1、 第四节第四节 压力容器失效分析的目的、意义和要求压力容器失效分析的目的、意义和要求化学爆炸化学爆炸 大变形大变形 45度剪切唇度剪切唇 高速形变马氏体高速形变马氏体壁厚较薄以及支撑不合理导致失稳壁厚较薄以及支撑不合理导致失稳 壳程筒体与管板间焊缝附近裂纹壳程筒体与管板间焊缝附近裂纹壳程筒体与管板间焊缝横截面壳程筒体与管板间焊缝横截面结构不合理和介质冲击导结构不合理和介质冲击导致疲劳，管板锻件晶粒度致疲劳，管板锻件晶粒度超过超过1级使疲劳加剧级使疲劳加剧管内跑酸导致氢腐管内跑酸导致氢腐蚀，其表现为脱碳蚀，其表现为脱碳和开裂和开裂设计的安全系数偏小和榫齿与转子间的配合偏差导设计的安全系数偏小和榫
2、齿与转子间的配合偏差导致疲劳致疲劳断裂后的叶片断裂后的叶片断裂后的叶根断裂后的叶根外表面外表面内表面内表面端面端面露点工况下的氯离子应力腐蚀露点工况下的氯离子应力腐蚀高倍下显示为穿晶裂纹高倍下显示为穿晶裂纹 低倍下显示为树枝状裂纹低倍下显示为树枝状裂纹 1、失效分析可以减少和预防机械产品同类失效现象重复发生，从而减少经济损失和提高机械产品质量。2、失效是产品质量控制网发生偏差的反映，失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作，是机械产品全面质量管理中重要组成部分和关键技术环节。3、失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案件、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准方面提供可靠科学技术依据4、失效分析可
3、为技术开发、技术改造、技术进步提供信息、方向、途径和方法 5、失效分析可为各 级领导进行宏观经济 和技术决策提供重要 的科学的信息来源。失效分析是从现在入手着眼于未来的科学，是从失败入手着眼于成功的科学。失败失败成功成功人类的进化和发展人类的进化和发展 知识的探索和创新知识的探索和创新 失效是成功之母失效是成功之母失效分析是一个十分复杂的过程，特别是一个大系统的失效，一般工作条件复杂、可疑点较多、难度也大，对失效人员的要求是知识面要广，并具有一定深度，以及丰富的实践经验。是一门综合性的技术学科，涉及材料学、力学、摩擦学、腐蚀学和机械制造工艺。1、实事求是，用事实说话，勇于坚持真理；2、敏锐的观
4、察力和熟练的分析技术，善于捕捉失效信息和证据；3、正确的失效分析思路和良好的失效模式、失效原因判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”；4、善于学习，他人、书本、实践等；5、扎实的专业基础知识和较广的知识面。断口分析的任务断口分析的任务1.确定断裂的宏观性质：延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂2.确定断口的宏观形貌：纤维状断口、结晶断口、放射花样、剪切唇3.查找裂纹源区的位置和数量4.确定断口的形成过程：裂纹从何处发展、向何处扩展、扩展的速度5.确定断裂的微观机制：解理、准解理、微孔型，沿晶、穿晶6.确定断口表面产物的性质第五节第五节 压力容器常见失效形式及原因压力容器常见失效形式及原因 断口的宏观
5、分析是用肉眼或借助于放大镜对断口进行观察。金属的拉伸断口,一般由纤维区、放射区和剪切唇组成,称为断口的三要素。(1)(1)纤维区纤维区是断裂的发源地是断裂的发源地 (2)(2)放射区放射区紧接着纤维区。它是在裂纹达到临界尺紧接着纤维区。它是在裂纹达到临界尺寸后高速撕裂的区域。纤维区与放射区的交界标志寸后高速撕裂的区域。纤维区与放射区的交界标志着裂纹由缓慢扩展向快速扩展的转化。着裂纹由缓慢扩展向快速扩展的转化。(3)(3)剪切唇剪切唇是最后断裂的区域。是最后断裂的区域。根据断口这三种区域在整个断口所占有的断面根据断口这三种区域在整个断口所占有的断面积积,可以大体上确定其断裂失效属性可以大体上确定
6、其断裂失效属性。一、断口的宏观分析一、断口的宏观分析二、断口的微观分析二、断口的微观分析钢铁材料在外力作用下因强钢铁材料在外力作用下因强烈滑移位错堆积，在变形大烈滑移位错堆积，在变形大的区域产生很多显微空洞。的区域产生很多显微空洞。或因夹杂物破碎，夹杂物和或因夹杂物破碎，夹杂物和基体金属界面的破碎而形成基体金属界面的破碎而形成许多许多微小孔洞微小孔洞。孔洞在外力。孔洞在外力作用下不断长大，聚集形成作用下不断长大，聚集形成裂纹裂纹直至最终分离，这种断直至最终分离，这种断裂方式称为裂方式称为微孔聚集型微孔聚集型断裂断裂（过载断裂）其断口为（过载断裂）其断口为韧窝韧窝断口断口无夹杂物的等轴韧窝无夹杂
