化工机械的失效形式

一、化工机械的失效形式,43 疲劳断口的显微特征疲劳断口的萌生区和疲劳扩展区，在电镜中放大至千倍(以致上万倍)时可以观察到的主要特征是“海滩状”的“疲劳辉纹”。图35151所示的4幅扫描电镜照片为疲劳断口中很典型的具有海滩状花样的疲劳辉纹。其形成机理和图35142所描述的原理一样，每一次载荷的交变便使裂纹向前扩展一个a的微量，这在断口上就留下一个微小裂纹前缘发生过塑性变形的痕迹。,一、化工机械的失效形式,不是所有金属材料的电子显微疲劳断口都有清晰整齐的海滩状辉纹。一般是铝合金和镍合金的疲劳辉纹十分清晰整齐；奥氏体不锈钢疲劳断口的疲劳辉纹也较清晰；而低合金钢，特别是强度较高的低合金钢这类铁素体和珠光体类钢的辉纹往往很不清晰，这反映了晶体学结构的不同所造成的断口细观形貌的差别。有时甚至只在局部微区观察到“轮胎状”的花样，如图35151(d)所示，这也是疲劳辉纹。这往往是由于断口上的较硬质点在每次循环时又有切向位移而留下的压痕。,一、化工机械的失效形式,从图35142所示的疲劳裂纹扩展机理可知这种扩展是基于裂尖的塑性变形，属于韧性的扩展，因而通常是以穿晶方式扩展的。当疲劳裂纹扩展通过晶界而进入另一个晶粒时同样也会以穿晶方式扩展，其断裂面从宏观上看基本上与最大拉伸主应力相垂直。,一、化工机械的失效形式,由于金属为多晶体结构，在裂纹疲劳扩展过程中一般会受到晶粒结晶方位的取向、晶界及晶粒中第二相质点等因素的影响，断口上的疲劳辉纹(亦即疲劳条带)不一定处在一个完整的平面上。如图35152所示，在不同高度的扩展台面之间不可避免地会出现台阶，这种台阶称之为疲劳斑片。在疲劳扩展过程中有时还会形成“二次裂纹”，这是裂纹生成的次生方向的小裂纹，在扫描电镜中观察疲劳断口时有时会观察到这种斑片和台阶。,一、化工机械的失效形式,一、化工机械的失效形式,进行疲劳断口鉴别时寻找疲劳辉纹(条带)是重要的依据，但应与一些高韧性钢的平行的滑移线相区别。不仅要依靠电子显微镜观察，同时应注重疲劳断口宏观特征分析，还要结合是否有交变载荷源存在，包括压力或其他来源的载荷的交变，也包括热载荷(温差)的交变。只有当各方向的分析结果综合起来才能得出正确的结论。,一、化工机械的失效形式,需要说明的是，宏观上观察到断口上的“贝壳纹”不是电镜中的海滩状的疲劳辉纹，但两者有密切联系。宏观上的贝壳纹是交变载荷的应力幅值有明显变化时造成每次交变循环的扩展量变大或变小，因此贝壳纹处和两条贝壳纹之间区域放大后观察到的疲劳辉纹的密度会有较明显的区别。可以说只有在变载荷时才会形成宏观上的贝壳纹。,一、化工机械的失效形式,实际上由于每一循环就在断口上留下一条辉纹，因此可以从辉纹间测得的间距大体可以计算出疲劳扩展速率(da/dN)。疲劳裂纹萌生区的扩展速率极低，有时放大到上万倍时才可看到，也可能仍旧观察不到。,一、化工机械的失效形式,44 疲劳断裂失效的预防441 一般预防原则 预防疲劳失效(不论高周疲劳或低周疲劳)发生的一般原则是降低应力水平和减小应力集中。 应力水平主要是构件中的公称(名义)应力。该应力愈高则应力集中处的应力峰值也随之愈高，对疲劳失效自然不利。但不可能为追求低应力而将构件设计得厚而粗笨，只能控制在合理的水平。在按疲劳设计的S-N曲线设计时不要过于追求较高的应力以求得薄与轻。抗高周疲劳的零部件，由于应力幅低，可以采用较高强度和较高疲劳持久极限的材料。