压力容器安全：过程装备的失效分析技术

过程装备的失效分析技术

一、引言过程装备是构成工业生产的关键

过程装备生产、使用中往往会出现失效：

*完全失去原定功能；*能运行，失去部分功能或不能良好的执行功能；*能运行，但损伤严重且可能危及安全，可靠性低常减压装置催化装置汽柴油加氢精制装置一、引言过程装备是构成工业生产的关键过程装备生产、使用中往往会出现失效：

*完全失去原定功能（甚至产生严重事故）；*能运行，失去部分功能或不能良好的执行功能；*能运行，但损伤严重且可能危及安全，可靠性低北京某企业事故现场灾难性事故历史回顾2004年4月16日，重庆天原化工厂氯气设备泄漏，导致9人失踪死亡，十五万名群众被疏散，经济损失难以估量。在国内外造成重大的影响，引起党和国家领导人的高度重视。吉林石化双苯厂苯胺工艺流程简图硝化反应安全监控重点部位T101塔硝基苯进料线E102预热器温度趋势吉化双苯厂E102预热器温度数据和T101初馏塔硝基苯流量数据事故致因分析工人误操作（外部原因）；管理上存在漏洞（操作规程）;控制系统设计缺陷 （联锁及防误操作机制）;4.过程设计缺陷 （反应物料硝基苯的温升特性)。1.化学品和化学反应致灾机理2.本质安全的过程设计3.本质安全的控制系统设计4.过程运行异常工况的早期预警某化工厂聚合釜发生火灾上海某石化企业火灾后现场上海某石化企业火灾后现场一、引言过程装备是构成工业生产的关键过程装备生产、使用中往往会出现失效：

*完全失去原定功能；*能运行，失去部分功能或不能良好的执行功能；*能运行，但损伤严重且可能危及安全，可靠性低思考：失效和事故产生的原因，以及如何避免事故的再次发生。二、失效及失效分析的定义失效：××整体或部分丧失功能的现象称为失效。

失效不同于故障，不同于废品，失效与事故紧密联系失效分析：确定是失效的模式和机理，研究失效的原因，寻求影响失效的主要因素，提出防范对策。

三、失效分析的意义

可以减少和预防同类失效事故的重复发生，减少损失；检验、维修工作的技术基础；

指导过程装备的设计、生产、制造，推动技术进步；失效分析可以为仲裁失效事故的责任认定等。介绍过程装备失效、破坏以及预防的基本知识澄清一些习惯性的错误思维加强对工程问题的了解补充说明：*仅在此介绍钢制设备的失效分析*由于是引导性介绍，为了便于介绍，

部分定义和阐述可能不够严谨过程装备的失效分析引论四、失效形式的分类1、常见失效形式的分类较为通用的分类方法可将失效形式分为：

过度变形失效断裂失效表面损伤失效韧性失效脆性断裂失效疲劳失效腐蚀失效蠕变失效密封失效

失效形式的分类按习惯分类方法本文的分类方法（1）过度变形失效（2）强度不足引起的失效（无缺陷结构）（3）断裂（有缺陷结构）（4）高温环境下的材料劣化、损伤（5）腐蚀（6）密封失效2.过度变形失效

过度弹性变形失效过度塑性变形失效结构没有破坏，但是变形超限即认为失效。例：大型塔板变形（流体分布不均匀，甚至改变流场法兰变形（影响密封处泄漏）某冶金企业氧气管道法兰泄漏氧气泄漏引起火灾烧毁相邻氮气、氩气管道，高炉停产3.强度不足引起的失效（无缺陷结构）3.1强度理论简述3.2影响强度不足的因素3.3破坏的特点3.4防止措施

3.1强度理论简述PAP平均应力应力计算强度理论简述σsσb材料性能和许用应力的确定强度理论简述建立强度条件应力计算许用应力的确定建立强度条件强度理论简述强度理论核心不考虑安全系数3.2影响强度不足的因素

载荷变化：误操作，意外情况等材料强度变化：材质问题、超温、材料劣化损伤等承载截面变化：腐蚀引起的整体或局部减薄等某油田注水加热锅炉炉管缺水后爆破载荷引起事故案例超温引起材料强度下降，导致失效事故案例某石化企业制氢炉管发生“飞温”反映后，炉管超温某化工公司尿素管道选材错误产生严重腐蚀某化工公司尿素管道选材错误产生严重腐蚀某化工公司尿素管道选材错误产生严重腐蚀3.3防止措施

