壓力容器安全：過程裝備的失效分析技術

過程裝備的失效分析技術

一、引言過程裝備是構成工業(yè)生產(chǎn)的關鍵

過程裝備生產(chǎn)、使用中往往會出現(xiàn)失效：

*完全失去原定功能；*能運行，失去部分功能或不能良好的執(zhí)行功能；*能運行，但損傷嚴重且可能危及安全，可靠性低常減壓裝置催化裝置汽柴油加氫精制裝置一、引言過程裝備是構成工業(yè)生產(chǎn)的關鍵過程裝備生產(chǎn)、使用中往往會出現(xiàn)失效：

*完全失去原定功能（甚至產(chǎn)生嚴重事故）；*能運行，失去部分功能或不能良好的執(zhí)行功能；*能運行，但損傷嚴重且可能危及安全，可靠性低北京某企業(yè)事故現(xiàn)場災難性事故歷史回顧2004年4月16日，重慶天原化工廠氯氣設備泄漏，導致9人失蹤死亡，十五萬名群眾被疏散，經(jīng)濟損失難以估量。在國內(nèi)外造成重大的影響，引起黨和國家領導人的高度重視。吉林石化雙苯廠苯胺工藝流程簡圖硝化反應安全監(jiān)控重點部位T101塔硝基苯進料線E102預熱器溫度趨勢吉化雙苯廠E102預熱器溫度數(shù)據(jù)和T101初餾塔硝基苯流量數(shù)據(jù)事故致因分析工人誤操作（外部原因）；管理上存在漏洞（操作規(guī)程）;控制系統(tǒng)設計缺陷 （聯(lián)鎖及防誤操作機制）;4.過程設計缺陷 （反應物料硝基苯的溫升特性)。1.化學品和化學反應致災機理2.本質(zhì)安全的過程設計3.本質(zhì)安全的控制系統(tǒng)設計4.過程運行異常工況的早期預警某化工廠聚合釜發(fā)生火災上海某石化企業(yè)火災后現(xiàn)場上海某石化企業(yè)火災后現(xiàn)場一、引言過程裝備是構成工業(yè)生產(chǎn)的關鍵過程裝備生產(chǎn)、使用中往往會出現(xiàn)失效：

*完全失去原定功能；*能運行，失去部分功能或不能良好的執(zhí)行功能；*能運行，但損傷嚴重且可能危及安全，可靠性低思考：失效和事故產(chǎn)生的原因，以及如何避免事故的再次發(fā)生。二、失效及失效分析的定義失效：××整體或部分喪失功能的現(xiàn)象稱為失效。

失效不同于故障，不同于廢品，失效與事故緊密聯(lián)系失效分析：確定是失效的模式和機理，研究失效的原因，尋求影響失效的主要因素，提出防范對策。

三、失效分析的意義

可以減少和預防同類失效事故的重復發(fā)生，減少損失；檢驗、維修工作的技術基礎；

指導過程裝備的設計、生產(chǎn)、制造，推動技術進步；失效分析可以為仲裁失效事故的責任認定等。介紹過程裝備失效、破壞以及預防的基本知識澄清一些習慣性的錯誤思維加強對工程問題的了解補充說明：*僅在此介紹鋼制設備的失效分析*由于是引導性介紹，為了便于介紹，

部分定義和闡述可能不夠嚴謹過程裝備的失效分析引論四、失效形式的分類1、常見失效形式的分類較為通用的分類方法可將失效形式分為：

過度變形失效斷裂失效表面損傷失效韌性失效脆性斷裂失效疲勞失效腐蝕失效蠕變失效密封失效

失效形式的分類按習慣分類方法本文的分類方法（1）過度變形失效（2）強度不足引起的失效（無缺陷結構）（3）斷裂（有缺陷結構）（4）高溫環(huán)境下的材料劣化、損傷（5）腐蝕（6）密封失效2.過度變形失效

過度彈性變形失效過度塑性變形失效結構沒有破壞，但是變形超限即認為失效。例：大型塔板變形（流體分布不均勻，甚至改變流場法蘭變形（影響密封處泄漏）某冶金企業(yè)氧氣管道法蘭泄漏氧氣泄漏引起火災燒毀相鄰氮氣、氬氣管道，高爐停產(chǎn)3.強度不足引起的失效（無缺陷結構）3.1強度理論簡述3.2影響強度不足的因素3.3破壞的特點3.4防止措施

