失效分析緒論-第1章-刪減版

1、化工設備失效分析Failure Analysis for Chemical Equipment主講教師：徐書根 by Dr. Shugen Xu過程裝備與控制工程專業(yè)限選課之過程裝備與控制工程專業(yè)限選課之內容概要（內容概要（Outline） 第第1章章 緒論緒論 第第2章章 失效分析基礎知識失效分析基礎知識 第第3章章 常見失效形式及判斷常見失效形式及判斷 第第4章章 化工設備事故調查、分析與處理化工設備事故調查、分析與處理 第第5章章 化工設備失效分析典型案例化工設備失效分析典型案例第第1章章 緒論緒論化工設備失效與失效分析化工設備失效與失效分析失效分析的意義失效分析的意義失效分析的歷史、現

2、狀和未來失效分析的歷史、現狀和未來 設備設備及其構件在使用過程中，由于應力、時間、及其構件在使用過程中，由于應力、時間、溫度和環(huán)境介質和操作失誤等因素的作用，失去其溫度和環(huán)境介質和操作失誤等因素的作用，失去其原有功能的現象時有發(fā)生。這種原有功能的現象時有發(fā)生。這種喪失其規(guī)定功能的喪失其規(guī)定功能的現象稱為失效現象稱為失效。裝備及其構件除了早期適應性運行。裝備及其構件除了早期適應性運行及晚期耗損達到設計壽命有預料中的正常失效外，及晚期耗損達到設計壽命有預料中的正常失效外，在正式運行期間，金屬裝備及其構件在何時、以何在正式運行期間，金屬裝備及其構件在何時、以何種方式發(fā)生失效是隨機事件，種方式發(fā)生失效

3、是隨機事件，暫時暫時還無法完全預料。還無法完全預料。失效分析的定義和目的 對裝備及其構件在使用過程中發(fā)生各種形式對裝備及其構件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現象的特征及規(guī)律進行分析研究，從中找出失效現象的特征及規(guī)律進行分析研究，從中找出產生失效的主要原因及預防措施，稱為失效分析產生失效的主要原因及預防措施，稱為失效分析。 其目的是明確失效類型、找出失效原因，采取改其目的是明確失效類型、找出失效原因，采取改進和預防措施，防止類似的失效在設計壽命范圍進和預防措施，防止類似的失效在設計壽命范圍內再發(fā)生，對裝備及其構件在以后的設計、選材、內再發(fā)生，對裝備及其構件在以后的設計、選材、加工及使用進行指導。加

4、工及使用進行指導。1.2 失效分析的意義失效分析的意義（1）促進科學技術的發(fā)展）促進科學技術的發(fā)展 失效分析是對事物認識的一個復雜過程，通過多學科失效分析是對事物認識的一個復雜過程，通過多學科交叉分析，找到失效的原因，不僅可以防止同樣的失效再交叉分析，找到失效的原因，不僅可以防止同樣的失效再發(fā)生，而且能更進一步完善裝備構件的功能，并促進與之發(fā)生，而且能更進一步完善裝備構件的功能，并促進與之相關的各項工作的改進。相關的各項工作的改進。在焊接結構斷裂中，船舶的脆性斷裂事故頗受人們注意。在第在焊接結構斷裂中，船舶的脆性斷裂事故頗受人們注意。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國的焊接二次世界大戰(zhàn)期間，美國的焊接

5、“自由輪自由輪”在使用過程中發(fā)生在使用過程中發(fā)生大量的破壞事故，其中大量的破壞事故，其中238238艘向完全報廢、艘向完全報廢、1919艘船沉沒艘船沉沒。船舶。船舶損壞有完全斷裂或部分斷裂兩種情況，據統(tǒng)計有損壞有完全斷裂或部分斷裂兩種情況，據統(tǒng)計有2424艘船舶脆斷艘船舶脆斷成兩半的情況。成兩半的情況。ShankShank等人對船舶的脆性斷裂事故作了詳細調查，并獲得了大等人對船舶的脆性斷裂事故作了詳細調查，并獲得了大量數據。認為造成最主要的原因是鋼的缺口敏感性。更值得注量數據。認為造成最主要的原因是鋼的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆斷是在氣溫較低的情況下發(fā)生的。當時意的是：大部分船舶

