1、失效分析与事故案例,华东理工大学,施哲雄,上海市2004年典型的特种设备爆炸事故实例,从以上典型特种设备的爆炸事故来分析，城市安全形势不容乐观 通过事故分析，了解事故原因，从源头上减少特种设备事故的发生，把事故的危害控制在最低程度。,1.1失效形式的分类,1、常见失效形式的分类失效是一个广义的概念，不局限于断裂、腐蚀等狭义的失效。但较为通用的分类方法可将失效形式分过度变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类 （1） 过度变形失效过度变形失效可分为过度弹性变形失效和过度塑性变形失效两类。,（2）断裂失效断裂失效可进一步分为5种类型。这是从断裂表现出的形态(脆断或韧断)、或引起断裂的原因（载荷、环境
2、等）、或断裂的机理(解理、疲劳、蠕变等)进行综合考虑的混合分类方法。综合来说，分为韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环境（腐蚀）断裂和蠕变断裂等五种基本的断裂失效。 （3）表面损伤失效表面损伤失效主要分为磨损和表面腐蚀两类。表面损伤失效既涉及到载荷、应力和介质的性质，也与材料的有关性能有关。,（4）按习惯分类方法,(1)韧性失效 (过度变形)包括塑性大变形和韧性断裂。 (2)脆性断裂失效 包括材料脆性(化)引起的脆断和缺陷引起的脆断。 (3)疲劳失效 主要阐述由交变载荷引起的疲劳开裂及疲劳断裂失效。 (4)腐蚀失效 主要涉及介质引起的材料表面腐蚀损伤及腐蚀引起的变形、泄漏或断裂。 (5)蠕变失效
3、主要指高温下材料的蠕变损伤、变形与断裂。 (6)密封失效 有静密封与动密封的失效，涉及密封垫片、固定件、压紧件的多种失效。不是一种独特的失效类型,韧性破坏（一）,韧性破坏是压力管道在管道内压的作用下管壁上产生的应力达到材料的强度极限，因而发生断裂的一种破坏形式 韧性破坏的宏观特征 (1)管道有明显的塑性变形，有明显的鼓胀，直径明显增大。 (2)有明显的伸长，通常周长的伸长率在10以上。 (3)容积明显增大，容积膨胀率一般大于10，有的高达20。 (4)壁厚有明显的减薄，直径、周长与容积的增大必然使厚度减薄，特别是在爆破的起爆口处。 (5)爆破口是长缝或有分叉，但无碎片,1.2.2 韧性断裂的断
4、口特征,断口上的纤维区、放射纹区(或人字纹区)、剪切唇区是断口的三个要素。 纤维区无金属光泽，色质灰暗。越是灰暗说明材料的塑性越好，断裂时的拉伸塑性变形量越大。放射纹区是继纤维区的断裂发展到临界尺寸之后，随即发生快速撕裂时断口上留下的痕迹。放射纹是快速撕裂的痕迹。剪切唇一般是断裂扩展到接近构件的边缘时在平面应力状态下由最大剪应力引起撕裂的痕迹，最大主应力约成45夹角。,容器韧性爆破断口的三要素和断口取向 （a）、（b）容器断口常见形貌；（c）AA断面全剪切起爆口；（d）BB断面的断口取向；（e）CC断面的断口取向,2、断口的显微形貌特征,(1)纤维区的显微形貌电镜中显示的纤维区形貌特征是呈“韧
5、窝”花样 ，韧窝花样显示了金属的这种断裂机制的“微孔聚积”,“韧窝”花样,(2)放射纹和人字纹区的显微形貌,在裂缝快速撕裂扩展过程中形成的人字纹，其断裂的机理比较特殊，在电子显微镜中显示的形貌既不是严格按结晶面断开的解理断裂机制，也不是像韧性断裂的微孔聚积，因此被称为“准解理”。 (3)剪切唇的显微形貌 一般属于拉长韧窝型的形貌。,1.2.4 韧性断裂的预防措施,(1)防止超载 (2)防止壁厚减薄,脆性破坏（一）,脆性破坏主要是指设备在没有发生宏观的塑性变形时就发生断裂或爆炸。破坏时管壁的应力尚未达到材料的强度极限，有时甚至未达到屈服极限。 基本原因 一是由于材料的脆性转变而引起的脆断； 二是
6、由于构件出现了严重的缺陷(如裂纹)导致发生低应力水平下的脆断，这称为低应力脆断。,脆性破坏（二）,脆性破坏的宏观特征 (1)宏观变形量很小主要指塑性变形量小到几乎用肉眼从宏观上觉察不到，例如管道的变形看不到鼓胀，周长几乎测量不到变化，壁厚几乎没有减薄。爆破时体积膨胀量极小。(2)易有碎片压力管道发生脆性破坏时易爆裂成碎片。如果管道的材料整体脆化，则脆断发生时必然有碎片飞出，会造成相当大的危害。如果仅仅是焊缝或热影响区的材料在焊后脆化，而母材的韧性仍较好，则发生脆断时仅在焊缝或热影响区裂成一条长缝而并不形成碎片。,1、由材料脆性引起脆断的断口特征(1)断口的宏观特征断口平齐，断口和最大主应力方向