3.1強度理論簡述PAP平均應力應力計算強度理論簡述σsσb材料性能和許用應力的確定強度理論簡述建立強度條件應力計算許用應力的確定建立強度條件強度理論簡述強度理論核心不考慮安全系數(shù)3.2影響強度不足的因素

載荷變化：誤操作，意外情況等材料強度變化：材質(zhì)問題、超溫、材料劣化損傷等承載截面變化：腐蝕引起的整體或局部減薄等某油田注水加熱鍋爐爐管缺水后爆破載荷引起事故案例超溫引起材料強度下降，導致失效事故案例某石化企業(yè)制氫爐管發(fā)生“飛溫”反映后，爐管超溫某化工公司尿素管道選材錯誤產(chǎn)生嚴重腐蝕某化工公司尿素管道選材錯誤產(chǎn)生嚴重腐蝕某化工公司尿素管道選材錯誤產(chǎn)生嚴重腐蝕3.3防止措施

防止超載、超溫；防止超溫，避免材料劣化強度下降；避免整體或局部腐蝕減薄；避免使用脆性材料，避免材料脆化。材料脆性和韌性的判別3.4破壞的特點（承載超過材料強度）（1）韌性破壞破壞時會發(fā)生塑性變形，使宏觀尺寸發(fā)生明顯變化。（2）脆性破壞在沒有發(fā)生塑性變形時就發(fā)生斷裂或爆炸。3.4破壞的特點（宏觀特征）有明顯的塑性變形爆破口是長縫或有分叉，但無碎片韌性斷裂的宏觀特征塑性變形量小易有碎片脆性斷裂的宏觀特征韌性斷裂的宏觀特征3.3防止措施

防止超載、超溫；防止超溫，避免材料劣化強度下降；避免整體或局部腐蝕減薄；避免使用脆性材料，避免材料脆化。材料脆性和韌性的判別韌性斷裂的宏觀特征韌性斷裂的宏觀特征脆性斷裂的宏觀特征3.4破壞的特點（斷口特征、微觀形貌）斷口特征（略）顯微形貌特征韌性斷口：一般屬于拉長韌窩型的形貌脆性斷口：解理斷裂斷口的顯微特征

韌性破壞斷口的顯微形貌特征脆性破壞斷口的顯微形貌特征4.斷裂（有缺陷結構）4.1斷裂力學簡述4.2影響結構斷裂的因素4.3破壞的特點4.4缺陷產(chǎn)生的原因4.5防止措施

4.1斷裂力學簡述

有裂紋結構無裂紋結構

應力分布均勻：

含裂紋構件的斷裂應力比無裂紋構件的破壞應力低得多？，，4.1斷裂力學簡述－斷裂判據(jù)

有裂紋結構無裂紋結構

強度理論：或KIC材料性能參數(shù)應力強度因子Stressintensityfactor形狀系數(shù)載荷因素裂紋尺寸彈性力學線彈性斷裂力學應力應變場位移變形應力強度因子由Irwin等1957年導出。Kies的縮寫，Irwin的同事。4.2影響結構斷裂的因素

載荷因素材料斷裂韌度

缺陷問題（核心問題裂紋長度或深度）

歷史回顧---災難性事故歷史回顧---災難性事故1943年一1945年，二次世界大戰(zhàn)期間，美國按照全焊接標準制造了約5000艘自由輪，約有1000艘發(fā)生了致命的破壞或破損，238艘完全破壞（其中大約有l(wèi)00艘的破壞是在平靜的海面上發(fā)生），并且?guī)缀跏峭蝗粩喑蓛山?。某化工氯氣管道焊縫斷裂事故800多人次送醫(yī)院搶救4.3破壞的特點(裂紋擴展、斷裂)（1）往往是低應力破壞（斷裂應力小于材料許用應力）；（2）脆性材料多為脆性破壞；（3）韌性材料即可能產(chǎn)生韌性破壞也可能為脆性斷裂；（4）往往裂紋擴展速度快，后果嚴重。（5）破壞形式：斷裂或泄漏。