7、物的等轴韧窝ZG25钢钢 每个韧窝中有每个韧窝中有球形硫化锰夹杂物球形硫化锰夹杂物 断口的微观分析断口的微观分析剪切韧窝剪切韧窝撕裂韧窝撕裂韧窝断口的微观分析断口的微观分析断口的微观分析断口的微观分析解理断裂：晶体材料因受拉应力作用沿着某些严格的结晶学平面分离的过程，其断口为解理断口。解理断裂前几乎没有塑性变形，宏观特征是结晶状小刻面，“放射状”或“人字形”花样解理断裂的微观形貌特征：河流花样、解理台阶、舌状花样、扇形花样、羽毛花样等。解理断口的微观分析解理断口的微观分析解理断口的微观分析解理断口的微观分析断口的微观分析断口的微观分析准解理断裂：塑性变形量大于解理断裂又小于延性断裂，在片状马氏
8、体、回火马氏体及贝氏体组织的钢中常可看到。是一种脆性穿晶断口。断口的微观分析断口的微观分析沿晶断裂：沿晶断裂：沿晶正向断裂延性断裂应力腐蚀开裂疲劳断裂 韧性破裂韧性破裂是压力容器在内部压力作用下，是压力容器在内部压力作用下，器壁上产生的器壁上产生的应力应力达到器壁材料的达到器壁材料的强度极强度极限限，从而发生断裂破坏的一种形式。，从而发生断裂破坏的一种形式。1.韧性破裂的机理韧性破裂的机理 弹性变形阶段弹性变形阶段弹塑性变形阶弹塑性变形阶段段断裂阶段断裂阶段韧性断裂：断裂前有明显塑性变形韧性断裂：断裂前有明显塑性变形化学爆炸化学爆炸 大变形大变形 45度剪切唇度剪切唇 高速形变马氏体高速形变马
9、氏体容器的韧性撕裂容器的韧性撕裂 2.韧性破裂的特征韧性破裂的特征 破裂容器器壁有明显的伸长变破裂容器器壁有明显的伸长变形形断口呈暗灰色纤维状断口呈暗灰色纤维状容器一般不是碎容器一般不是碎裂裂容器实际爆破压力接近计算爆破压力容器实际爆破压力接近计算爆破压力3.韧性破裂的原因韧性破裂的原因 盛装液化气体介质的容器充装过量：盛装液化气体介质的容器充装过量：对于盛装液对于盛装液化气体的容器，应该按规定的充装系数充装，即化气体的容器，应该按规定的充装系数充装，即留有一定的气相空间，因为随着温度的增加，饱留有一定的气相空间，因为随着温度的增加，饱和蒸汽压显著增加。和蒸汽压显著增加。使用中的压力容器超温超
10、压运行使用中的压力容器超温超压运行：违反操作、安违反操作、安全装置不灵或者投料不当等导致容器器壁的应力全装置不灵或者投料不当等导致容器器壁的应力达到材料强度极限达到材料强度极限 容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求：容器壳体选材不当或容器安装不符合安全要求：选用的材料的强度过低，或压力容器的安装错误，选用的材料的强度过低，或压力容器的安装错误，使得压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或使得压力来源处的压力高于压力容器的设计压力或最高工作压力，而又无可靠的最高工作压力，而又无可靠的 减压装置，则可能减压装置，则可能导致破坏。导致破坏。维护保养不当：维护保养不当：压力容器的器壁发生大面积的腐
11、蚀，压力容器的器壁发生大面积的腐蚀，壁厚减薄，在正常工作压力下受压部件整体屈服发壁厚减薄，在正常工作压力下受压部件整体屈服发生破裂。生破裂。容器内部发生化学爆炸容器内部发生化学爆炸。脆性破裂脆性破裂指压力容器在破裂时没有显指压力容器在破裂时没有显著的塑性变形，破裂时器壁的压力也远远著的塑性变形，破裂时器壁的压力也远远小于材料的强度极限，有的甚至还低于材小于材料的强度极限，有的甚至还低于材料的屈服极限。料的屈服极限。1.脆性破裂的机理脆性破裂的机理 开裂阶段开裂阶段裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段 发生低应力脆性破裂的必须条件有：发生低应力脆性破裂的必须条件有：容器本身存在缺陷或几何形状发生变化；容器本