,一、化工机械的失效形式,减小构件的应力集中，实际上涉及结构设计、加工制造和原材料的冶金或轧制质量诸多方面。结构设计时应在结构尺寸有突变之处，如轴颈及台阶处，尽量设计有较大过渡圆弧的圆角。制造时特别对高周疲劳的构件必须注意表面加工的光洁度，轴类零件的加工刀痕常常是疲劳裂纹的萌生之处。材料的内在质量如冶金时的夹渣、粗大的二次析出相、轧制材料的折叠缺陷都容易是疲劳裂纹的萌生之处。因此，按抗疲劳设计的零部件应采用质量优良的原材料。,一、化工机械的失效形式,442 压力容器低周疲劳失效的预防措施 (1)选用合适的抗疲劳材料 材料的低周疲劳破坏试验证实，低碳钢与碳锰钢等强度级别不高而塑性韧性较好的钢，具有较好的抗低周疲劳失效的能力。因此，用这类钢材制造容器、接管或作为接管根部的焊接材料较为合理。,一、化工机械的失效形式,(2)按分析设计规范进行设计 通常没有疲劳失效可能的容器是按一次应力进行设计的。如果有交变载荷(压力或温度的交变)可能会导致容器某些区域发生低周疲劳失效的，则必须按以应力分析为基础的规范进行疲劳分析。其具体规定应参见美国ASME的锅炉压力容器规范第卷第二册或我国压力容器分析设计规范JB 4732。按这些规范进行设计要复杂得多，需要相应的计算机软件支持，但设计出的容器其可靠性要高得多。,一、化工机械的失效形式,设计中不单是应力分析是按疲劳设计曲线设计，还必须同时注意结构的抗疲劳性能，既要有最佳的低的应力集中系数，又要制造时力求方便(详见本手册上卷第11篇第9章)。,一、化工机械的失效形式,(3)制造和在役检验中应注意的问题 按疲劳设计规范设计的压力容器，在制造中也应有更高的要求。原则是消除不应有的应力集中。特别是在原有应力集中的部位不得有材料内部及表面的缺陷，不得允许保留引弧坑和焊疤，一经发现必须打磨盘平滑或补焊填平后再修磨。接管根部的焊缝不仅要保证有较大的过渡圆角，而且要力求将圆角的表面修磨光滑。至于焊缝内更不允许有裂纹、未焊透及未熔合缺陷。即使气孔也会降低疲劳寿命。制造时必须作过细而严格的无损检测。为确保无损检测可靠性，一般不应将关键的焊缝设计成角焊缝，应改为对接焊缝，这既可保证焊接质量，也便于进行无损检测。,一、化工机械的失效形式,对在役的受交变载荷作用的压力容器，无论其是否已按疲劳设计规范设计，均必须按有关的检验规程进行严格的定期检验。其中焊缝，尤其是接管根部或其他内外部受交变载荷作用的应力集中部位，应进行严格的检验，包括外观的检验和各种适宜的无损检测，其目的是检查是否出现裂纹。一经发现必须认真处理。,一、化工机械的失效形式,(4)预压应力处理 对承受交变载荷的构件表面(最容易形成表面疲劳裂纹的地方)预先施加压应力(如喷丸处理或表面滚压)，运行时零部件表面所承受的应力就会明显下降，同时将增加疲劳周次，也即提高了疲劳寿命。,一、化工机械的失效形式,(5)过载处理 对承受交变载荷的构件、且已发现有疲劳开裂时，可以采取比正常设计载荷高出1320倍的戴荷进行一次过载(超载)处理，所有国内外的试验均已证实这可以将疲劳寿命提高好几倍。因为，在作过载处理时裂尖将产生一个比正常受载时更大的塑性区，卸载后将受到比正常受载荷卸载时更大的压缩虚力。一次超载后重又回复到正常加载，此时裂尖塑性区内的应力由于超载压应力的作用而要降低得多，从而大大降低了裂纹扩展推动力，致使扩展速率减慢，寿命可得到延长。只有当裂纹扩展到裂尖塑性区(正常载荷下的)的边缘达到或稍微超过超载时形成的大塑性区的边缘时，超载的影响才会消失，恢复到超载前应有扩展速率。