防止超载、超温；防止超温，避免材料劣化强度下降；避免整体或局部腐蚀减薄；避免使用脆性材料，避免材料脆化。材料脆性和韧性的判别3.4破坏的特点（承载超过材料强度）（1）韧性破坏破坏时会发生塑性变形，使宏观尺寸发生明显变化。（2）脆性破坏在没有发生塑性变形时就发生断裂或爆炸。3.4破坏的特点（宏观特征）有明显的塑性变形爆破口是长缝或有分叉，但无碎片韧性断裂的宏观特征塑性变形量小易有碎片脆性断裂的宏观特征韧性断裂的宏观特征3.3防止措施

防止超载、超温；防止超温，避免材料劣化强度下降；避免整体或局部腐蚀减薄；避免使用脆性材料，避免材料脆化。材料脆性和韧性的判别韧性断裂的宏观特征韧性断裂的宏观特征脆性断裂的宏观特征3.4破坏的特点（断口特征、微观形貌）断口特征（略）显微形貌特征韧性断口：一般属于拉长韧窝型的形貌脆性断口：解理断裂断口的显微特征

韧性破坏断口的显微形貌特征脆性破坏断口的显微形貌特征4.断裂（有缺陷结构）4.1断裂力学简述4.2影响结构断裂的因素4.3破坏的特点4.4缺陷产生的原因4.5防止措施

4.1断裂力学简述

有裂纹结构无裂纹结构

应力分布均匀：

含裂纹构件的断裂应力比无裂纹构件的破坏应力低得多？，，4.1断裂力学简述－断裂判据

有裂纹结构无裂纹结构

强度理论：或KIC材料性能参数应力强度因子Stressintensityfactor形状系数载荷因素裂纹尺寸弹性力学线弹性断裂力学应力应变场位移变形应力强度因子由Irwin等1957年导出。Kies的缩写，Irwin的同事。4.2影响结构断裂的因素

载荷因素材料断裂韧度

缺陷问题（核心问题裂纹长度或深度）

历史回顾---灾难性事故历史回顾---灾难性事故1943年一1945年，二次世界大战期间，美国按照全焊接标准制造了约5000艘自由轮，约有1000艘发生了致命的破坏或破损，238艘完全破坏（其中大约有l00艘的破坏是在平静的海面上发生），并且几乎是突然断成两截。某化工氯气管道焊缝断裂事故800多人次送医院抢救4.3破坏的特点(裂纹扩展、断裂)（1）往往是低应力破坏（断裂应力小于材料许用应力）；（2）脆性材料多为脆性破坏；（3）韧性材料即可能产生韧性破坏也可能为脆性断裂；（4）往往裂纹扩展速度快，后果严重。（5）破坏形式：断裂或泄漏。

4.4防护措施（1）加强质量管理，避免缺陷存在（2）加强监控，避免缺陷扩展和破坏（3）避免使用脆性材料。

缺陷是核心

4.5缺陷产生的原因（1）原始制造缺陷（死缺陷）

焊接缺陷：裂纹、未焊透、未熔合等制造缺陷：摺叠裂纹、划痕等（2）使用中产生裂纹（活缺陷）

疲劳、应力腐蚀、腐蚀疲劳、晶间腐蚀等

12Cr1MoV大口径管电焊焊接接头，焊缝根部裂缝，焊缝中夹渣。12CrMo大口径管电焊焊接接头，焊缝根部严重未焊透、裂缝和夹渣。碳钢电焊焊接接头，焊缝根部严重未焊透和裂缝。12CrMo大口径管电焊焊接接头，焊缝根部严重未焊透和层间未焊透。12CrMo大口径管电焊焊接接头，焊缝中层间未焊透。影响管道安全的危险因素分析焊接质量51.4％其中焊接缺陷所占比例约88.6％腐蚀减薄16.2％材料18.94％设计、结构缺陷等14％腐蚀28.1％蠕变28.8％其它14％疲劳29.1％国内某石化企业管道事故统计情况国外管道事故统计情况