12、身存在缺陷或几何形状发生变化；存在一定的水平应力；存在一定的水平应力；材料韧性较差。材料韧性较差。脆性断裂总是由宏观裂纹的扩展引起的。脆性断裂总是由宏观裂纹的扩展引起的。2.脆性破裂的特征脆性破裂的特征 脆断时无明显外观变化和外观预兆，破坏后容器器壁无明显的伸长变形，壁厚一般不减薄。脆性破坏的断口齐平，呈金属光泽的结晶状，并与最大主应力方向垂直。容器纵向脆断时裂口与器壁表面垂直，环向脆断时断口与容器的中心线相垂直容器脆断时，常裂成碎片并飞出，其结果要比韧性破坏严重的多厚壁容器和较低温度的容器最易发生脆性破坏，且断裂时名义应力很低，常低于材料的屈服极限。3.脆性破裂的原因脆性破裂的原因 1）温度
13、）温度：当压力容器受压原件的工作温度低于材料的冷脆转变温度时，材料就可能由韧性变为脆性，其韧性和断裂韧度大幅度降低。2）裂纹性缺陷裂纹性缺陷：压力容器受压元件一旦产生裂纹，这个区域的实际的应力要比按常规方式计算的数值高的多，材料的实际强度比无裂纹的理想材料的强度低，即使材料有足够的韧性，但当裂纹缺陷达到一定的尺寸界限时，仍可能发生脆性断裂。3.脆性破裂的原因脆性破裂的原因 3）厚度）厚度：钢板的厚度越大，则其冲击韧性越低，冷脆转变温度越高。4）加载速度加载速度：随着加载速度的增加，钢的脆性转变温度升高，韧性下降。5）微观组织微观组织：随着晶粒尺寸的增加，钢的断裂应力显著降低，钢的冷脆转变温度升
14、高。6）残余应力残余应力 疲劳破裂疲劳破裂指压力容器在反复加压和卸指压力容器在反复加压和卸压过程中受到交变载荷的长期作用，没有压过程中受到交变载荷的长期作用，没有经过明显的塑性变形而导致容器断裂的一经过明显的塑性变形而导致容器断裂的一种破裂形式。种破裂形式。1.疲劳曲线及疲劳破裂的机理疲劳曲线及疲劳破裂的机理 循环次数循环次数最大交变应力最大交变应力金属的疲劳曲线金属的疲劳曲线疲劳破裂的机理疲劳破裂的机理 疲劳裂纹核心的产生疲劳裂纹核心的产生疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 金属疲劳断口金属疲劳断口疲劳裂纹产生与扩展区，象贝壳一样的同心弧线花纹疲劳裂纹产生与扩展区，象贝壳一样的同心弧线花纹最后断裂
15、区，与静载荷下带有尖锐缺口的构件断口相似最后断裂区，与静载荷下带有尖锐缺口的构件断口相似金属疲劳断裂的过程金属疲劳断裂的过程表面、晶界及表面、晶界及非金属夹杂物非金属夹杂物处滑移处滑移疲劳断裂：疲劳断裂：疲劳源区疲劳裂纹扩展区瞬时断裂区 2.疲劳破裂的分类疲劳破裂的分类 低应力高周疲劳低应力高周疲劳高应力低周疲高应力低周疲劳劳循环周次在循环周次在105以上，外载超过材料的弹性应力极限值以上，外载超过材料的弹性应力极限值应力水平较高，交变周次在应力水平较高，交变周次在102 1052.疲劳破裂的分类疲劳破裂的分类 热疲劳热疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳温度变化所产生的热应力反复作用下所产生的疲劳破坏温度变
16、化所产生的热应力反复作用下所产生的疲劳破坏交变载荷和腐蚀介质共同作用。交变载荷和腐蚀介质共同作用。接触疲劳接触疲劳接触应力反复作用下出现麻点或压碎剥落。接触应力反复作用下出现麻点或压碎剥落。3.疲劳破裂的特征疲劳破裂的特征 容器破坏时没有明显的塑性变形；疲劳断裂与脆性破坏的端口形貌不同，疲劳端口存在两个明显的区域，一个是疲劳裂纹产生及扩展区，另一个是最终断裂区；容器的疲劳破坏一般是疲劳裂纹穿透器壁 而泄漏失效；疲劳破坏总是在经过多次的反复加压和泄压后发生的。4.疲劳破裂的原因疲劳破裂的原因 内部因素内部因素 例如，容器的接管、开孔、转角以及其他几何形状不例如，容器的接管、开孔、转角以及其他几何
17、形状不连接处，在焊缝附近以及钢板原有缺陷的应力集中连接处，在焊缝附近以及钢板原有缺陷的应力集中外部因素外部因素 间歇式操作的容器，器内压力、温度波动较大，振间歇式操作的容器，器内压力、温度波动较大，振动；外界的风、雪、雨、地震造成的周期性外载荷动；外界的风、雪、雨、地震造成的周期性外载荷局部高局部高应力区应力区反复交反复交变载荷变载荷断口的微观分析断口的微观分析断口的微观分析断口的微观分析存在疲劳载荷时的设计：存在疲劳载荷时的设计：1、设计中尽量、设计中尽量减少应力集中减少应力集中2、设计中应判断是否可以免除疲劳分析，不能免除的、设计中应判断是否可以免除疲劳分析，不能免除的应按应按JB4732
