《设备失效分析与材料应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设备失效分析与材料应用（117页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、设备失效分析与材料应用,第一部分：设备失效分析基础,3,一、压力容器主要失效模式及原因,主要失效模式 爆炸（物理爆炸、化学爆炸） 断裂（脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂） 泄漏（密封泄漏、腐蚀穿孔） 变形、失稳 损伤（电化学腐蚀、氧化腐蚀、机械损伤） 材料性能退化（脆化、金相组织变化）,4,主要失效原因 操作不当（违反操作规程、介质参数超标）* 管理薄弱（制度不健全、职工素质差）* 失检（超期未检、未按规范检验、未能发现存在的问题） 设计制造缺陷（设计不合理、选材不当、材料缺陷、焊接缺陷） 外来损伤（外来机械损伤、地震等自然灾害）,爆炸,断裂,泄漏,过量变形,表面损伤、金属损失,材料性能退化,物理
2、爆炸：物理原因（温度、内压）使应力超过强度,化学爆炸：异常化学反应使压力急剧增加超过强度,脆性断裂：应力腐蚀、氢致开裂、持久（蠕变）断裂、低温脆断,韧性断裂,疲劳断裂：应力疲劳、应变疲劳、高温疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳、蠕变疲劳,密封泄漏：充装过量（冒顶）,腐蚀穿孔、穿透的裂纹或冶金、焊接缺陷（满足LBB条件）,过热、过载引起的鼓胀、屈曲、伸长、凹坑（dent）,蠕变、亚稳定相的相变,电化学腐蚀：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、沉积物下腐蚀、溶解氧腐蚀、碱腐蚀、硫化物腐蚀、氯化物腐蚀、硝酸盐腐蚀,冲蚀、气蚀,高温氧化腐蚀、金属尘化或灾难性渗碳腐蚀、环烷酸腐蚀,外来机械损伤：油气长输管线的主要
3、失效模式之一,辐照损伤脆化,金相组织变化：珠光体球化、石墨化、S相析出长大、渗碳、渗氮、脱碳、回火脆化与敏化、应变时效,氢致损伤：氢腐蚀、氢脆（微裂纹）、堆焊层的氢致剥离,压力容器与管道主要失效模式,压力容器与管道主要失效原因,责任事故,设备事故,运行操作：违反操作规程、介质超标,管理：缺少现代安全管理体系、职工素质教育差,检测维修：严重损伤未能被检测发现或缺少科学评价、不合理的维修工艺（尤其是停工状态的维修）,设计制造：设计缺陷、选材不当、用材错误、存在超标焊接或冶金缺陷、焊接或组装残余应力过大,外来损伤：外来机械损伤、地震、洪水、雷击、大风等,7,1.考虑炼油工业中的介质导致失,1)减薄(
4、包括整体、局部、点)(Thinning)2)焊缝表面开裂(Surface connected cracking) 3)近表面开裂(Subsurface cracking)4)微裂缝/微空隙形成(Microfissuring/microvoid formation)5)金相组织改变(Metallurgical changes)6)尺寸变化(Dimensional changes)7)鼓泡(Blistering)8)材料特性改变(Material properties changes)9)机械损伤(Mechanism damage),二、石化设备典型 失效模式,8,减薄机制,9,10,应力腐蚀开裂
5、,11,金相组织改变和环境失效,12,机械失效,1、电化学腐蚀 1.1点蚀 点蚀现象 点蚀是高度局部的腐蚀形态。金属表面的大部分不腐蚀或腐蚀轻微, 只在局部发生一个或一些孔。孔有大有小，一般孔表面直径等于或小于孔深 。 点蚀机理： Cl、Br、I使钝化膜破损、电位差、闭塞电池、PH值下降、Cl离子进入、HCl形成等 防止点蚀的措施： 1、含Mo不锈钢 2、酸洗钝化 3、避免死角、保证介质流动顺畅,三、腐蚀基础知识,腐蚀的破坏特征 破坏高度集中 蚀孔的分布不均匀 蚀孔通常沿重力方向发展 蚀孔口很小，而且往往覆盖有固体沉积物，因此不易发现。 点蚀发生有或长或短的孕育期(或诱导期)。,不锈钢的点蚀现
