失效分析案例

风 电 塔 架 的 失 效 分 析 失 效 分 析 思 路 调 查 收 集 背 景 资 料 试 样 检 验 分 析 ： 材 料 的 化 学 成 分 ， 金 相 组 织 ， 力 学 性 能 等 深 入 分 析 ： 断 口 的 宏 观 及 微 观 形 貌 分 析 ， 无 损 探 伤 检 查 等 综 合 分 析 归 纳 ， 确 定 失 效 原 因 结 论 改 进 措 施 目 录3 改 进 措 施2 失 效 分 析1 概 况 Contents 1、 概 况 某 风 场 某 机 组 的 塔 架 ， 于 2006年 建 成 ， 2007年 二 月 投 入 运行 ， 该 塔 架 为 锥 形 圆 筒 型 塔 身 ， 总 高 47300mm， 塔 架 由 上 下 塔身 组 成 ， 上 段 塔 身 高 25300mm， 下 段 塔 身 高 22000mm， 两 塔 身由 内 置 法 兰 组 对 。 塔 架 下 部 最 大 直 径 为 3200mm， 整 个 塔 身 分 为 22个 筒 节 ，筒 节 壁 厚 随 高 度 增 加 而 变 小 ， 下 部 筒 节 壁 厚 26mm为 最 大 ， 上 部筒 节 最 小 壁 厚 为 10mm， 筒 节 由 Q345C材 料 制 成 ， 外 形 见 下 页 图1。 图 1 失 效 的 风 电 塔 架经 过 近 三 年 的 运 行 该 塔 于 2010年 1月 塔 身 的 第 17道 环 焊 缝 （ 自 上而 下 ） 发 生 开 裂 。 经 宏 观 观 察 ， 裂 纹 长 2500mm， 最 大 张 开 处 张开 50mm（ 图 2） 。 随 后 进 行 抢 修 及 失 效 分 析 。 图 2 环 焊 缝 17#的 开 裂 2、 失 效 分 析2.1材 料 特 性2.2断 口 形 貌 宏 观 形 貌 分 析 微 观 形 貌 分 析2.3结 果 分 析 及 结 论 2.1 材 料 特 性1、 材 料 的 微 观 组 织 材 料 显 微 组 织 为 正 常 的 带 状 珠 光 体 和 等 轴 细 小 铁 素 体 。 2、 材 料 的 机 械 性 能 由 于 材 料 有 明 显 的 带 状 珠 光 体 ， 为 检 测 不 同 位 向 的 性 能 ， 分 别测 试 了 材 料 的 纵 向 和 横 向 母 材 和 焊 接 接 头 的 常 温 拉 伸 性 能 及 焊 接 接 头的 冲 击 性 能 （ 表 1） 。 2.2 断 口 形 貌 失 效 风 电 塔 架 的 塔 筒 内 部 裂 纹 宏 观 形 貌 ： 裂 纹 的 早 期 扩 展 阶 段 ， 裂 纹 扩 展 平 稳 ， 属 于 慢 应 变 速 率 条 件 下 的 宏观 脆 性 断 裂 。 （ 图 4上 ） 裂 纹 扩 展 的 末 期 （ 即 裂 纹 末 端 ） ， 裂 纹 起 伏 台 阶 特 征 明 显 ， 表 明 裂纹 扩 展 进 入 复 杂 应 力 区 ， 但 尚 未 进 入 失 稳 快 速 扩 展 阶 段 。 （ 图 4下 ）图 4 塔 筒 内 部 裂 纹 宏 观 形 貌 照 片 1、 宏 观 形 貌 分 析 在 裂 纹 近 中 段 发 现 一 处 调 整 台 阶 ， 即 裂 纹 源 ， 也 是 重 点 取 样 与 分 析部 位 （ 虚 线 框 所 围 区 域 ） 。图 5 塔 筒 外 部 裂 纹 宏 观 形 貌 照 片 1、 宏 观 形 貌 分 析 裂 纹 源 是 一 个 近 表 面 的 焊 接缺 陷 ， 随 后 疲 劳 扩 展 ， 断 口上 的 海 滩 花 样 是 疲 劳 扩 展 的依 据 ， 扩 展 区 断 口 上 的 剪 切唇 是 塑 性 断 裂 的 基 本 特 征 形貌 。 