4.5缺陷产生的原因（1）原始制造缺陷（死缺陷）

焊接缺陷：裂纹、未焊透、未熔合等制造缺陷：摺叠裂纹、划痕等（2）使用中产生裂纹（活缺陷）

疲劳、应力腐蚀、腐蚀疲劳、晶间腐蚀等

疲劳失效简单的说：由交变载荷引起的疲劳开裂及疲劳断裂失效。一、定义在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。疲劳失效二、特点

1.只有在扰动应力（交变载荷，如温度和压力变化）作用下，才会发生。

2.破坏起源于高应力、高应变局部（多在焊缝等表面）、有原始缺陷部位。

3.疲劳损伤的结果是形成裂纹。裂纹萌生－扩展－断裂三个阶段。

4.破坏的基本形式有断裂和泄漏两种。裂纹萌生裂纹扩展疲劳裂纹塑性钝化扩展模型疲劳失效的断口特征箭头萌生区A疲劳扩展区B瞬断区C剪切唇区三、断口特征宏观特征：断口比较平齐光整；断口上有明显的分区。三个区域：萌生区或原始缺陷区、疲劳扩展区和瞬断区。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。

疲劳失效扫描电镜中观察到的几种典型的“海滩状”疲劳辉纹四、疲劳断裂失效的预防

(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)避免出现应力集中和高应变区(6)过载处理五、疲劳失效案例航煤脱硫醇反应器导压管疲劳失效案例

材料：0Cr18Ni9Ti五、疲劳失效案例航煤脱硫醇反应器导压管疲劳失效案例

裂纹金相检验显示形貌

五、疲劳失效案例航煤脱硫醇反应器导压管疲劳失效案例

应力腐蚀应力腐蚀一、概念

受应力的材料在特定环境下产生滞后开裂，甚至发生滞后断裂的现象称为应力腐蚀开裂，简记SCC（StressCorrosionCracking）二、分类

应力腐蚀按机理可分为氢致开裂型和阳极溶解型两类。⑴氢致开裂型：如果阳极金属溶解（腐蚀）所对应的阴极过程是析氢反应，即H++e→H，而且原子氢能扩散进入试样并控制了裂纹的形核和扩展。

二、分类

⑵阳极溶解型：如果应力腐蚀体系中阳极溶解所对应的阴极过程是吸氧反应，即2H2O+O2+4e→4OH-

或者虽然阴极是析氢反应，但进入试样的H不足以引起氢致开裂，这时应力腐蚀裂纹形核和扩展就由金属的阳极溶解过程控制，称为阳极溶解型应力腐蚀。应力腐蚀

三、特点

对每一种金属或合金，只有在特定介质中，拉应力作用下，才能发生应力腐蚀。应力腐蚀

四、应力腐蚀显微形貌

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。穿晶型应力腐蚀裂纹金相与断口五、应力腐蚀失效典型案例18-8奥氏体不锈钢在Cl-环境中的应力腐蚀。上海某化工企业1Cr18Ni9Ti材料的Cl-应力腐蚀案例上海某化工企业1Cr18Ni9Ti材料的Cl-应力腐蚀案例

盘管内部介质为裂解气，外部介质为水蒸汽和水。高温裂解气（进口温度760℃）进入盘管后，与盘管外部介质热交换后，以170℃的裂解气排出设备。盘管材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，不锈钢盘管间采用焊接方式连接。按技术要求，焊缝应采用氩弧焊封底全焊透工艺，且每条焊缝均进行100%X射线探伤（II级合格）。

使用1个月即发生多处泄漏上海某化工企业1Cr18Ni9Ti材料的管道Cl-应力腐蚀案例

典型应力腐蚀的特征能谱检查发现，断口上有Cl-

原因：制造商在水压试验没有按照规定控制Cl-含量

Cl-规定要求：Cl-<5ppm

碳钢和低合金钢

湿硫化氢的应力腐蚀和氢损伤无水液氨对碳钢和低合金钢的应力腐蚀硝脆：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。碱脆：

低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的应力腐蚀。其它常见的应力腐蚀情况：连接螺栓断裂失效不锈钢螺栓的失效

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。晶间腐蚀失效18－8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

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（C≤0.08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。5、高温环境下的材料劣化、损伤

蠕变珠光体球化和碳化物聚集石墨化材料热脆性5.1蠕变材料在高温下持续长时期受载，会产生非常缓慢的永久变形。这种变形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。低碳钢为370℃，奥氏体铁基高温合金为540℃，镍基和钴基高温合金为650℃。蠕变破坏的特征材料：Incoloy800H温度：800℃