6、脆斷是在氣溫較低的情況下發(fā)生的。當時美國船舶技術標準中沒有列出對船舶鋼板的缺口敏感性和低溫美國船舶技術標準中沒有列出對船舶鋼板的缺口敏感性和低溫韌性的性能要求。韌性的性能要求。案例案例 船舶低溫脆斷船舶低溫脆斷案例案例 船舶低溫脆斷船舶低溫脆斷 碳鋼和低合金鋼有一個脆性轉變溫度，盡管這些碳鋼和低合金鋼有一個脆性轉變溫度，盡管這些鋼材在常溫下有良好的韌性，但在低于室溫的某一溫鋼材在常溫下有良好的韌性，但在低于室溫的某一溫度就會變脆度就會變脆( (對缺口極為敏感對缺口極為敏感) )。某些常用鋼材的低溫韌某些常用鋼材的低溫韌性轉變特性可以很好地解釋美國的性轉變特性可以很好地解釋美國的“自由輪自由輪”

7、、鋼制、鋼制橋梁、壓力容器、管道等在低溫下工作的脆性失效，橋梁、壓力容器、管道等在低溫下工作的脆性失效，促使研制出在低溫下有良好性能的材料。現在已制造促使研制出在低溫下有良好性能的材料?，F在已制造出在接近絕對零度的超低溫下工作的裝備和構件。出在接近絕對零度的超低溫下工作的裝備和構件。案例案例 船舶低溫脆斷船舶低溫脆斷 19 19世紀中期，鐵路運輸的出現給工作和生活帶來了方便，世紀中期，鐵路運輸的出現給工作和生活帶來了方便，但不久后頻繁出現車軸的斷裂。通過對大量斷軸失效分析和試但不久后頻繁出現車軸的斷裂。通過對大量斷軸失效分析和試驗研究工作，找到了原因：金屬構件在交變應力的作用下，即驗研究工作，

8、找到了原因：金屬構件在交變應力的作用下，即使應力遠低于金屬材料的拉伸強度，經過一定的循環(huán)積累，也使應力遠低于金屬材料的拉伸強度，經過一定的循環(huán)積累，也會發(fā)生斷裂，這就是會發(fā)生斷裂，這就是“疲勞疲勞”。此后經物理學家、冶金學家、。此后經物理學家、冶金學家、機械工程師反復、深入、系統(tǒng)的研究，使疲勞斷裂成為金屬材機械工程師反復、深入、系統(tǒng)的研究，使疲勞斷裂成為金屬材料強度學中的一個重要領域。用疲勞的機理可以解釋很多失效料強度學中的一個重要領域。用疲勞的機理可以解釋很多失效現象，研制出抗疲勞的性能良好的金屬材料、結構和成形工藝?，F象，研制出抗疲勞的性能良好的金屬材料、結構和成形工藝。案例案例 火車車軸

9、疲勞斷裂火車車軸疲勞斷裂 對材料對材料和和構件各種失效機理的認識都是通過對裝備構構件各種失效機理的認識都是通過對裝備構件發(fā)生各種失效進行分析，提高了對觀規(guī)律的認識。件發(fā)生各種失效進行分析，提高了對觀規(guī)律的認識。失效、失效、認識認識(失效分析失效分析)、提高、再失效、再認識、再提高、提高、再失效、再認識、再提高，由此促，由此促進了科學技術的發(fā)展。進了科學技術的發(fā)展。（2 ）提高裝備及其構件的質量）提高裝備及其構件的質量 裝備及其構件的質量是非常重要的，以質量求信譽，裝備及其構件的質量是非常重要的，以質量求信譽，以質量求效益，通過對裝備構件的失效分析，是提高質量以質量求效益，通過對裝備構件的失效分

10、析，是提高質量的有力措施。的有力措施。 裝備構件的質量往往是通過各種試驗檢測進行考核。裝備構件的質量往往是通過各種試驗檢測進行考核。試驗室內再好的模擬試驗也不可能做到與裝備構件服役條試驗室內再好的模擬試驗也不可能做到與裝備構件服役條件完全相同。任何一次失效都可視為在實際使用條件下對件完全相同。任何一次失效都可視為在實際使用條件下對裝備構件質量檢查所做的科學試驗，裝備構件質量檢查所做的科學試驗，失效越是意想不到的失效越是意想不到的，越能給人們意想不到的啟示，越能給人們意想不到的啟示，引導分析復雜多變的過程，引導分析復雜多變的過程及影響因素下裝備構件質量的偏差，找出被忽略的質量問及影響因素下裝備構

11、件質量的偏差，找出被忽略的質量問題。由此從設計、材料、制造等各方面進行改進，便可提題。由此從設計、材料、制造等各方面進行改進，便可提高裝備及其構件的質量。高裝備及其構件的質量。（典型的錯誤）（典型的錯誤） 從大量化工及石油化工裝置構件的失效分析總結出從大量化工及石油化工裝置構件的失效分析總結出很多的經驗，其中很多的經驗，其中“金屬材料的高質量金屬材料的高質量”是預防失效的首是預防失效的首要要求。要要求。 (a) 20世紀世紀20年代，奧氏體不銹鋼年代，奧氏體不銹鋼存在存在晶間腐蝕失效，晶間腐蝕失效，通過失效分析提出晶間腐蝕的通過失效分析提出晶間腐蝕的貧鉻理論、選擇性腐蝕理論貧鉻理論、選擇性腐蝕