扩 展 区 可 见 一 些 焊 接 缺 陷（ 气 孔 等 ） ， 但 没 有 发 现 脆性 解 理 断 裂 的 形 貌 特 征 。 整 个 断 口 在 后 期 的 工 作 条 件下 断 口 持 续 张 合 ， 导 致 形 貌被 破 坏 ， 呈 现 出 挤 压 的 宏 观断 口 形 貌 特 征 。 图 6 断 口 宏 观 形 貌 1、 宏 观 形 貌 分 析 2、 微 观 形 貌 分 析 （ 1） 断 口 的 金 相 分 析 经 微 观 分 析 发 现 ， 裂 纹 由 处 于 外壁 的 裂 纹 源 开 裂 ， 穿 过 焊 缝 达 内壁 抢 修 焊 缝 熔 池 边 缘 （ 图 7） 。 断 口 的 近 表 面 层 发 现 存 在 40-50m深 的 全 屈 服 变 形 层 变 形 层 与 基 体 交 界 面 部 分 出 现 平 直 细 小 的类 似 解 理 裂 纹 。图 7 裂 纹 微 观 形 貌 照 片 （ 2） 断 口 的 扫 描 电 镜 分 析2、 微 观 形 貌 分 析图 8 金 相 试 样 的 扫 描 电 镜 照 片 失 效 主 裂 纹 在 焊 缝 的 一 侧 （ 图8） ， 金 相 裂 纹 两 边 存 在 一 个 约 40-50m的 变 形 组 织 ， 变 形 层 下 有 显 微开 裂 ， 这 些 开 裂 与 多 次 反 复 挤 压 变形 有 关 。抢 修 焊 缝 由 金 相 试 样 的 高 倍 扫 描 电 镜 照 片 （ 图 9） ， 可 见 金 相 试 样 上 的脆 性 裂 纹 是 断 口 变 形 层 下 的 开 裂 。图 9 金 相 试 样 的 高 倍 扫 描 电 镜 照 片熔 合 线 2、 微 观 形 貌 分 析 图 10 裂 纹 源 扫 描 电 镜 照 片 开 裂 起 始 于 一 个 深 约 2mm的 焊 接缺 陷 。 断 口 对 表 面 因 后 期 的 持 续碰 撞 挤 压 ， 使 断 口 表 面 出 现 一 定深 度 的 挤 压 变 形 层 ， 因 此 实 际 断口 以 滑 移 形 貌 为 主 。 未 发 现 脆 性 解 理 断 裂 的 形 貌 特 征 。 塔 架 用 钢 的 材 料 组 织 状 态 正 常 ， 母 材 常 温 拉 伸 与 低 温 冲 击 试 验 结 果表 明 ， 材 料 的 塑 性 储 备 良 好 ， 在 -40 以 上 没 有 出 现 冷 脆 开 裂 的 现象 及 风 险 。 根 据 宏 观 分 析 和 微 观 分 析 找 到 了 塔 架 焊 缝 开 裂 的 裂 纹 源 近 表 面的 、 深 约 2mm的 焊 接 缺 陷 。 裂 纹 以 疲 劳 方 式 发 展 ， 呈 现 宏 观 脆 性 断 裂 。 开 裂 后 断 口 的 持 续 反 复 碰 撞 挤 压 ， 使 断 口 近 表 面 处 出 现 深 约 40-50m的 变 形 层 ， 并 在 变 形 层 与 基 体 的 过 渡 区 产 生 显 微 裂 纹 ， 这 种裂 纹 类 似 于 磨 损 疲 劳 的 裂 纹 。2.3 结 果 分 析 因 此 可 以 认 为 该 风 力 发 电 塔 架 筒 体 焊 缝 开 裂 是 由 于 焊 缝 近 表 面 存 在 一个 约 2mm深 的 焊 接 缺 陷 ， 在 工 作 载 荷 的 作 用 下 ， 由 此 启 裂 并 发 生 疲 劳 开 裂 破坏 。 3、 改 进 措 施 通 过 一 定 措 施 提 高 焊 缝 质 量 ， 如 材 料 的 选 择 ， 焊 接 工 艺 等 。 焊 接 完 成 后 对 焊 缝 及 周 围 热 影 响 区 进 行 无 损 检 测 ： X射 线 ， 超声 波 。 定 期 检 查 塔 架 ， 及 时 发 现 问 题 ， 解 决 问 题 。