4.4防護措施（1）加強質(zhì)量管理，避免缺陷存在（2）加強監(jiān)控，避免缺陷擴展和破壞（3）避免使用脆性材料。

缺陷是核心

4.5缺陷產(chǎn)生的原因（1）原始制造缺陷（死缺陷）

焊接缺陷：裂紋、未焊透、未熔合等制造缺陷：摺疊裂紋、劃痕等（2）使用中產(chǎn)生裂紋（活缺陷）

疲勞、應力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕等

12Cr1MoV大口徑管電焊焊接接頭，焊縫根部裂縫，焊縫中夾渣。12CrMo大口徑管電焊焊接接頭，焊縫根部嚴重未焊透、裂縫和夾渣。碳鋼電焊焊接接頭，焊縫根部嚴重未焊透和裂縫。12CrMo大口徑管電焊焊接接頭，焊縫根部嚴重未焊透和層間未焊透。12CrMo大口徑管電焊焊接接頭，焊縫中層間未焊透。影響管道安全的危險因素分析焊接質(zhì)量51.4％其中焊接缺陷所占比例約88.6％腐蝕減薄16.2％材料18.94％設計、結構缺陷等14％腐蝕28.1％蠕變28.8％其它14％疲勞29.1％國內(nèi)某石化企業(yè)管道事故統(tǒng)計情況國外管道事故統(tǒng)計情況

4.5缺陷產(chǎn)生的原因（1）原始制造缺陷（死缺陷）

焊接缺陷：裂紋、未焊透、未熔合等制造缺陷：摺疊裂紋、劃痕等（2）使用中產(chǎn)生裂紋（活缺陷）

疲勞、應力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕等

疲勞失效簡單的說：由交變載荷引起的疲勞開裂及疲勞斷裂失效。一、定義在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結構變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。疲勞失效二、特點

1.只有在擾動應力（交變載荷，如溫度和壓力變化）作用下，才會發(fā)生。

2.破壞起源于高應力、高應變局部（多在焊縫等表面）、有原始缺陷部位。

3.疲勞損傷的結果是形成裂紋。裂紋萌生－擴展－斷裂三個階段。

4.破壞的基本形式有斷裂和泄漏兩種。裂紋萌生裂紋擴展疲勞裂紋塑性鈍化擴展模型疲勞失效的斷口特征箭頭萌生區(qū)A疲勞擴展區(qū)B瞬斷區(qū)C剪切唇區(qū)三、斷口特征宏觀特征：斷口比較平齊光整；斷口上有明顯的分區(qū)。三個區(qū)域：萌生區(qū)或原始缺陷區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。每一循環(huán)就在斷口上留下一條輝紋，因此從輝紋間測得的間距大體可以計算出疲勞擴展速率。

疲勞失效掃描電鏡中觀察到的幾種典型的“海灘狀”疲勞輝紋四、疲勞斷裂失效的預防

(1)選用合適的抗疲勞材料(2)設計時進行疲勞分析(3)加強制造和在役檢驗(4)預壓應力處理(5)避免出現(xiàn)應力集中和高應變區(qū)(6)過載處理五、疲勞失效案例航煤脫硫醇反應器導壓管疲勞失效案例

材料：0Cr18Ni9Ti五、疲勞失效案例航煤脫硫醇反應器導壓管疲勞失效案例

裂紋金相檢驗顯示形貌

五、疲勞失效案例航煤脫硫醇反應器導壓管疲勞失效案例

應力腐蝕應力腐蝕一、概念

受應力的材料在特定環(huán)境下產(chǎn)生滯后開裂，甚至發(fā)生滯后斷裂的現(xiàn)象稱為應力腐蝕開裂，簡記SCC（StressCorrosionCracking）二、分類

應力腐蝕按機理可分為氫致開裂型和陽極溶解型兩類。⑴氫致開裂型：如果陽極金屬溶解（腐蝕）所對應的陰極過程是析氫反應，即H++e→H，而且原子氫能擴散進入試樣并控制了裂紋的形核和擴展。