12、理論及沉淀相腐蝕理論及沉淀相腐蝕理論等，為避免有害的碳化鉻在晶界沉淀，等，為避免有害的碳化鉻在晶界沉淀，降碳、加穩(wěn)定的碳化物形成元素及雜質含量低的奧氏體不降碳、加穩(wěn)定的碳化物形成元素及雜質含量低的奧氏體不銹鋼相繼問世；銹鋼相繼問世；（2 ）提高裝備及其構件的質量）提高裝備及其構件的質量不銹鋼晶間腐蝕顯微形貌不銹鋼晶間腐蝕顯微形貌晶間腐蝕晶間腐蝕晶間腐蝕的機理晶間腐蝕的機理用用“貧鉻理論貧鉻理論”解釋解釋18-8Cr-Ni奧氏體奧氏體不銹鋼晶間腐蝕示意圖不銹鋼晶間腐蝕示意圖晶間貧鉻晶間貧鉻450-850 （b）世界上石油的含硫量越來越高，壓力容器及管道大量的濕）世界上石油的含硫量越來越高，壓力容

13、器及管道大量的濕H2S應力腐蝕開裂問題應力腐蝕開裂問題引起世人的關注，通過廣泛深入的調查研究分引起世人的關注，通過廣泛深入的調查研究分析，認為碳鋼及低合金鋼在濕析，認為碳鋼及低合金鋼在濕H2S環(huán)境中的開裂問題與鋼材的強度有環(huán)境中的開裂問題與鋼材的強度有關，與材料的化學成分、顯微組織，尤其冶金質量影響有關，因此目關，與材料的化學成分、顯微組織，尤其冶金質量影響有關，因此目前世界各國在開發(fā)高純凈度及滿意顯微組織的濕前世界各國在開發(fā)高純凈度及滿意顯微組織的濕H2S環(huán)境專用鋼。環(huán)境專用鋼。（2 ）提高裝備及其構件的質量）提高裝備及其構件的質量（3）具有較高的經濟效益和社會效益）具有較高的經濟效益和社會

14、效益（a）裝備及構件失效帶來直接及間接的經濟損失，進行）裝備及構件失效帶來直接及間接的經濟損失，進行失效分析找出失效原因及防止措施，使同樣的失效不再發(fā)生，失效分析找出失效原因及防止措施，使同樣的失效不再發(fā)生，這無疑就減少了損失，帶來了經濟效益；這無疑就減少了損失，帶來了經濟效益；（尿素合成塔爆炸尿素合成塔爆炸）（b）提高裝備構件質量，使用壽命增加，維修費用降低）提高裝備構件質量，使用壽命增加，維修費用降低及高的產品質量信譽等都帶來經濟效益；及高的產品質量信譽等都帶來經濟效益；（c）失效分析能分清責任，為仲裁和執(zhí)法提供依據；失效）失效分析能分清責任，為仲裁和執(zhí)法提供依據；失效分析揭示了規(guī)章、制度

15、、法規(guī)及標準的不足，為其修改提供分析揭示了規(guī)章、制度、法規(guī)及標準的不足，為其修改提供依據。依據。（通過標準規(guī)避高壓鋼管應變時效脆化的發(fā)生）通過標準規(guī)避高壓鋼管應變時效脆化的發(fā)生）（d）科學技術是生產力，失效分析有力地推動科學技術）科學技術是生產力，失效分析有力地推動科學技術的發(fā)展，在這個方面失效分析給整個社會帶來的經濟效益和的發(fā)展，在這個方面失效分析給整個社會帶來的經濟效益和社會效益是難以估計。社會效益是難以估計。失效分析的初級階段（公元前失效分析的初級階段（公元前2025年到第一次工業(yè)革命前）年到第一次工業(yè)革命前） 巴比倫國王漢莫拉比撰寫的巴比倫國王漢莫拉比撰寫的漢莫拉比法漢莫拉比法典典是史

