丘里管在制备过程中不可避免会出现大尺寸的形变，文丘里管中的奥氏体组织经过剧烈变形后会产生形变马氏体组织，在具有腐蚀性气氛环下不锈钢管道进行检修时，建议采用ＰＴ(渗透测试)，ＵＴ(超声测试)等适合的检测方法。
除尘滤袋用PPS纤维毡滤料PM2.5及高温过滤特性研究
随着以能源消耗性为主的重工业迅速发展，我国已经成为世界上钢铁、水泥、煤炭、化纤的第一大生产国，电力、有色金属、化肥的第二大生产国。与这些高能耗、高污染行业生产密切相关的各种工业炉窑所排放出来的废气不仅温度高，而且含有大量的粉尘和有害气体，是近年来造成我国雾霾天气频繁出现的主要因素之一，而作为构成雾霾的污染物之一的PM2.5成为了人们关注的焦点。PM2.5是指空气动力学直径小于等于2.5μm的颗粒物，又称细颗粒物，这种颗粒不仅本身是污染物，同时也是重金属、多环芳烃等有毒有害物质及有害气体的载体，严重危害人们的呼吸系统和心血管系统。工业气体排放是PM2.5的主要来源之一，因各地区工业结构、地理环境状况不同而不同，中国的工业烟气粉尘污染集中在燃煤电厂、水泥窑炉、钢铁冶金等几个主要领域，同时具有实际工况复杂、过滤温度较高等特点。面对日益严重的环境污染问题，我国在2011年11月份提出了对于空气中PM2.5的监测及治理应对措施，并于2012年国家颁布了GB3095-2012《环境空气质量标准》，对经过过滤净化后排放烟气的指标进行进一步严格规定。除尘器是治理空气污染的最重要举措之一，其中滤袋除尘技术能有效减少固体颗粒排放，除尘效果较好，可从根本上解决PM2.5的排放问题。目前，关于环保用除尘滤袋的过滤性能测试标准主要有GB/T6719-2009《袋式除尘器技术要求》、ISO11057：2011《空气质量空气过滤器中滤料过滤性能的测试方法》、VDI3926-1：2004《评价可清洁滤料测试方法》，但是上述标准中并未对过滤材料的PM2.5过滤性能测试作出规定，同时试验温度都是常温。因此本实验参考上述方法标准，选用工业上较为常见的耐高温聚苯硫醚纤维毡滤料，通过对试验用粉尘的粒径进行分析，并对通过滤料的PM2.5粉尘及其他粉尘进行分离，评价聚苯硫醚纤维毡滤料对PM2.5粉尘的过滤性能。此外模拟滤料应用时的实际工况，提高试验测试温度，考察试验温度变化对滤料过滤特性的影响规律。
1.实验部分
1.1试验样品聚苯硫醚(PPS)纤维纺粘水刺复合非织造过滤材料，由广东斯乐普环保技术股份有限公司提供，测试前样品在标准大气中调湿24h。
1.2基本性能表征
1.2.1单位面积质量测定
根据GB/T24218.1-2009《纺织品非织造布试验方法第1部分：单位面积质量的测定》的规定，裁剪200mm×250mm的试样3块，分别在分度值为0.01g的天平上称重后计算。
1.2.2厚度测定
根据GB/T21418.2-2009《纺织品非织造布试验方法第2部分：厚度的测定》的规定，采用温州方圆仪器有限公司生产的YG141D-Ⅱ织物厚度仪，在压脚2500mm2、压力0.5kPa的条件下分别测量10块试样的厚度。
1.2.3透气性测定
根据GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测定》的规定，采用瑞士TEXTESTAGZurich公司生产的FX3300透气性测试仪Ⅲ，试验面积为20cm2，分别测定压降为100Pa、200Pa、300Pa、500Pa、700Pa、1000Pa时样品的透气率。
1.2.4孔径特征测试采用美国PorousMaterials，Inc.生产的CFP-1100A型PMI毛管流动孔隙仪，夹具有效直径20mm，润湿油剂为Silwick(表面张力20.1mN/m)。
1.3粉尘粒径分析
根据ISO13320-2009《粒度分析-激光衍射法》的规定，采用德国SympatecGmbH生产的HELOS/BR-OM/RODOS型激光粒度分析仪，分散压力为4.00bar。