二、分類

⑵陽極溶解型：如果應力腐蝕體系中陽極溶解所對應的陰極過程是吸氧反應，即2H2O+O2+4e→4OH-

或者雖然陰極是析氫反應，但進入試樣的H不足以引起氫致開裂，這時應力腐蝕裂紋形核和擴展就由金屬的陽極溶解過程控制，稱為陽極溶解型應力腐蝕。應力腐蝕

三、特點

對每一種金屬或合金，只有在特定介質(zhì)中，拉應力作用下，才能發(fā)生應力腐蝕。應力腐蝕

四、應力腐蝕顯微形貌

裂紋宏觀上具有多源、分叉、宏觀總體走向與最大主應力基本相垂直等三大特征。穿晶型應力腐蝕裂紋金相與斷口五、應力腐蝕失效典型案例18-8奧氏體不銹鋼在Cl-環(huán)境中的應力腐蝕。上海某化工企業(yè)1Cr18Ni9Ti材料的Cl-應力腐蝕案例上海某化工企業(yè)1Cr18Ni9Ti材料的Cl-應力腐蝕案例

盤管內(nèi)部介質(zhì)為裂解氣，外部介質(zhì)為水蒸汽和水。高溫裂解氣（進口溫度760℃）進入盤管后，與盤管外部介質(zhì)熱交換后，以170℃的裂解氣排出設備。盤管材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，不銹鋼盤管間采用焊接方式連接。按技術要求，焊縫應采用氬弧焊封底全焊透工藝，且每條焊縫均進行100%X射線探傷（II級合格）。

使用1個月即發(fā)生多處泄漏上海某化工企業(yè)1Cr18Ni9Ti材料的管道Cl-應力腐蝕案例

典型應力腐蝕的特征能譜檢查發(fā)現(xiàn)，斷口上有Cl-

原因：制造商在水壓試驗沒有按照規(guī)定控制Cl-含量

Cl-規(guī)定要求：Cl-<5ppm

碳鋼和低合金鋼

濕硫化氫的應力腐蝕和氫損傷無水液氨對碳鋼和低合金鋼的應力腐蝕硝脆：含硝酸根或其他氮氧化物介質(zhì)環(huán)境中，鋼材的應力腐蝕開裂。堿脆：

低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的應力腐蝕。其它常見的應力腐蝕情況：連接螺栓斷裂失效不銹鋼螺栓的失效

晶間腐蝕失效

晶間腐蝕就是指沿晶界發(fā)生的腐蝕，包括晶界及其附近很窄的區(qū)域在內(nèi)的區(qū)間發(fā)生的腐蝕。20世紀30年代初提出了能較好解釋奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的晶界貧化理論。晶間腐蝕失效18－8奧氏體不銹鋼形成敏化晶界區(qū)和晶間腐蝕的原理（a）敏化晶界區(qū)形成貧鉻區(qū)；（b）晶界區(qū)的腐蝕過程

常見的奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕主要發(fā)生在焊接區(qū)，特別是母材的焊接熱影響區(qū)，因為母材部分在軋制成板材或管材出廠之前已進行過固溶化處理與敏化效應。

減少焊縫發(fā)生晶間腐蝕的主要方法是采用含碳量很低的母材焊條焊絲（C≤0.08低碳,C≤0.03超低碳）同時含有更能快速形成碳化物的鈮、鈦元素，以防止形成Cr23C6。穩(wěn)定化處理是將奧氏體不銹鋼加熱至900℃讓鈦或鈮首先與碳形成碳化物，于是就沒有可能再在晶界析出碳化鉻和出現(xiàn)貧鉻區(qū)。5、高溫環(huán)境下的材料劣化、損傷

蠕變珠光體球化和碳化物聚集石墨化材料熱脆性5.1蠕變材料在高溫下持續(xù)長時期受載，會產(chǎn)生非常緩慢的永久變形。這種變形的積累將會導致宏觀的永久變形，從而出現(xiàn)蠕變斷裂或松弛。發(fā)生蠕變的起始溫度隨金屬材料而異。低碳鋼為370℃，奧氏體鐵基高溫合金為540℃，鎳基和鈷基高溫合金為650℃。蠕變破壞的特征材料：Incoloy800H溫度：800℃