18、钢制压力容器钢制压力容器-分析设计标准分析设计标准进行疲劳进行疲劳分析设计。分析设计。腐蚀破裂腐蚀破裂指压力容器在腐蚀性介质作指压力容器在腐蚀性介质作用下，引起容器壁由厚变薄或材料组织结用下，引起容器壁由厚变薄或材料组织结构改变、力学性能降低，使压力容器承载构改变、力学性能降低，使压力容器承载能力不够而发生的破坏形式。能力不够而发生的破坏形式。按腐蚀破坏形态按腐蚀破坏形态分分均匀腐蚀均匀腐蚀局部腐蚀（孔蚀）局部腐蚀（孔蚀）按腐蚀机理分按腐蚀机理分化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀按腐蚀环境分按腐蚀环境分介质腐蚀介质腐蚀海水腐蚀海水腐蚀腐蚀破裂分类腐蚀破裂分类晶间腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀应力腐蚀氢
19、损伤氢损伤土壤腐蚀土壤腐蚀 6月月25日福日福建焦化装置加热建焦化装置加热炉对流室注水管炉对流室注水管泄漏着火，装置泄漏着火，装置停工。检查发现停工。检查发现对流室注水管上对流室注水管上两排管腐蚀严重，两排管腐蚀严重，有一根腐蚀穿孔。有一根腐蚀穿孔。本次非计划停工本次非计划停工7天。天。1、福建焦化装置、福建焦化装置加热炉对流室注水管腐蚀情况加热炉对流室注水管腐蚀情况原设计进水温度原设计进水温度90度，由于预换热停用，进水温度度，由于预换热停用，进水温度只有只有25度左右，造成严重露点腐蚀。度左右，造成严重露点腐蚀。7月月6日燕化中日燕化中压加氢裂化装置新氢压加氢裂化装置新氢压缩机入口压力突降
20、，压缩机入口压力突降，压缩机联锁停车，再压缩机联锁停车，再次启动压缩机时氢系次启动压缩机时氢系统压力难以建立，脱统压力难以建立，脱丁烷塔压力突然上升，丁烷塔压力突然上升，装置被迫停工。经过装置被迫停工。经过检查发现检查发现E504A/B发生腐蚀内漏，抢修发生腐蚀内漏，抢修时两台换热器共堵管时两台换热器共堵管38根。本次非计划停根。本次非计划停工工4.32天天2、燕化中压加氢裂化装置、燕化中压加氢裂化装置中压加氢裂化换热器中压加氢裂化换热器E504A堵管情况堵管情况燕化中压加氢裂化燕化中压加氢裂化E504A换热管焊口焊肉减薄情况换热管焊口焊肉减薄情况该管束应用了该管束应用了10年，从本周期开始出
21、现腐蚀年，从本周期开始出现腐蚀燕化中压加氢裂化燕化中压加氢裂化E504A换热管焊口焊肉减薄情况换热管焊口焊肉减薄情况该管束应用了该管束应用了10年，从本周期开始出现腐蚀年，从本周期开始出现腐蚀 茂名渣油加茂名渣油加氢裂化装置一系氢裂化装置一系列空冷列空冷AC101A出出现泄漏，装置被现泄漏，装置被迫停工处理。抢迫停工处理。抢修对泄漏的空冷修对泄漏的空冷管束进行了更换，管束进行了更换，本次非计划停工本次非计划停工4天。天。3、茂名渣油加氢裂化装置、茂名渣油加氢裂化装置渣油加氢裂化空冷渣油加氢裂化空冷101A管束换热管腐蚀穿孔管束换热管腐蚀穿孔茂名渣油加氢裂化空冷换热管减薄情况茂名渣油加氢裂化空冷
22、换热管减薄情况空冷管束解体图，管束均匀减薄空冷管束解体图，管束均匀减薄晶间腐蚀晶间腐蚀 金属的腐蚀局限在晶界或者在晶界附近，而晶粒本身的腐蚀较小的一种腐蚀形态称为晶界腐蚀。这种腐蚀造成晶粒脱落，使容器材料的强度和伸长率显著下降，但仍保持原有的金属光泽而不易被发现，故危害很大。比如奥氏体不锈钢中的晶界腐蚀。断裂腐蚀断裂腐蚀 材料在腐蚀性介质和应力共同作用下产生的腐蚀，主要有应力腐蚀和疲劳腐蚀，应力可以是拉伸应力，也可以是交变应力。应力腐蚀：拉应力与腐蚀性介质的作用应力腐蚀：拉应力与腐蚀性介质的作用 疲劳腐蚀：交变载荷与腐蚀性介质的作用疲劳腐蚀：交变载荷与腐蚀性介质的作用引起应力腐蚀的应力必须是拉
23、应力，且应力可大可小。纯金属不发生应力腐蚀。产生应力腐蚀的材料和腐蚀性介质之间有选择性和匹配关系。应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段应力腐蚀应力腐蚀：常用材料发生常用材料发生应力腐蚀应力腐蚀的敏感介质见下表：的敏感介质见下表：外表面外表面内表面内表面端面端面露点工况下的氯离子应力腐蚀露点工况下的氯离子应力腐蚀脱碳和开裂脱碳和开裂脱碳分层线脱碳分层线蒸气泄漏到层板中产生应力腐蚀开裂蒸气泄漏到层板中产生应力腐蚀开裂 液氨对碳钢及低合金钢容器的应力腐蚀液氨对碳钢及低合金钢容器的应力腐蚀：液氨储存容器在充装、卸放及检修时，难免进入空气。接触了空气的液氨，在氧及