6、象,点蚀的形成可分为引发和成长(发展)两个阶段。在钝态金属表面上，蚀孔优先在一些敏感位置上形成，这些敏感位置(即腐蚀活性点)包括： 晶界(特别是有碳化物析出的晶界)，晶格缺陷 。 非金属夹杂，特别是硫化物,如FeS、MnS，是最为敏感的活性点。 钝化膜的薄弱点(如位错露头、划伤等)。,金属材料 能够鈍化的金属容易发生点蚀，故不锈钢比碳钢对点蚀的敏感性高。金属钝态愈稳定，抗点蚀性能愈好。点蚀最容易发生在钝态不稳定的金属表面。对不锈钢，Cr、M0和N有利于提高抗点蚀能力。,(2)环境 活性离子能破坏钝化膜，引发点蚀。 一般认为，金属发生点蚀需要Cl- 浓度达到某个最低值(临界氯离子浓度)。这个临界
7、氯离子浓度可以作为比较金属材料耐蚀性能的一个指标，临界氯离子浓度高，金属耐点蚀性能好 。 缓蚀性阴离子 缓蚀性阴离子可以抑制点蚀的发生。,在较宽的pH值范围内，点蚀电位Eb与溶液pH值关系不大。当pH10，随PH值升高，点蚀电位增大，即在碱性溶液中，金属点蚀倾向较小。 温度 温度升高，金属的点蚀倾向增大。当温度低于某个温度，金属不会发生点蚀。这个温度称为临界点蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐点蚀性能愈好。, 流动状态,在流动介质中金属不容易发生点蚀，而在停滞液体中容易发生，这是因为介质流动有利于消除溶液的不均匀性，所以输送海水的不锈钢泵在停运期间应将泵内海水排尽。,1.2 缝隙腐蚀 现
8、象：一种特殊的点蚀现象,常和孔穴、垫片底面、搭接缝、表面沉积物、螺栓帽和铆钉下的缝隙中积存的少量静止溶液有关。 不锈钢对缝隙腐蚀特别敏感 缝隙尺寸 尺寸在0.025 0.1毫米范围。 宽度太小则溶液不能进入，不会造成缝内腐蚀；宽度太大则不会造成物质迁移困难，缝内腐蚀和缝外腐蚀无大的差别。,机理： Evans理论内外金属离子浓度差形成浓差电池 Fontane-Greene氧浓差理论，缝隙内外氧的浓度差形成浓差电池作用。缝隙内局部优先溶解，发生阴极和阳极反应。氧消耗使缝隙内阴极反应受抑制，生成的OH-减少，Cl-补充进入缝隙生成金属盐水解生成盐酸pH值降低腐蚀加剧 避免缝隙腐蚀的措施 与点蚀相同,
9、（1）缝隙内氧的贫乏 由于缝隙内贫氧，缝隙内外形成氧浓差电池。缝 隙内金属表面为阳极，缝外自由表面为阴极。 （2）金属离子水解、溶液酸化 （3）缝隙内溶液pH值下降，达到某个临界值，不锈钢表面钝化膜破坏，转变为活态，缝隙内金属溶解速度大大增加。 （4）上述过程反复进行，互相促进，整个腐蚀过程具有自催化特性。,（1）金属材料 几乎所有的金属材料都会发生缝隙腐蚀 ，钝态的金属对缝隙腐蚀最为敏感 。 （2）环境 几乎所有溶液中都能发生缝隙腐蚀，以含溶解氧的中性氯化物溶液最常见 。,点蚀和缝隙腐蚀相同之处： 首先，耐蚀性依赖于钝态的金属材料在含氯化物的溶液中容易发生，造成典型的局部腐蚀。 其次，点蚀和
10、缝隙腐蚀成长阶段的机理都可以用闭塞电池自催化效应说明,点蚀和缝隙腐蚀不同之处： 点蚀的闭塞区是在腐蚀过程中形成的，闭塞程度较大；而缝隙腐蚀的闭塞区在开始就存在，闭塞程度较小。 点蚀发生需要活性离子(如Cl- 离子)，缝隙腐蚀则不需要，虽然在含Cl- 离子的溶液中更容易发生。 点蚀的临界电位Eb较缝隙腐蚀临界电位Eb高，Eb与Erp之间的差值较缝隙腐蚀小(在相同试验条件下测量)，而且在Eb与Erp之间的电位范围内不形成新的点蚀，只是原有的蚀孔继续成长，但在这个电位范围内缝隙腐蚀既可以发生也可以成长。,1.3.电偶腐蚀 机理：两种不同电位金属电极构成的宏观原电池的腐蚀电位低的成为阳极，腐蚀加剧。电
11、位高的为阴极，腐蚀减轻。 发生电偶腐蚀的几种情况 异金属(包括导电的非金属材料，如石墨)部件的组合。 金属镀层。 金属表面的导电性非金属膜。 气流或液流带来的异金属沉积，也会导致电偶腐蚀问题。 减少电偶腐蚀倾向的措施 1、选用电位差小的金属组合 2、避免小阳极、大阴极，减缓腐蚀速率 3、用涂料、垫片等使金属间绝缘 4、采用阴极保护,一些工业金属和合金在海水中的电偶序,铂 金 石墨 钛 银 Chlorimet 3(62Ni,18Cr,18Mo) Hastelloy C (62Ni,17Cr,15Mo) 18-8Mo不锈钢(钝态) 18-8不锈钢(钝态) 1130%Cr不锈钢(钝态) Incone