但此时寿命已得到数倍的延长。这就是过载峰的延长寿命作用。,一、化工机械的失效形式,超载处理技术早期是由航空工业部门研究的，后经实践证明超载可以明显的延长寿命，故直到现在已成为航空部门对飞机必须进行超载处理的规定。 对于已经发现有小的疲劳裂纹的容器进行超载试验，同样证明，可以数以倍计地增长寿命。超载只是使裂尖塑性区变大，不会使构件的其他部位产生屈服和材料硬化，所以对其他部位没有不利影响。,一、化工机械的失效形式,5 腐蚀失效 环境因素的广义概念应包括化学介质和温度两个方面。本节着重讨论化工设备所处的介质环境引起的腐蚀问题。有关金属材料的各种腐蚀原理和形态可详见本手册上卷第6篇，本节着重阐明腐蚀失效的特殊性。,一、化工机械的失效形式,结构上常用的金属材料均属多晶结构材料，晶粒间总存在着晶界。晶间腐蚀就是指晶界发生的腐蚀，包括晶界及其附近很窄的区域在内的区间发生的腐蚀。当腐蚀介质对晶界区的腐蚀速度大大超过晶粒被腐蚀的速度时，则显现出晶间腐蚀。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,对晶间腐蚀问题的认识是随着奥氏体不锈钢的广泛应用和日益增多的这类腐蚀失效事故的发生而逐步发展的。20世纪30年代初已提出了能较好解释奥氏体不锈钢晶间腐蚀的晶界贫铬理论，至今仍为人们所认可。用于其他金属的类似理论也能较好地解释各自的晶间腐蚀问题。这类理论统称为贫乏理论。不过贫乏理论不是能解释所有晶间腐蚀问题的惟一理论。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,常见的奥氏体不锈钢的晶间腐蚀主要发生在焊接区，特别是母材的焊接热影响区宏观形态上表现为母材情况良好。因为，母材部分在轧制成板材出厂之前已进行过固溶化处理，即从1000以上快速冷却，迅速越过850400碳化物(主要是Cr23C6)析出的敏感温度区间，晶界附近一般不可能再出现导致晶间腐蚀的贫铬区。但焊缝附近母材热影响区在焊接时不可能作固溶化处理，在其焊后缓慢冷却过程中本来被固溶的且呈过饱和状态的碳及碳化物，则有足够的时间在850400的敏化温度区间析出并向晶界迁移，从而在晶界附近则会出现贫铬区，于是有了产生晶间腐蚀的组织条件。减少焊缝发生晶间腐蚀情况的主要方法是采用含碳量很低的焊条焊丝，同时含有更能快速形成碳化物的铌、钛元素，以防止形成Cr23C6。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,减小奥氏体不锈钢材料晶间腐蚀倾向的方法，过去主要依靠冶金时添加钛元素，使碳更优先与钛形成碳化钛，而减少碳与铬转变为碳化铬的机会。这就是过去习惯使用1Crl8Ni9Ti的原因。后来改用304和304L等不锈钢的原因。首先是尽可能降低钢中的碳含量，力求得到低碳甚至超低碳的奥氏体不锈钢。其次还可再添加铌和钛等更易形成碳化物的元素，于是出现了 321（即0Cr18Ni11Ti）等低碳含钛的奥氏体不锈钢。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,除上述固溶化处理可以大大改善晶间腐蚀倾向外，添加钛和铌的不锈钢还可用稳定化热处理来降低晶间腐蚀倾向。稳定化处理是将奥氏体不锈钢加热至900 让钛或铌首先与碳形成碳化物，于是就没有可能再在晶界析出碳化铬和出现贫铬区。