24、二氧化碳的参与下，在应力特别是焊接残余应力的作用下，对钢材有强烈的腐蚀作用，使之产生应力腐蚀裂纹，并多产生于焊缝部位。钢材强度越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向越大。最终导致容器破裂。硫化氢对钢制容器的应力腐蚀硫化氢对钢制容器的应力腐蚀：湿的硫化氢，加上应力特别是焊接残余应力，可对钢制容器产生强烈的应力腐蚀，且在20左右的温度下最为严重。苛性碱对锅炉锅筒或容器的应力腐蚀（碱脆或苛性碱对锅炉锅筒或容器的应力腐蚀（碱脆或苛性脆化）：苛性脆化）：这种应力腐蚀一般需要三个条件：较高的温度、较高的苛性碱浓度及较高（达到钢材屈服点）的拉伸应力。在锅炉锅筒的胀口、铆缝等部位，有可能满足上述三个条件，常由这些部位开
25、始形成应力腐蚀开裂。含碱容器的接管、法兰部位及其他应力集中部位，也有碱脆开裂的例证。氯离子对奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀：氯离子对奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀：无论是高浓度的氯离子，还是高温高压水中微量的氯离子，均可对奥氏体不锈钢造成应力腐蚀。应力腐蚀裂纹常产生在焊缝附近，最终造成容器破裂。潮湿条件下一氧化碳对气瓶的应力腐蚀：潮湿条件下一氧化碳对气瓶的应力腐蚀：工业一氧化碳气体中常含有二氧化碳和水分，在气瓶反复充装、应力交变的条件下，气瓶会产生应力腐蚀裂纹甚至破裂。应力腐蚀破裂属于脆性破裂，断口平齐，没有明显的塑性变形，破裂方向与主应力方向垂直。应力腐蚀是一种局部腐蚀，其断口一般可分出裂纹扩展区和
26、瞬时破裂区两部分，前者颜色较深，有腐蚀产物伴随，后者颜色较浅且洁净。应力腐蚀裂纹扩展过程中会发生裂纹分叉，即有一主裂纹扩展得最快，其余是扩展得较慢的支裂纹。引起破裂的因素中均有特定介质和拉伸应力。应力腐蚀破裂的基本特征应力腐蚀破裂的基本特征选用合适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配，比如不用奥氏体不锈钢容器作接触海水及氯化物的容器。在结构设计及布置中避免过大的局部应力。采用涂层或衬里，把腐蚀性介质与容器承压壳体隔离，并防止涂层或衬里在使用中损坏。在制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺，并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其它内应力。应力腐蚀常对水分及潮湿气氛敏感，使用中应注意防湿
27、防潮，对设备加强管理和检验应力腐蚀破裂的预防应力腐蚀破裂的预防氢损伤氢损伤 由于氢渗进金属内部而造成的金属性能恶化的现象称为氢损伤，也称为氢破坏 氢鼓包氢鼓包 由于氢进入金属内部而产生，结果造成局部变形，甚至器壁遭到破坏 氢脆氢脆 由于氢进入金属内部而产生，结果引起韧性和抗拉强度下降 脱碳脱碳 由于湿氢进入钢中，使钢中碳含量减少，其结果是钢的强度下降；氢腐蚀氢腐蚀 在高温下氢与合金中的组分反应造成腐蚀。氢原子或氢离子扩散到钢材内部在空穴处生成甲烷。甲烷的扩散能力低，随着反应继续进行、甲烷逐渐聚集，形成局部高压，应力集中并发展为裂纹。氢腐蚀需要一个起始温度与一个起始氢分压。碳钢的起始温度为220
28、，起始氢分压为1.38MPa左右。当氢分压低于起始分压时只发生表面脱碳而不发生氢腐蚀。指钢受高温高压氢的作用引起组分的化指钢受高温高压氢的作用引起组分的化学变化，使钢材的强度和塑性下降、断学变化，使钢材的强度和塑性下降、断开呈脆性断裂的现象开呈脆性断裂的现象管内跑酸导致氢管内跑酸导致氢腐蚀，其表现为腐蚀，其表现为脱碳和开裂脱碳和开裂腐蚀疲劳是材料在腐蚀介质中承受交变荷载所产生的疲劳破坏现象。从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿，同样有工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。所以，其疲劳特性也有所谓腐蚀疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展两大类。在交变应力和腐蚀介质的共同作用下，裂纹萌生要比在惰性介质中容易得