12、l(80Ni,13Cr,7Fe)(钝态) 镍(钝态) 银焊药 Monel(70Ni,32Cu) 铜镍合金(6090Cu,4011Ni) 青铜 铜 黄铜,阴极性,阳极性,Chlorimet2(66Ni,32Mo,1Fe) Hastelloy B (60Ni,30Mo,6Fe,1Mn) Inconel(活态) 镍(活态) 锡 铅 铅-锡焊药 18-8钼不锈钢(活态) 18-8不锈钢(活态) 高镍铸铁 13%Cr不锈钢 铸铁 钢或铁 2024铝(4.5Cu,1.5Mg,0.6Mu) 镉 工业纯铝(1100) 锌 镁和镁合金,1.4 晶间腐蚀 奥氏体和铁素体不锈钢特有的一种腐蚀形式 在晶界及附近区域发
13、生选择性腐蚀 主要危害使金属破碎、强度丧失,1Cr18Ni9晶间腐蚀 Inconel800晶间腐蚀,晶间腐蚀指腐蚀主要发生在金属材料的晶粒间界区，沿着晶界发展，即晶界区溶解速度远大于晶粒溶解速度。 发生晶间腐蚀的电化学条件 （1）晶粒和晶界区的组织不同，因而电化学性质存在显著差异。内因 （2）晶粒和晶界的差异要在适当的环境下才能显露出来。 外因,敏化热处理 不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理 以后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处 理叫做敏化热处理。奥氏体不锈钢的敏化热处理 范围为450C850C。当奥氏体不锈钢在这个温 度范围较长时间加热(如焊接)或缓慢冷却，就产 生了晶间腐蚀敏
14、感性。铁素体不锈钢的敏化温度 在900C以上，而在700-800C退火可以消除晶间 腐蚀倾向。,敏化处理对不锈钢晶间腐蚀的影响，与加热温度、加热时间都有关系。将处理后的试样进行试验，把结果表示在以加热温度(T)和加热时间(T)为纵、横坐标的图上，发生晶间腐蚀的区域的边界称为TTS曲线(S表示晶间腐蚀敏感性)。 TTS曲线清楚地表明被试验不锈钢敏化处理的温度和时间范围。,1100 1000 900 800 700 600 500 400,温度(0摄氏度),不发生晶间腐蚀区,0.015 0.15 1.5 15 150 1500,加热时间(小时),0.05%C-18.48%Cr-9.34%Ni不锈钢
15、的晶间腐蚀范围(TTS曲线) (根据Cihal et al.)试验方法:CuSO4+H2SO4+Cu屑,24小时,1200 1000 800 0,温度(0摄氏度),0.17 0.5 2 4 6 8 10,晶间腐蚀,无晶间腐蚀,加热时间(小时),OOCR25不锈钢(C0.005%,N0.005%)的晶间腐蚀T-T-S曲线(固溶处理后再施以如图所示之热处理后空冷,按CuSO4-H2SO4-Cu屑法检验)(根据TokapeBa),1000 900 800 700 600 500 400,0.1 1 10 100 100 1000 10000,析出温度(0摄氏度),析出时间(小时),含碳量对18-8不
16、锈钢出现晶间碳化铬析出温度和析出时间的影响,0.08,0.04,0.02,0.01,含碳量%,贫铬理论 不锈钢在弱氧化性介质中发生的晶间腐蚀(这是最常见的情况，因为不锈钢一般都是在这种介质中使用)，可以用贫铬理论解释。 （1）奥氏体不锈钢 （2）铁素体不锈钢,金属,钢的成分*(%),Cr,Ni,Fe,18.0,8.8,余量,700 摄氏度,725摄氏度,750 摄氏度,775 摄氏度,9.63 9.7 8.7 10.3,7.9 6.7 8.4 8.3,82.4 83.5 82.4 81.3,在下列温度敏化处理2小时后,晶间附近区域的化学成分(%),敏化处理后不锈钢晶界附近区的化学成分,另含0.22%