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,511 晶间腐蚀的金相检验 以奥氏体不锈钢为例，发生晶间腐蚀是由于在400850 的敏化温度范围内缓慢冷却时，在晶界析出Cr23C6碳化物相之后出现贫铬区，使晶界区的抗腐蚀能力明显下降。贫铬区的情况如图35153(a)所示，图(b)表示两个晶粒之间的晶界截面上，在介质作用下由表面向内被腐蚀的发展过程。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,经过一段时间之后，沿壁厚方向被腐蚀的晶界变化情况如图35154(b)所示。经固溶化热处理的奥氏体不锈钢的金相特征是晶界很细微，几乎找不到晶界上的析出（相，而晶粒内也几乎找不到沉淀析出相，比较光洁见图35153(a)。,51 晶间腐蚀失效,一、化工机械的失效形式,在图(a)中被腐蚀的晶间上布满了腐蚀物。越接近表面，晶界的腐蚀物越多，晶界显得越粗。深度愈深时晶界逐步变细，直到晶界情况正常处便可显示和测得被晶间腐蚀的深度。发生晶间腐蚀后的剖面金相如图35155所示。,51 晶间腐蚀失效,5.1 晶间腐蚀,金属材料的应力腐蚀是在材质、介质和应力(主要是拉应力)三个因素的共同作用和耦合下才会发生。应力腐蚀的表现形态主要是形成不断扩展的裂纹，这是一种在应力作用下的局部腐蚀。,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (1)宏观形貌 用肉眼或借助放大镜观察这类裂纹，发现应力腐蚀裂纹宏观上具有多源、分叉、宏观总体走向与最大主应力基本相垂直等三大特征。,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (1)宏观形貌 用肉眼或借助放大镜观察这类裂纹，发现应力腐蚀裂纹宏观上具有多源、分叉、宏观总体走向与最大主应力基本相垂直等三大特征。,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (2)显微形貌 用金相显微镜或扫描电镜观察时，可以发现腐蚀扩展的途径(路径)有穿晶扩展，沿晶扩展和混合型(即既有穿晶同时又有沿晶扩展)三种类型。,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (2)显微形貌,当应力腐蚀的裂纹中被某些膜状腐蚀物覆盖时，则在扫描电镜中往往显示为泥状花样的断口。这是断口上覆盖的脆性膜状腐蚀物发生龟裂后的特殊形貌。泥状花样无法说明裂纹的扩展途径,5.2 应力腐蚀,521 应力腐蚀裂纹的形貌特征 (2)显微形貌,5.2 应力腐蚀,52，2 奥氏体不锈钢的应力腐蚀 奥氏体不锈钢在许多介质中有耐均匀腐蚀的能力，但易发生孔蚀。,奥氏体不锈钢经过敏化温度(450850)加热(包括焊接区)，过饱和的碳形成碳化物沉淀并在缓冷过程中易形成晶界贫铬的，晶界的耐蚀性下降，晶界的负电位更低，容易形成沿晶的应力腐蚀。低碳超低碳的奥氏体不锈钢或不经敏化温度热加工的，则不易形成沿晶的应力腐蚀，但易形成穿晶应力腐蚀。特别是经过冷作加工的更易形成穿晶应力腐蚀。,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,防止或减缓奥氏体不锈钢应力腐蚀的基本途径采用低碳与超低碳不锈钢,减缓沿晶应力腐蚀开裂及扩展，但不能消除应力腐蚀开裂的敏感全部沿晶型应力腐蚀 尽量避免敏化温度下的加热与冷却。 