1.4过滤性能表征
根据ISO11057:2011《空气质量过滤器中滤料过滤性能的测试方法》，采用德国FilTEqGmbH生产的FEMA1-AT-SR型粉尘过滤测试系统对滤料的动态滤尘性能进行测试，穿透过滤料样品的粉尘，在PM2.5旋风分离器作用下，PM2.5粉尘及其他粉尘被分离并分别收集，并分别在20℃、120℃、160℃下进行过滤性能测试。
1.5扫描电镜(SEM)观察
采用日本HITACHI生产的S-3000N型扫描电子显微镜，样品测试前进行喷金处理，电压为20kV、工作距离为22mm。
2结果与讨论
2.1滤料基本性能分析
实验结果显示：该滤料样品单位面积质量为561g/m2、厚度为2.31mm；透气率则随着压降的上升而线性增长，如图1所示。这说明样品的结构稳定，随着压降的增加、内部纤网立体结构没有发生大的变化，纤维间相互位置关系较为稳定。滤料的最大孔径为34.4μm，平均孔径为9.1μm，孔径呈典型的正态分布，如图所示。
2.2颗粒物粒径分析
根据ISO11057:2011，试验用粉尘为氧化铝粉尘，即商品名为PuralNF的勃姆石，其质量中粒径约为4.5μm，粒径分析结果显示，试验用粉尘粒径呈双峰分布，两个峰值分别在2.0μm和10.0μm左右，同时颗粒物中PM2.5的质量百分数约为40%。
2.3过滤性能分析
根据ISO11057:2011标准，整个动态滤尘性能测试包含4个阶段。从测试过程可观察到，第一阶段的30个清灰周期，滤料的残余压力随着周期性增加而缓慢上升，而在第四阶段的30个周期，试样的残余压力随着周期的增加快速上升。从扫描电镜分析可见，测试过程中，部分粉尘附着在纤维表面，并填充滤料中的孔隙，从而导致滤料残余压力的迅速增加。
考察试验温度对纤维滤料阻力的影响，结果如表2所示。从表2可见随着测试温度的上升，洁净滤料的初阻力变化不大，此外纤维滤料的残余阻力随着试验温度的升高，数值接近。这说明在高温状态下，该滤料样品纤网仍保持较为稳定的立体结构。
纤维滤料的清灰周期则随着试验温度的升高有明显的变化，如图5所示，以第一阶段为例，在常温(20℃)下，第1个清灰周期耗时977s，在120℃时迅速下降到755s、160℃时下降到734s；第30个清灰周期耗时也呈现类似的变化趋势。同样的，30个清灰周期的总时间，从试验温度为20℃时的19331s，下降到120℃时的14896s，160℃时仅为14763s，分别详见图6(a)、6(b)、6(c)。
根据ISO11057:2011及试验用粉尘粒径分析结果，滤料上游粉尘质量浓度为5g/cm3及粉尘中PM2.5的质量分数为40%，获得滤料样品的除尘效率和PM2.5过滤效率：20℃、120℃、160℃试验温度下样品除尘效率分别为99.9636%、99.9536%、99.9658%，差异不大，这说明该PPS纤维滤料耐高温性能较好，在较高试验温度下仍保持与常温接近的滤尘性能。而常温时样品PM2.5过滤效率为99.9115%，略小于除尘效率，这说明试验过程中穿透滤料的粉尘中细颗粒物占比较原试验用粉尘大，符合预期。
3.结论
本研究采用的PPS纤维毡滤料单位面积质量为561g/m2、厚度为2.31mm，透气率则随着压降的上升而线性增长，滤料的最大孔径为34.4μm，平均孔径为9.1μm，孔径呈典型的正态分布。(1)试验温度对纤维滤料样品动态滤尘性能测试过程影响较大，相同条件下，清灰周期随着试验温度的升高迅速下降，同一阶段的测试时间也表现出类似的变化趋势，而除尘效率随着试验温度的升高没有太大变化。(2)通过对试验用粉尘进行粒径分析，粉尘中PM2.5占比约为40%，对动态滤尘性能测试过程中滤料样品下游的粉尘进行PM2.5分离，结合上游的粉尘质量浓度，测得样品PM2.5过滤效率略低于除尘效率，用此方法评价纤维滤料的PM2.5过滤特性可行。