29、多，所以材料腐蚀疲劳裂纹扩展特性在整个腐蚀疲劳特性中占有更重要的地位。和常规疲劳类似，腐蚀疲劳特性通常也是用SN曲线表征的。真空中疲劳强度最高，这是因为真空中排除了水蒸汽和氧气的影响；预浸腐蚀介质是在试验表面形成蚀坑，起应力集中的作用。所以，预浸使疲劳特性同缺口试样的疲劳特性类似；腐蚀疲劳的SN曲线最低，这是因为单纯腐蚀在蚀坑和裂纹尖端处形成的保护性氧化膜，在交变应力作用下不断破裂，致使新裸表面不断受到腐蚀介质的作用。材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀能力有关。钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈大。当频率下降时，腐蚀过程会更充分地进行，则材料的
30、腐蚀疲劳强度还要有所下降。一般说来，任何改善材料抗腐蚀能力的措施都对提高腐蚀疲劳强度有利。在四种不同环境条件下的在四种不同环境条件下的S-N曲线曲线 影响腐蚀疲劳裂纹扩展的主要因素（1）加载频率：加载频率越低，da/dN越大，而且其影响随频率降低而加剧。（2）平均应力：无论是在惰性介质（干氩）中还是在水介质中，平均应力对腐蚀疲劳裂纹扩展有加速作用。（3）材料强度：材料的s越高，（da/dN）CF也越高。但在腐蚀作用不明显的介质中，影响也不明显。防止腐蚀疲劳的措施防止腐蚀疲劳的措施 减少腐蚀疲劳的主要方法是选择能在预定的环境中抗腐蚀的材料。也可以通过各种表面处理如喷丸、氮化等工艺使表面残留压应力
31、。一般认为，阳极镀层有益，阴极镀层有害。如镀锌、镉对钢的表面是阳极镀层，可改善腐蚀疲劳抗力；但镀铬、镍对钢的表面是阴极镀层，使表面产生不利的拉应力，出现发状裂纹和氢脆。其他的表面保护，如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形成保护层，只要它在使用中不破坏，则对减少腐蚀疲劳都是有利的。蠕变破裂蠕变破裂指压力容器的壁温高于某一限指压力容器的壁温高于某一限度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也度时，即使应力低于屈服极限，容器材料也会发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长会发生缓慢的塑性变形，这种塑性变形经长期积累，最终会导致压力容器的破坏。期积累，最终会导致压力容器的破坏。1.蠕变破裂的机理蠕变破裂的机理 金属材
32、料金属材料高温高温金相组织金相组织发生变化发生变化晶粒长大、珠光晶粒长大、珠光体、球化、析出体、球化、析出石墨、晶间开裂石墨、晶间开裂或疏松微孔或疏松微孔韧性下降韧性下降蠕变破裂的特征蠕变破裂的特征1.在高应力及较低温度下蠕变时，最终发生穿晶型蠕变破裂，破裂前有大量塑性变形，破裂后的伸长率高，往往形成缩颈，断口呈延性形态，因而也叫蠕变延性破裂。2.在低应力及较高温度下蠕变时，最终发生沿晶型蠕变破裂，破裂前塑性变形很小，破裂后的伸长率甚低，缩颈很小或者没有，在晶体内常有大量细小裂纹，这种破裂也叫蠕变脆性破裂。3.蠕变破裂断口常有明显的氧化色彩。三三、原因、原因压力容器发生蠕变破坏往往是由于容器长
33、期在某一高温下运行，即使其应力低于材料的屈服极限，材料也能发生缓慢的塑性变形。压力容器因选材不当，结构不合理，造成蠕变破坏容器由于结垢、结碳、结疤等影响传热，造成局部过热。裂纹拼凑图裂纹拼凑图找到初始裂纹找到初始裂纹洗照片洗照片残骸分析：残骸分析：从大的方面讲，失效机理可主要分为均匀腐蚀、局从大的方面讲，失效机理可主要分为均匀腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀、材质裂化、机械破坏等，但针对某部腐蚀、应力腐蚀、材质裂化、机械破坏等，但针对某个特定环境下的失效模式往往是几种失效机理耦合的结个特定环境下的失效模式往往是几种失效机理耦合的结果。如腐蚀疲劳问题，硫化物应力腐蚀问题，高温硫化果。如腐蚀疲劳问题，硫化
34、物应力腐蚀问题，高温硫化物和环烷酸腐蚀问题等等。物和环烷酸腐蚀问题等等。一、特征一、特征-因素图法因素图法 “鱼骨鱼骨”图分析法图分析法 “鱼骨鱼骨”图分析法也是失效系统工程中较图分析法也是失效系统工程中较常用的一种方法。因为用这种方法分析事故常用的一种方法。因为用这种方法分析事故原因的图形象一条鱼骨原因的图形象一条鱼骨,故而得名。又因为所故而得名。又因为所用的分析图是根据用的分析图是根据因果关系因果关系按层次排列的按层次排列的,所所以也称因果分析图。以也称因果分析图。“鱼骨鱼骨”图分析法在日本等国被广泛用于图分析法在日本等国被广泛用于质量管理与失效分析。质量管理与失效分析。“鱼骨”图分析法是