尽量作消除残余应力处理。消除应力的热处理应避开敏化温度。,5.2 应力腐蚀,防止或减缓奥氏体不锈钢应力腐蚀的基本途径目前新发展的不锈钢品种，大体有以下三种类型。 高纯Cr-Ni不锈钢 即镍的含量达45以上，并严格控制P、N、Mo杂质含量。 超纯铁素体不锈钢 0Crl3等钢种不同铁素体-奥氏体双相不锈钢 00Crl8Ni5M03Si2,5.2 应力腐蚀,523 碱脆,当碱浓度大于5一15时才可能出现碱脆，浓度达到30时最为敏感。设备中容易发生NaOH富集浓缩的地方尤易出现碱脆。产生碱脆的最低温度为6065C，温度愈高愈易发生，在沸点附近最容易发生碱脆。镇静钢比半镇静钢更比沸腾钢容易发生碱脆。钢中的含碳量对碱脆有影响。含碳量在020一025以上的不会发生碱脆。因此含碳量低于020的低碳钢和低合金钢较敏感。,5.2 应力腐蚀,碱脆裂纹经常是沿晶裂纹。只有含碳量低于003时晶界碳化物偏析明显减少，于是碱脆裂纹大多数变为穿晶型的。 碱脆裂纹的特点是裂纹数目较多,5.2 应力腐蚀,碱脆可以对碱脆起到抑制作用缓蚀剂有硅酸盐、硝酸盐、硫酸盐、铬酸盐及高锰酸盐,5.2 应力腐蚀,5.2.4硝脆,硝脆离不开水分的存在。20世纪90年代，我国各炼油厂相继投用的催化裂化装量中的催化剂再生器内壁出现了裂纹，共已发生十余起这种失效，有时甚至导致2034mm厚的16MnR亮体发生裂穿而泄漏。分析研究认为是由于再生器内韵高温气体透过内隔热材料遇到较冷的壳壁而产生部分成分的冷凝，冷凝液中含有N03及H20。,5.2 应力腐蚀,硝脆,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,525无水液氨的应力腐蚀 (1)腐蚀机理 含水量低于02的液氨可属为无水液氨 (2)预防措施 钢的强度高低直接影响抗液氨应力腐蚀的性能。如果采用强度较低的铁素体钢制造，而且焊后进行了消除应力热处理，则应力腐蚀的危险性最小。,5.2 应力腐蚀,526 温硫化氢的应力腐蚀和氢损伤 湿硫化氢环境中钢材开裂实际上有两种开裂现象。一种是应力诱导的氢致开裂(SOHIC)，也是应力腐蚀；另一种是与应力无关的氢鼓泡(HB)和氢致开裂(HIC)。 (1)湿硫化氢引起的应力腐蚀开裂 大量的研究表明湿硫化氢的应力腐蚀机理可以有若干种表达的电化学阳极反应方程。 (氢原子析出进入钢的基体)强度较高的钢材中析出较多氢原子引起钢材的脆化。,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.2 应力腐蚀,5.3 腐蚀疲劳,5.3.1 特征（1）裂纹起源腐蚀凹坑或缺陷：焊波、引弧坑、表面焊迹等)，也易在结构有应力集 裂纹经常从多个腐蚀凹坑发源成群出现，相互平行地向内部扩展。 裂纹多数为穿晶扩展 裂纹尖端不分叉或分叉很少，与应力腐蚀裂纹不同，但腐蚀疲劳的裂纹尖端圆钝得多，这是和一般疲劳裂纹尖端很重要的区别。,5.3 腐蚀疲劳,5.3.1 特征裂纹内部充满腐蚀产物和应力腐蚀裂纹相似，而非腐蚀环境中的疲劳裂纹内部则比较光洁。 532 腐蚀疲劳断口形貌特征 断口具有贝壳状条纹的宏观形貌 断口在电镜中观察时，会发现通常塑性材料疲劳断口中所具有的海滩状花样,5.3 腐蚀疲劳,5.4 氢腐蚀失效,事故大体由以下三种原因造成。 