7、相垂直，断口边缘不会出现剪切唇，断口上不会留下记录断裂方向的人字形或放射形纹路。断口上呈现金属闪光 (2)断口的显微特征解理断裂，沿晶体某一结晶学平面的断裂称为解理断裂。面心立方结构的晶体(如奥氏体不锈钢)在任何温度下（包括深度冷冻的温度下）也不会发生解理型的脆断。,体心立方晶胞的几种典型晶面,多晶体解理断裂的路径和解理面,由于解理是沿某一结晶面断裂的，因此解理必然是一种穿晶断裂。解理断裂断口的显微特征 ，解理断裂后的断口在电子显微镜中显示出最重要的显微形貌特征是河流状的花样。,解理断裂后断口的典型河流花样,脆性破坏（四）,什么是低应力脆断？ 压力管道存在严重缺陷时(如裂纹、未焊透或未熔合)，
8、只要载荷达到一定程度即会引起断裂。如果材料相对较脆，则断裂时载荷不会很大，结构总体上尚未屈服，这就是低应力脆断。 判断是否属低应力脆断的准则有两条： 一是总体塑性变形是否明显； 二是断裂时的应力是否达到屈服的程度。,脆性破坏（五）,低应力脆断的断口宏观特征 原始缺陷区可能是冶金宏观缺陷、焊接面型缺陷、使用中因疲劳、应力腐蚀、或各种交互作用形成的宏观缺陷。 在加载过程中缺陷逐步扩展引起的撕裂过程区 宏观上是较窄的纤维区。 快速撕裂区宏观上是呈放射纹及人字纹区，通常不出现金属闪光。 边缘剪切唇区如管道内外表面处的剪切唇，其宽度视材料的塑性及撕裂时的速度，速度又取决于爆炸时的能量,脆性破坏（六）,脆
9、性破坏（七）,低应力脆断的断口显微特征 断口在撕裂过程区(纤维区)、快速撕裂区形成的人字纹与放射纹以及边缘的剪切唇区的显微特征与前面所述的韧性断裂断口并无本质区别。 原始缺陷区域的显微特征则相当复杂，在电镜中观察到的形貌也变化多端。,脆性破坏（八）,脆性断裂的预防措施(1)确保材料有足够的韧性 (2)避免和降低结构的应力集中 (3)热处理消除容器的残余应力 (4)加强制造的和在役的无损检测,疲劳破坏（一）,压力管道的疲劳破坏是管道长期受到压力、温度的交变载荷作用出现金属材料的疲劳而产生的一种破坏型式。 主要发生在结构的几何不连续处和存在原始缺陷的焊缝部位，如果二种情况同时存在一处，则极易产生疲
10、劳破坏 疲劳破坏的基本形式有爆破和泄漏两种,疲劳破坏（二）,疲劳破坏的宏观特征 疲劳断口宏观上具有两大特征： 断口比较平齐光整， 断口上有明显的分区。 因此疲劳断口较易与其他断口相区别。 疲劳断口的三个区域是：萌生区或原始缺陷区、疲劳扩展区和瞬断区。,疲劳破坏（三）,箭头 萌生区 A 疲劳扩展区 B 瞬断区 C 剪切唇区,疲劳断口的三个区域,萌生区的几何尺度极小，从失效分析的角度有时却很重要，需弄清萌生区是否有冶金缺陷、制造缺陷、或腐蚀形成的缺陷。 疲劳扩展区 是疲劳断口中最具特别形貌的区域。不但平齐光整而且用肉眼可以观察到特殊的贝壳纹路即犹如贝类外壳上的弧状条纹，而贝壳状纹路的中心就是疲劳裂
11、纹的萌生区或原始缺陷区。 瞬断区 是疲劳断口上最终断裂区，是放射纹及人字纹区 ，可能在加剪切唇,疲劳破坏（四）,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”。,疲劳断口的显微特征,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”。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。需要说明的是，宏观上观察到断口
12、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。只有在变载荷时才会形成宏观上的贝壳纹。,实际上由于每一循环就在断口上留下一条辉纹，因此从辉纹间测得的间距大体可以计算出疲劳扩展速率。,扫描电镜中观察到的几种典型疲劳辉纹,疲劳破坏（五）,疲劳破坏的预防 (1)选用合适的抗疲劳材料 (2)设计时进行疲劳分析 (3)加强制造和在役检验 (4)预压应力处理 (5)过载处理,1.4.3 疲劳断裂失效的预防,1、一般预防原则降低应力水平和减小应力集中。减小构件的应力集中，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。 2、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
13、(2)尽量降低结构的应力集中程度要保证有较大的过渡圆角。 一般不应将关键的焊缝设计成角焊缝，应改为对接焊缝,(3) 制造和在役检验中应注意的问题,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(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)。 (5)过载处理 发现有疲劳开裂时，可以采取比正常设计载荷高出1.32.0倍的载荷进行一次过载(超载)处理，可以将疲劳寿命提高好几倍,1.5 腐蚀失效,腐蚀的机理上有电化学腐蚀和化学腐蚀两大类。压力容器和设备的腐蚀形态可以分为8大类型：即： 全面腐蚀（均匀腐蚀）、
