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1、中国特种设备检测研究院 李光海 电话：13910535948 邮箱：li_,失效分析概述,提 纲,失效分析的定义 失效分析的目的及主要形式 有关断口的基本知识 失效分析的常用手段 失效分析的基本方法,一、失效分析的定义,失效分析：产品丧失其规定功能现象称为失效。 石油化工企业常见的失效现象有：爆炸、着火、泄露、结构大变形、振动加剧以及在检测中发现的严重腐蚀、严重冲刷磨损、材质劣化、大量活动性裂纹等等。,所有的工程材料都是活性化学品，就像食盐溶解在水中一样，任何工程材料都能快速并完全溶解在某种环境中，根据这种本征活性的观点，令人惊奇的并不是材料的失效，而是它们在环境中可以正常使用。,灯泡，洗衣机
2、,1.1九江石化合成氨装置气化炉出口管道爆炸,化学爆炸 大变形 45度剪切唇 高速形变马氏体,1.2沈阳市某酒厂的吨酒罐大变形失效,壁厚较薄以及支撑不合理导致失稳,1.3燕山石化化学品事业部粗苯酚再沸器振动破坏,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,结构不合理和介质冲击导致疲劳，管板锻件晶粒度超过1级使疲劳加剧,加速度测试表明振动频率处于机械振动范围,1.4中海化学天野分公司C炉水冷壁炉管材质劣化,管内跑酸导致氢腐蚀，其表现为脱碳和开裂,脱碳和开裂,脱碳分层线,1.5中海化学合成氨装置103-JT转子叶片振动破坏,设计的安全系数偏小和榫齿与转子间的配合偏差导致疲劳,断裂后的
3、叶片,断裂后的叶根,1.6北京东方化工厂裂解炉炉管大量活动性裂纹,外表面,内表面,端面,露点工况下的氯离子应力腐蚀,高倍下显示为穿晶裂纹 低倍下显示为树枝状裂纹,1.7新疆天业化工股份有限公司尿素合成塔应力腐蚀,蒸气泄漏到层板中产生应力腐蚀开裂,二、失效分析的目的及主要形式,失效分析的主要目的是要找出引起失效的原因，从而采取有效措施，使同样的失效不再重复产生。现阶段失效分析主要包括以下形式： 石油化工企业委托学校、科研院所进行失效分析 科研院所进行失效分析研究 法院委托技术鉴定 设计制造单位进行优化设计、优化制造（有些已经衍化为计算机模拟优化设计）等等。,三、有关断口的基本知识,有关断口的基本
4、知识,3.1韧性断口,3.2脆性断口,3.3疲劳断口,3.4高温蠕变断口,四、失效分析的常用手段,断口取样（切割） 断口试样保存 断口制样和清洗（超声波、腐蚀）,失效分析的常用手段,宏观检查 显微镜检查,裂纹拼凑图（T型） 找到初始裂纹,失效分析的常用手段,金相试验、扫描电子显微镜试验,洗照片,失效分析的常用手段,硬度检测、力学性能试验（拉伸、冲击、弯曲、扭转、断裂韧度、高温性能、腐蚀后的性能）,失效分析的常用手段,化学成份分析、光谱分析（定量和半定量）、能谱分析、X射线衍射分析 液体成分分析,失效分析的常用手段,有限元计算模拟 强度（韧性和脆性）、刚度、稳定性、振动 基于GB150强度校核、
5、基于GB4732分析设计强度校核、极限载荷分析、脆断“极限”载荷分析,失效分析的常用手段,残余应力测试、振动测试,失效分析的常用手段,无损检测 工艺检查 运行检查 模拟腐蚀试验,相关性思路法较简便、较普及 事故树法逻辑性较强 排除法不能直接给出结论，不推荐 模拟试验法缺少数据时，可以还原现场,五、失效分析的基本方法,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，但针对某个特定环境下的失效模式往往是几种腐蚀机理耦合的结果。如腐蚀疲劳问题，硫化物应力腐蚀问题，高温硫化物和环烷酸腐蚀问题等等。,基本方法也可分为比对法和排除法,5.1相关性思路法根据断裂分类的分析
6、思路,导致断裂的原因不外乎两个因素： 材料抵抗力过小或载荷动力过大 材料方面主要考虑： 材料的力学性能、耐腐蚀性能、耐疲劳性能（具体包括化学成份、热处理、化学处理、加工硬化、焊后的性能改变等）、以及构件的形状和尺寸因素（缺口的尖锐程度、倒角等）,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,对材料而言，成分决定组织、组织决定性能。设备和管道的耐蚀性能不仅仅取决于所选用板材、锻材或铸材的性能，更却决于设备和管道在制造中的成型、焊接、热处理和所使用的环境。 应注意材质耐蚀性能的变化。例如1Cr18Ni9Ti。,腐蚀动力可以参考API581中的一些腐蚀判定方法： 一、均匀腐蚀和局部腐蚀 1盐酸腐蚀：
7、如果介质中存在氯化氢和游离水，则可能发生盐酸腐蚀。 2高温硫化物/环烷酸腐蚀：如果介质中存在含硫的原油，并且操作温度大于190，则可能发生高温硫化物/环烷酸腐蚀。 3高温H2S/H2腐蚀：如果介质中含H2S和H2，并且操作温度大于190，则可能发生高温高温H2S/H2腐蚀。 4硫酸腐蚀：如果介质中存在硫酸，则可能发生硫酸腐蚀。 5氢氟酸：如果介质中存在氢氟酸，则可能发生氢氟酸腐蚀。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,6酸性水：如果介质中存在含H2S和NH3的游离水，则可能发生酸性水腐蚀。 7胺：酸性气体胺处理（乙醇胺（MEA），二乙醇胺（DEA），甲基乙醇胺（MDEA）设备可能发生
8、胺腐蚀。 8高温：如果存在氧气，并且温度大于468，则可能发生高温氧化。 二、应力腐蚀 1 碱脆：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质含NaOH，则可能发生碱脆。 2 胺脆：如果材料为碳钢或低合金钢，并且设备用于酸性气体胺处理，则可能发生胺脆。 3 硫化物应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质中含有水和H2S，则可能发生硫化物应力腐蚀开裂。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,4 硫化氢环境中的氢致开裂及应力导向氢致开裂：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质中含有水和H2S，则可能发生氢致开裂及硫化氢环境中的应力导向氢致开裂。 5 氢氟酸环境中的氢致应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢
9、或低合金钢，并且介质中含有氢氟酸，则可能发生氢氟酸环境中的氢致应力腐蚀开裂。 6 氢氟酸环境中的应力导向氢致应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质中含有氢氟酸，则可能发生氢氟酸环境中的应力导向氢致应力腐蚀开裂。 7 碳酸盐应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢，并且介质为PH值大于7.5的碱性水，则可能发生碳酸盐应力腐蚀开裂。 8 连多硫酸应力腐蚀开裂：如果材料为奥氏体不锈钢或镍基合金，并且介质中含有含硫化物，则可能发生连多硫酸应力腐蚀开裂。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,9 氯化物应力腐蚀开裂：如果材料为奥氏体不锈钢，并且介质中含有氯和水（包括工艺异常和水压试验后残留在设备中
10、的水），并且温度为23.5134.7，则可能发生氯化物应力腐蚀开裂。 三、其它失效机理 1高温氢侵蚀：如果材料为碳钢或低合金钢，并且操作温度大于190.2，并且操作氢分压大于0.55MPa，则可能发生高温氢侵蚀。Nelson曲线 2炉管破坏：如果设备为用于加热液体介质的直接受火的加热器或加热炉，则可能发生炉管破坏。分别计算长期蠕变和短期蠕变。 3管道机械疲劳：如果管道曾经发生过疲劳失效，或者管道存在可以看见/听见的振动，或者在15.24米的范围内存在与管道相连的振动源，则管道可能发生机械疲劳失效。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,4 脆断 4.1 低温/低韧度脆断如果材料是碳钢或
11、低合金钢，则可能发生低温/低韧度脆断。无塑性转变温度。 4.2 回火脆如果材料为1.25Cr-0.5Mo钢或2.25Cr-0.5Mo钢或3Cr-1Mo钢，并且操作温度为329.1562.4，则可能发生回火脆。回火脆化是由钢材中的残存元素和合金元素沿晶界析出引起的。钢材中的磷和锡的含量尤为重要，其影响效果因锰和硅的存在变得更大。一般控制J系数：=(Si+Mn)(P+Sn) 104。 4.3 金属间化合物脆如果材料为高Cr（13%）铁素体钢，并且操作温度为356.9551.3，则可能发生金属间化合物脆。金属间化合物为铬磷金属间相在高温时析出的，对韧性的影响主要不是发生在运行温度下，而是发生在装置停
12、机和工艺波动时的较低温度下。 4.4 相脆如果材料为奥氏体不锈钢，并且操作温度为579.1912.4，则可能发生相脆。 相是铁和铬组成的硬质脆性金属间化合物。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,5外部破坏 5.1 外部腐蚀如果材料为碳钢或低合金钢，设备没有绝热层，并且操作温度（连续或短时）为-26.4106.9，则可能发生外部腐蚀。 5.2 层下腐蚀如果材料为碳钢或低合金钢，并且设备有绝热层，并且操作温度（连续或短时）为-26.4106.9，则可能发生层下腐蚀。 5.3 外部应力腐蚀如果材料为奥氏体不锈钢，设备没有绝热层，并且操作温度（连续或短时）为23.6134.7，则可能发生外
13、部应力腐蚀。 5.4 层下应力腐蚀如果材料为奥氏体不锈钢，并且设备有绝热层，并且操作温度（连续或短时）为23.6134.7，则可能发生层下应力腐蚀。,5.1相关性思路法根据断裂失效的强度分析思路,5.2事故树法,高压停留罐 6.55MPa , 280 ,铝酸钠水溶液 16MnR,5.2事故树法,5.3排除法,浸出槽 ，0.2MPa, 90120 ,硫酸锌、硫酸（9%）、硝酸（1%） , Q235-B,5.3排除法,浸出槽爆炸事故过程示意图,5.3排除法,经分析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
14、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； 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； 对于试车工艺：进行了排查，试车工艺对爆炸影响不大；,5.3排除法,浸出槽爆炸事故过程示意图,5.4模拟试验法,反应装置示意图(容器2中为矿粉和硫酸),5.4模拟试验法,腐蚀介质： 气相空间：湿氯气； 液相空间：盐酸； 失效现象: 锆板(尤其锆钽焊缝处)严重腐蚀,1.氯气对锆钽试样气蚀的模拟试验 试验溶液：7%盐酸溶液 溶液温度：70 试样位置：液面以下，与液面成30度角，钽板在上方，锆板在下方，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一边，出气孔位置距离试样被冲击部位不大于50mm。 试验时间：连续运行200300小时 试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过50mmX100mm,5.4模拟试验法,2.电偶腐蚀模拟试验 试验溶液：7%盐酸溶液 溶液温度：7%盐酸沸点 试样位置：液面以下，与液面成6070度角，钽板在上方，锆板在下方，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。 试验时间：连续运行200300小时 试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过50mmX100mm,5.4模拟试验法,5.4模拟试验法,Thank you,CSEI,谢 谢！,