16、料記載的是史料記載的最早的產品質量的法律文件。它第一次在人類歷史上明確提最早的產品質量的法律文件。它第一次在人類歷史上明確提出規(guī)定對制造有缺陷產品的工匠進行嚴厲制裁。出規(guī)定對制造有缺陷產品的工匠進行嚴厲制裁。近代失效分析階段（從工業(yè)革命到近代失效分析階段（從工業(yè)革命到20世紀世紀50年代末）年代末） 鍋爐爆炸、橋梁倒塌、車軸斷裂、船舶斷裂等事故頻繁鍋爐爆炸、橋梁倒塌、車軸斷裂、船舶斷裂等事故頻繁出現，人們總結了各種失效形式及規(guī)律，促使研究帶裂紋體出現，人們總結了各種失效形式及規(guī)律，促使研究帶裂紋體力學行為的斷裂力學雛形的誕生。力學行為的斷裂力學雛形的誕生。1.3 失效分析的歷史、現狀和未來失效

17、分析的歷史、現狀和未來 失效分析的三個階段現代失效分析階段現代失效分析階段u電子顯微分析電子顯微分析使失效細節(jié)觀察成為可能，促使斷口學及痕使失效細節(jié)觀察成為可能，促使斷口學及痕跡學的完善，成為失效分析最重要的科學技術；跡學的完善，成為失效分析最重要的科學技術；u斷裂力學斷裂力學已成為研究含裂紋的工程結構件變形及裂紋擴展已成為研究含裂紋的工程結構件變形及裂紋擴展的分支學科，斷裂力學在失效分析診斷中起了重大作用，揭的分支學科，斷裂力學在失效分析診斷中起了重大作用，揭示含裂紋體的裂紋擴展規(guī)律，并推進失效預測預防工作的進示含裂紋體的裂紋擴展規(guī)律，并推進失效預測預防工作的進展；展；u失效分析集斷裂特征分

18、析、力學分析、結構分析、材料抗失效分析集斷裂特征分析、力學分析、結構分析、材料抗力分析及可靠性分析為一體，已發(fā)展成為跨學科的、綜合的力分析及可靠性分析為一體，已發(fā)展成為跨學科的、綜合的和和相對獨立的專門學科相對獨立的專門學科，不再是材料科學技術的一個附屬部，不再是材料科學技術的一個附屬部分。分。 國外工業(yè)發(fā)達國家高度重視航空裝備在內的交通安全事故的調查研究國外工業(yè)發(fā)達國家高度重視航空裝備在內的交通安全事故的調查研究工作。工作。美國美國建有國家運輸安全委員會，并早在建有國家運輸安全委員會，并早在1967年，美國成立了年，美國成立了“機械故障機械故障預防中心預防中心(MFPC)”，由原子能委員會、

19、美國國家航空和宇航局，由原子能委員會、美國國家航空和宇航局(NASA)等長等長期支持開展航空和宇航材料與結構的服役失效分析工作。期支持開展航空和宇航材料與結構的服役失效分析工作。在在德國德國，失效分析中心主要建在聯邦及州立的材料檢驗中心。原西德的，失效分析中心主要建在聯邦及州立的材料檢驗中心。原西德的11個州共建了個州共建了523個材料檢驗站，分別承擔各自富有專長的失效分析任務。個材料檢驗站，分別承擔各自富有專長的失效分析任務。工科大學的材料檢驗中心，在失效分析技術上處于領先地位。工科大學的材料檢驗中心，在失效分析技術上處于領先地位。日本日本的金屬材料技術研究部是政府的機械失效分析工程管理及運

20、作機構。的金屬材料技術研究部是政府的機械失效分析工程管理及運作機構。日本的特色是企業(yè)對失效分析特別重視，認為失效分析是質量管理的一個日本的特色是企業(yè)對失效分析特別重視，認為失效分析是質量管理的一個組成部分。組成部分。前蘇聯前蘇聯早在早在20世紀世紀40、50年代就開展了失效分析工作，并出版了一系列年代就開展了失效分析工作，并出版了一系列有關失效分析的專著，但國內曾出現的重大事故卻很少在刊物上報道，對有關失效分析的專著，但國內曾出現的重大事故卻很少在刊物上報道，對于與失效分析相關的一些問題，如材料的強度與斷裂、機械的可靠性與耐于與失效分析相關的一些問題，如材料的強度與斷裂、機械的可靠性與耐用性等則在公開刊物上討論得較詳盡。用性等則在公開刊物上討論得較詳盡。國外失效分析發(fā)展現狀國外失效分析發(fā)展現狀中國失效分析發(fā)展現狀中國失效分析發(fā)展現狀 中國的失效分析工作從中國的失效分析工作從20世紀世紀70年代進入一個新時期，無論是組織管理、年代進入一個新時期，無論是組織管理、實際的分析操作技術、理論研究及普及教育都取得了很大的進步和提高。實際的分析操作技術、理論研究及普及教育都取得了很大的進步和提高。會議方面：會議方面： 中國機械工程學會失效分析分會與理化