蠕变破坏案例蠕变破坏案例蠕变破坏案例某锅炉由于12CrMo过热器管长时过热而破裂，破口粗钝，呈脆性断裂。破口附近材料强度急剧下降，σs=272~274

MPa，σb=366~382MPa，HB111~HB112。破口边缘组织为铁素体和分布于晶内、晶界的碳化物，晶界存在蠕变裂纹。蠕变破坏的预防(1)设计时根据使用温度选用合适的材料，并按该材料在使用温度和需要的使用寿命下的蠕变极限选取许用应力(2)安装过程中防止材料混用，严格执行焊接工艺和热处理措施。(3)管系的布置和结构必须合理。(4)操作过程中防止超温超压，避免局部过热导致蠕变破坏。(5)按规定进行定期检验。(6)寿命概念。5.2珠光体球化和碳化物聚集钢中的渗碳体或碳化物在高温下长期运行，逐渐改变自己的形状而称为球状的现象。由片状－球状，由小球－大球球化使得材料强度、韧性、蠕变极限下降。预防措施

单独由球化产生的事故是比较少的，主要是球化伴随其它形式的破坏一起发生。合理选材。避免超温。某锅炉由于炉膛火焰中心偏斜，致使局部20钢过热器管长时过热而爆破。球化失效案例破口边缘组织为铁素体和沿晶界分布的颗粒状碳化物，由于长时过热，已发生明显的球化现象。球化失效案例5.2石墨化钢中的渗碳体分解成游离碳并以石墨形式析出，在钢中形成石墨“夹杂”现象。球化使得材料强度、韧性、蠕变极限下降（性能下降比球化严重。20钢过热器管在450℃运行10万小时后出现石墨化现象。组织为团絮状石墨、铁素体和弥散分布的碳化物。石墨球的高倍形貌，其中白色小块为铁素体。5.3热脆性钢在某一温度下（如400～500℃

）长期高温加热后会产生冲击冲击韧性显著下降的现象。即材料变脆。容易产生脆性破坏。R251再生器约翰逊内网断裂的失效分析

温度:550℃压力:0.92MPa内网材料:316介质:催化剂、氢气原因：材料高温运行后出现了严重的脆化现象，同时由于拼接处网丝的允许变形量较小，在运行出现局部超温后，引起网丝断裂。

R251再生器约翰逊内网断裂的失效分析6腐蚀一、按腐蚀机理分类：

-化学腐蚀

-电化学腐蚀

-物理腐蚀。二、按破坏形式分类：

-全面腐蚀（均匀腐蚀）

-局部腐蚀6腐蚀局部腐蚀又分为：

-孔蚀（点蚀）

-冲蚀

-晶间腐蚀

-应力腐蚀

-电偶腐蚀

-缝隙腐蚀等等……案例介绍－1煤气管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－1煤气管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－1煤气管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－1煤气管道腐蚀穿孔失效案例原因：煤气含有水，CO2。形成碳酸腐蚀。案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例原因：低温管道外表面出现冷凝水，并在保温上聚集，经过长时间周期后，出现腐蚀。案例介绍－3裂解炉管高温硫腐蚀穿孔失效案例材料为HP高Cr-Ni焊条焊接内部介质为石脑油炉管外壁温度1100℃炉管内壁700℃。

案例介绍－2无水氨管道腐蚀穿孔失效案例

原因：高温硫腐蚀造成的。焊缝合金中含Ni量偏高（却又不足50～60％），含Cr量偏低（不足25％），形成了低熔点的Ni-S共晶物，使得焊缝出现液相，使得腐蚀速度加剧。7.密封的失效

密封失效不属于基本失效形式。它涉及到密封结构系统（如法兰、垫片、紧固螺栓）中每个构件的自身失效行为，最终反映出泄漏失效。

7.密封的失效（垫片密封）

法兰、垫片及紧固螺栓三者构成一个密封系统。一对法兰的接触面上总是存在粗糙度的，不用垫片而仅靠螺栓夹紧实际是做不到密封不漏的。垫片密封的失效主要是泄漏。

没有绝对的“零泄漏”，工程上只能采用“允许泄漏率”来要求和衡量密封结构能有效满足设计或生产所要求的允许的泄漏率。