35、把准备分析的事故的各种因素按层次作成图形,并在此基础上进行原因分析,它有以下特点：1)直观全面。造成某类缺陷或事故的因素全部列在图上,既可作到一目了然,又可以防止疏忽遗漏某些不被注意而又十分重要的因素。2)失效因素层次清楚。造成事故的因素往往是多方面的,其中有直接的,也有间接的；而且这些因素的因果关系都是有继承而非单一的。“鱼骨”图能把这种错综复杂的因果关系分层次清楚地表现出来。“鱼骨”图分析一般分为三步，即确定分析的失效现象、绘制鱼骨图和原因分析。1)分析失效现象的确定。分析对象如果不合适,或范围太大,会降低分析效率,得出错误的结论。所以必须根据失效研究对象的具体情况,有针对性确定分析的失效
36、现象。例如一个容器在运行中断裂爆炸,如果不管容器本身的质量如何,使用环境条件如何,断裂的过程及特征如何,一律把分析对象定为“容器断裂爆炸”，就会作出许多层次、包括几十个或几百个因素的 “鱼骨”图,使分析工作难以进行。2)“鱼骨”图的绘制 “鱼骨”图是以表示缺陷或失效现象的水平粗箭头线作为“脊骨”(亦称主干线),在“脊骨”的两旁分别列出其直接引起缺陷或失效现象的原因,用带箭头的线与“脊骨”相连,称为“大骨”或大因素。一般将引起缺陷或失效的某些方面的因素作为大因素,如压力容器的制造缺陷或材料选用失误等等。直接导致这大因素的,也有各种原因,称为中因素,也依次列出,用箭头线与大因素相连接,称为是中骨。
37、3)原因分析 从设备或系统的失效现象或过程以及它的设计制造质量、运行状态(维护、操作)、工艺条件(温度、压力、介质等环境因素)与鱼骨图的因素对照,排除其中不可能存在的因素,逐步缩小范围,以查明事故的主次原因。“鱼骨鱼骨”图分析法举例图分析法举例 有一台球形容器,在使用不久即发生断裂爆炸。经分析,容器有成熟的设计经验,设计结构、强度、材料选用等都经过长期的实际检验,证明设计合理,而且容器刚投产,不可能产生疲劳、应力腐蚀等断裂因素,且所有仪表记录证明,容器工艺条件(温度、压力、介质等)正常。周围环境也无特殊异常情况,如大风、地震、火灾、泄漏等。试用容器制造缺陷因素的“鱼骨”图分析法进行分析。材料缺
38、陷容器制造缺陷断裂组装缺陷材料质量轧制缺陷冶炼缺陷材料误用错误代用组装应力 刚性大 几何形状缺陷错边角变形不圆度局部凹陷热处理不当热处理温度或时间不当加热不均未热处理热处理缺陷焊缝外部缺陷焊缝咬边表面裂纹表面不平整焊接缺陷内部裂纹未熔合气孔夹渣焊缝内部缺陷容器制造缺陷因素的容器制造缺陷因素的“鱼骨鱼骨”图图支腿不垂直强行组装标记错误高压停留罐高压停留罐 6.55MPa,280,铝酸钠水溶液铝酸钠水溶液16MnR 浸出槽浸出槽，0.2MPa,90120 ,硫酸锌、硫酸（硫酸锌、硫酸（9%）、）、硝酸（硝酸（1%）,Q235-B 浸出槽爆炸事故过程示意图 经分析该事故原因主要有以下几种可能：经分析
39、该事故原因主要有以下几种可能：更改设计原因、螺栓缺陷原因、工艺化学爆炸更改设计原因、螺栓缺陷原因、工艺化学爆炸对于更改了的设计：设计比对显示对结构受力影响不大；对于更改了的设计：设计比对显示对结构受力影响不大；对于带缺陷的螺栓：进行了韧性断裂和脆性断裂模拟（考虑了对于带缺陷的螺栓：进行了韧性断裂和脆性断裂模拟（考虑了螺栓的一定预紧力），显示在操作压力下不会断裂；螺栓的一定预紧力），显示在操作压力下不会断裂；对于工艺：进行了模拟试验，显示会生成大量硫化氢，在随后对于工艺：进行了模拟试验，显示会生成大量硫化氢，在随后的工艺中要求通入氧气后，达到爆炸极限，但缺少点火源；的工艺中要求通入氧气后，达到爆
40、炸极限，但缺少点火源；对于试车工艺：进行了排查，试车工艺对爆炸影响不大；对于试车工艺：进行了排查，试车工艺对爆炸影响不大；浸出槽爆炸事故过程示意图H2S浓度超过爆炸极限浸出槽内发生化学反应产生H2SH2S浓度达到爆炸极限薄弱螺柱脆性断裂个别螺柱被从螺孔拉出偶然因素导致的摩擦产生局部热点浸出槽内发生化学爆炸通入氧气设备法兰上的螺柱被点焊螺柱承载能力降低其余螺柱脆性断裂或带有脆性特征的韧性断裂浸出槽上筒体和上封头飞出 腐蚀介质：腐蚀介质：气相空间：湿氯气；气相空间：湿氯气；液相空间：盐酸；液相空间：盐酸；失效现象失效现象:锆板锆板(尤其锆钽焊缝处尤其锆钽焊缝处)严严重腐蚀重腐蚀 1.1.氯气对锆钽