14、孔蚀（点蚀）、 缝隙腐蚀、 晶间腐蚀、 应力腐蚀、 氢腐蚀、 冲蚀、 双金属腐蚀。 1.5.1 晶间腐蚀失效晶间腐蚀就是指沿晶界发生的腐蚀，包括晶界及其附近很窄的区域在内的区间发生的腐蚀。20世纪30年代初提出了能较好解释奥氏体不锈钢晶间腐蚀的晶界贫化理论,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，因为母材部分在轧制成板材或管材出厂之前已进行过固溶化处理与敏化效应减少焊缝发生晶间腐蚀的主要方法是采用含碳量很低的母材焊条焊丝（C0.08低碳,C 0.03超低碳）同时含有更能快速形成碳化物的铌、钛元素，以防止形成Cr23C6， 稳定化处理是将奥氏体不锈钢加热至900让
15、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。,1、晶间腐蚀的金相检验,188奥氏体不锈钢形成敏化晶界区和晶间腐蚀的原理 （a）敏化晶界区形成贫铬区；（b）晶界区的腐蚀过程,晶间腐蚀的剖面金相,2. 晶间腐蚀的预防原则上以采用能抵抗介质晶间腐蚀的材料为宜。例如当采用304不锈钢发现有晶间腐蚀时，则可改用超低碳(含碳量小于0.03)的304L不锈钢。 1.5.2 应力腐蚀失效金属材料的应力腐蚀在材质、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,危害性特别大。,1、应力腐蚀裂纹的
16、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。应力腐蚀裂纹往往起源于结构的应力集中处。焊缝的咬边、引弧坑以及孔蚀的凹坑、甚至焊缝的焊波处均是容易引发应力腐蚀裂纹的地方，因此常常是多源的裂纹，不是只有一条裂纹。,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。,穿晶型应力腐蚀裂纹金相与断口,2、奥氏体不锈钢的应力腐蚀,据近年统计的不锈钢腐蚀失效事例中，几乎50是应力腐蚀失效。奥氏体型不锈钢对氯离子的应力腐蚀(俗称氯脆)十分敏
17、感。凡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。,防止或减缓奥氏体不锈钢应力腐蚀的基本途径为：,采用低碳与超低碳不锈钢可以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性 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。 如果奥氏体不锈钢经深度冷加工而出现较多马氏体组织而硬化的结构件（如波纹形膨胀节等），对
18、应力腐蚀更为敏感。,防止发生应力腐蚀，目前新发展的不锈钢品种,高镍Cr-Ni不锈钢,即镍的含量达45以上 超纯铁素体不锈钢, 铁素体奥氏体双相不锈钢 奥氏体不锈钢，还对高温高压纯水(例如电厂纯水、核电站纯水)、连多硫酸、湿H2S、NaOH水溶液、海水与海洋大气等环境也有应力腐蚀开裂的敏感性。,3、碱脆,低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的应力腐蚀称为碱脆。较多发生在用NaOH处理过的软化水系统中 。当碱浓度大于515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6065，温度愈高愈易发生，在沸点附近最容易发生碱脆。含碳量低于0.20
19、的低碳钢和低合金钢较敏感。合金元素Al、Ti、Nb、V、Cr等的加入可以降低甚至消除碱脆敏感性。 能导致碱脆的介质还有KOH、LiOH及K2CO3、铝酸钠等。,4、硝脆,生产硝酸钠、化肥及炼油的催化裂化再生器的碳钢低合金钢设备发生过很多硝脆失效事例。硝脆是指在含硝酸根或其他氮氧化物介质环境中，钢材的应力腐蚀开裂。硝脆比碱脆更容易发生。硝脆应力腐蚀倾向由大到小的排列次序是：NH4N03Ca(N03)2LiN03KN03NaN03露点腐蚀引起的应力腐蚀最为有效的防治措施是设法提高壁温 。,5、无水液氨对碳钢和低合金钢的应力腐蚀,(1)腐蚀机理含水量低于0.2的液氨可称为无水液氨。采用强度较高的低合金钢后出现了大量的焊缝开裂问题，并认为这也是应力腐蚀问题。仍属于阳极溶解型的电化学过程。并发现裂尖腐蚀产物中有碳的聚集，可能与液氨中杂质CO32有关。微量的氧会促进液氨的应力腐蚀。(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(s350MPa，)铁素体钢制造,而且焊后进行了消除应力,