蠕變破壞案例蠕變破壞案例蠕變破壞案例某鍋爐由于12CrMo過熱器管長時過熱而破裂，破口粗鈍，呈脆性斷裂。破口附近材料強度急劇下降，σs=272~274

MPa，σb=366~382MPa，HB111~HB112。破口邊緣組織為鐵素體和分布于晶內(nèi)、晶界的碳化物，晶界存在蠕變裂紋。蠕變破壞的預防(1)設計時根據(jù)使用溫度選用合適的材料，并按該材料在使用溫度和需要的使用壽命下的蠕變極限選取許用應力(2)安裝過程中防止材料混用，嚴格執(zhí)行焊接工藝和熱處理措施。(3)管系的布置和結構必須合理。(4)操作過程中防止超溫超壓，避免局部過熱導致蠕變破壞。(5)按規(guī)定進行定期檢驗。(6)壽命概念。5.2珠光體球化和碳化物聚集鋼中的滲碳體或碳化物在高溫下長期運行，逐漸改變自己的形狀而稱為球狀的現(xiàn)象。由片狀－球狀，由小球－大球球化使得材料強度、韌性、蠕變極限下降。預防措施

單獨由球化產(chǎn)生的事故是比較少的，主要是球化伴隨其它形式的破壞一起發(fā)生。合理選材。避免超溫。某鍋爐由于爐膛火焰中心偏斜，致使局部20鋼過熱器管長時過熱而爆破。球化失效案例破口邊緣組織為鐵素體和沿晶界分布的顆粒狀碳化物，由于長時過熱，已發(fā)生明顯的球化現(xiàn)象。球化失效案例5.2石墨化鋼中的滲碳體分解成游離碳并以石墨形式析出，在鋼中形成石墨“夾雜”現(xiàn)象。球化使得材料強度、韌性、蠕變極限下降（性能下降比球化嚴重。20鋼過熱器管在450℃運行10萬小時后出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。組織為團絮狀石墨、鐵素體和彌散分布的碳化物。石墨球的高倍形貌，其中白色小塊為鐵素體。5.3熱脆性鋼在某一溫度下（如400～500℃

）長期高溫加熱后會產(chǎn)生沖擊沖擊韌性顯著下降的現(xiàn)象。即材料變脆。容易產(chǎn)生脆性破壞。R251再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)斷裂的失效分析

溫度:550℃壓力:0.92MPa內(nèi)網(wǎng)材料:316介質(zhì):催化劑、氫氣原因：材料高溫運行后出現(xiàn)了嚴重的脆化現(xiàn)象，同時由于拼接處網(wǎng)絲的允許變形量較小，在運行出現(xiàn)局部超溫后，引起網(wǎng)絲斷裂。

R251再生器約翰遜內(nèi)網(wǎng)斷裂的失效分析6腐蝕一、按腐蝕機理分類：

-化學腐蝕

-電化學腐蝕

-物理腐蝕。二、按破壞形式分類：

-全面腐蝕（均勻腐蝕）

-局部腐蝕6腐蝕局部腐蝕又分為：

-孔蝕（點蝕）

-沖蝕

-晶間腐蝕

-應力腐蝕

-電偶腐蝕

-縫隙腐蝕等等……案例介紹－1煤氣管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－1煤氣管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－1煤氣管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－1煤氣管道腐蝕穿孔失效案例原因：煤氣含有水，CO2。形成碳酸腐蝕。案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例原因：低溫管道外表面出現(xiàn)冷凝水，并在保溫上聚集，經(jīng)過長時間周期后，出現(xiàn)腐蝕。案例介紹－3裂解爐管高溫硫腐蝕穿孔失效案例材料為HP高Cr-Ni焊條焊接內(nèi)部介質(zhì)為石腦油爐管外壁溫度1100℃爐管內(nèi)壁700℃。

案例介紹－2無水氨管道腐蝕穿孔失效案例

原因：高溫硫腐蝕造成的。焊縫合金中含Ni量偏高（卻又不足50～60％），含Cr量偏低（不足25％），形成了低熔點的Ni-S共晶物，使得焊縫出現(xiàn)液相，使得腐蝕速度加劇。7.密封的失效

密封失效不屬于基本失效形式。它涉及到密封結構系統(tǒng)（如法蘭、墊片、緊固螺栓）中每個構件的自身失效行為，最終反映出泄漏失效。

7.密封的失效（墊片密封）

法蘭、墊片及緊固螺栓三者構成一個密封系統(tǒng)。一對法蘭的接觸面上總是存在粗糙度的，不用墊片而僅靠螺栓夾緊實際是做不到密封不漏的。墊片密封的失效主要是泄漏。

沒有絕對的“零泄漏”，工程上只能采用“允許泄漏率”來要求和衡量密封結構能有效滿足設計或生產(chǎn)所要求的允許的泄漏率。