41、试样气蚀的模拟试验氯气对锆钽试样气蚀的模拟试验试验溶液：试验溶液：7%7%盐酸溶液盐酸溶液溶液温度：溶液温度：7070试样位置：液面以下，与液面成试样位置：液面以下，与液面成3030度角，钽板在上方，锆板度角，钽板在上方，锆板在下方，焊缝与液面平行。在下方，焊缝与液面平行。气蚀方式：通工业纯氯气，形成气泡冲击试样样板中的锆板气蚀方式：通工业纯氯气，形成气泡冲击试样样板中的锆板一边，出气孔位置距离试样被冲击部位不大于一边，出气孔位置距离试样被冲击部位不大于5050mmmm。试验时间：连续运行试验时间：连续运行200200 300300小时小时试样尺寸试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过实验的试样尺寸
42、不会超过5050mmmm100mm100mm 2.2.电偶腐蚀模拟试验电偶腐蚀模拟试验试验溶液：试验溶液：7%7%盐酸溶液盐酸溶液溶液温度：溶液温度：7%7%盐酸沸点盐酸沸点试样位置：液面以下，与液面成试样位置：液面以下，与液面成6060 7070度角，钽板在上方，锆度角，钽板在上方，锆板在下方，焊缝与液面平行。板在下方，焊缝与液面平行。加速方式：通过溶液沸腾出现的气泡来冲击试样。加速方式：通过溶液沸腾出现的气泡来冲击试样。试验时间：连续运行试验时间：连续运行200200 300300小时小时试样尺寸试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过实验的试样尺寸不会超过5050mmmm100mm100mm 压
43、力容器事故分析需遵循压力容器事故分析需遵循调查调查分析分析结论结论这一基本原则，一般应按以下的程序进行这一基本原则，一般应按以下的程序进行1)现场调查，包括保护失效现场，查明事故发生的时间、地点及失效过程。收集残骸碎片，保护好断口，写出现场调查报告等。2)收集背景材料：设备的基本参数、运行记录、维修记录、失效历史情况、设计图样及说明书等3)技术参量复验：对材料的化学成分、金相组织、常规力学性能等的复验失效分析的步骤失效分析的步骤4)深入分析研究：失效件的宏观检查；断口分析；无损探伤检查；表面及界面成分分析；局部或微区成分分析；相结构分析等。5)综合分析归纳，推理判断提出初步结论6)撰写失效分析
44、报告。事故分析报告主要的两部分，即分析结论和建议。前者包括调查与观察，测试检验和系统分析所得出的分析结论，后者主要是根据分析结论提出 为防止发生类似事故应采取的有效措施的建议。事故分析报告应简明扼要、逻辑性强，判断根据要充分可靠，判断结论要中肯明确。知识要点知识要点1、失效分析的目的、意义是什么？、失效分析的目的、意义是什么？2、压力容器的破裂形式分为哪、压力容器的破裂形式分为哪5种？种？3、韧性破裂的基本特征是什么？、韧性破裂的基本特征是什么？4、腐蚀疲劳破裂的机理是什么？、腐蚀疲劳破裂的机理是什么？5、简述容器失效分析的基本原则和一般程序？（按、简述容器失效分析的基本原则和一般程序？（按P
45、PT内容简答）内容简答）6、“T型法型法”如何判断开裂次序和寻找裂源。如何判断开裂次序和寻找裂源。7、简述应力腐蚀断裂的简述应力腐蚀断裂的基本特征基本特征。8、简述压力容器事故、简述压力容器事故鱼骨鱼骨图分析法的主要特点和分析步图分析法的主要特点和分析步骤。骤。鱼骨鱼骨图分析法是把准备分析的事故的各种因素按层次作图分析法是把准备分析的事故的各种因素按层次作成图形成图形,并在此基础上进行原因分析并在此基础上进行原因分析,它有以下主要特点它有以下主要特点:（1）直观全面。造成某类缺陷或事故的因素全部列在图直观全面。造成某类缺陷或事故的因素全部列在图上上,既可作到一目了然既可作到一目了然,又可以防止疏忽遗漏某些不被注意而又可以防止疏忽遗漏某些不被注意而又十分重要的因素。又十分重要的因素。（2）失效因素层次清楚。造成事故的因素往往是多方面失效因素层次清楚。造成事故的因素往往是多方面的的,其中有直接的其中有直接的,也有间接的也有间接的;而且这些因素的因果关系都而且这些因素的因果关系都是有继承而非单一的。是有继承而非单一的。鱼骨鱼骨图能把这种错综复杂的因果图能把这种错综复杂的因果关系分层次清楚地表现出来。关系分层次清楚地表现出来。分析步骤：分析步骤：鱼骨鱼骨图分析一般分为三步图分析一般分为三步,即确定分析的失效即确定分析的失效现象、绘制现象、绘制鱼骨鱼骨图和原因分析。图和原因分析。