在高于钢材所能承受氢腐蚀的温度上限 错误地使用了抗氢腐蚀能力极低的碳素钢用其代替Cr-Mo钢将导致氢腐蚀的重大事故制造过程留下缺陷，如焊缝内的气孔,5.4 氢腐蚀失效,1)宏观特征当氢腐蚀仅使表层钢材损伤时可能出现脱碳后的甲烷鼓泡，甚至鼓泡破裂。 (2)、金相特征 氢腐蚀是脱碳反应所致，并出现甲烷气泡，因此在金相上的主要特征是脱碳和出现空洞。脱碳是失去珠光体的表现 (3)断口特征氢腐蚀是沿晶断裂的,5.4 氢腐蚀失效,5.5 腐蚀失效破坏形式,551 均匀腐蚀失效破坏形式 各种各样的均匀腐蚀会使设备或管道的有效壁厚发生全面的或大面积的减薄，致使设备的承载能力大幅下降。有的全面均匀腐蚀看似并未使设备减薄，但却能使金属大面积致脆。最终导致设备的韧性失效或脆断失效。,5.5 腐蚀失效破坏形式,(1)韧性失效（图片）（2）脆性失效（图片）552 局部腐蚀失效破坏形式 (1)局部鼓胀变形及爆破失效 (2)泄漏失效 孔蚀泄漏 腐蚀裂纹泄漏 (3)低应力脆断,5.6 腐蚀失效预防措施,(1)在役设备腐蚀失效的防护措施 隔离防护法 衬里防护和各种表面处理 电化学保护法 缓蚀剂保护法 (2)使用期内的腐蚀检查 壁厚腐蚀减薄检查 腐蚀表面状况检查 腐蚀裂纹的检查 腐蚀情况的取样检查,6 设备的高温蠕变失效,材料在高温下持续长时期受载，会产生非常缓慢的蠕变变形。这种蠕变的积累将会导致宏观的永久变形，从而出现蠕变断裂或松弛。 发生蠕变的起始温度随金属材料而异。低合金钢为370，奥氏体铁基高温合金为540，镍基和钴基高温合金为650,6 设备的高温蠕变失效,蠕变失效的宏观特征主要显示出过度的变形，例如容器和管道直径的膨胀、整体上的明显鼓胀，或者管道有明显的弯曲甚至扭曲。内压的作用是高温下蠕变鼓胀的直接原因，所以亦称蠕胀。而管道在高温下热膨胀变形的受阻(受到位移约束)是高温管道发生蠕变弯曲或扭曲的主要原因。,6 设备的高温蠕变失效,(1)金相检验 只有在等强温度(晶内强度与晶界强度相等的温度)以上的蠕变脆断，在金相上才有特。此时金相上蠕变的特征主要是沿晶空洞，严重时不但有空洞还会有沿晶微裂纹，甚至有宏观裂纹。,6 设备的高温蠕变失效,(1)金相检验实际的空洞尚不会像图示、的W型或R型空洞那么容易区分，因为空洞极难与钢中的夹杂物或高温下的析出相(如二次碳化物、口相等)颗粒相区别。因此常辅以扫描电镜的观察以及用能谱分析方法鉴别是否是碳化物和口相。蠕变空洞、碳化物、口相均会出现在晶界上，因此这是金相分析的难点。其中口相只有不锈钢才会在高温下析出，而Cr-Nlo耐热钢不会析出口相。但高温长期服役的钢材在晶界上析出二次相时，则蠕变空洞可能首先在此萌生，金相上出现的沿晶黑点包含了蠕变空洞和析出相。,6 设备的高温蠕变失效,6 设备的高温蠕变失效,6 设备的高温蠕变失效,6 设备的高温蠕变失效,在高应力水平高蠕变速率下的高温构件，易出现晶内的蠕变断裂。其断裂情况与高温短时拉伸试验的情况相似。沿晶界无空洞出现，晶粒沿最大生应力方向显著被拉长，这是高温蠕变滑移的结果。最终出现了穿晶的蠕变断裂。其金相如图35176所示，扫描电镜中断口为韧窝状,6 设备的高温蠕变失效,6 设备的高温蠕变失效,(2)断口检验大多数蠕变失效属蠕变脆断，其蠕变断口主要有两个特征，一是呈现岩石状的沿晶蠕变断裂，二是晶界上具有若干韧窝，即洞形的空洞,6 设备的高温蠕变失效,6 设备的高温蠕变失效,