第七章失效分析案例分析

第七章失效案例分析

2/1/20231现代材料学--高分子材料失效分析程序问（调查）望（观察）闻（探测）切（测试）模（模拟）结（结论）2/1/20232现代材料学--高分子材料失效分析需要的实验技术宏观和微观断口分析技术金相检验技术无损检验技术常规成分、微区成分及表面成分分析技术X射线衍射分析技术实验应力分析技术力学性能测试技术断裂力学测试技术2/1/20233现代材料学--高分子材料某天然气管线压气站法兰开裂原因分析海水混输泵叶轮片失效分析分析实例2/1/20234现代材料学--高分子材料某天然气管线压气站法兰开裂原因分析2/1/20235现代材料学--高分子材料1）背景资料2005年10月，中油六建在安装紧固某压气站2号压气机出口短节法兰螺栓时，法兰开裂该法兰生产厂家为上海某高压管件厂，按JB4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》规定的Ⅳ级进行制造、检验和验收，法兰材质为16Mn2/1/20236现代材料学--高分子材料2）断口宏观形貌分析2/1/20237现代材料学--高分子材料法兰裂纹距焊缝约50mm，裂纹长约2150mm，大约占法兰周长的三分之二2/1/20238现代材料学--高分子材料裂纹一端扩展到焊缝熔合线上约80mm长，另一端仍距焊缝约50mm图1法兰断口宏观形貌2/1/20239现代材料学--高分子材料图2法兰裂纹打开后的断口形貌2/1/202310现代材料学--高分子材料图3

法兰裂纹端部断口形貌2/1/202311现代材料学--高分子材料20m图4

法兰裂纹中部断口形貌2/1/202312现代材料学--高分子材料图5法兰裂纹焊缝熔合线部位断口形貌焊趾裂纹2/1/202313现代材料学--高分子材料裂纹未穿透壁厚，大部分剩余壁厚3～5mm，裂纹两端剩余壁厚较多。说明裂纹起始于外壁，然后沿壁厚向内壁扩展。在断口上的焊趾部位有条带状黑褐色区域，说明该部分断口形成时间早于螺栓紧固时法兰开裂时间，估计该断口是焊趾裂纹。由于焊缝裂纹剩余壁厚较多且处于裂纹末端，所以此处可能不是法兰开裂源。断口没有塑性变形现象，断口表面呈结晶状形貌，是典型的脆性断口。2/1/202314现代材料学--高分子材料3）化学成分分析BairdSpectrovac2000光谱仪、LECOCS-444红外碳硫分析仪2/1/202315现代材料学--高分子材料法兰化学成分（%）元素CSiMnMoCrVPSNiCu结果0.230.501.620.0350.0510.0060.0170.0150.0590.04JB4726-20000.13～0.190.20～0.601.20～1.60-≤0.30-≤0.030≤0.020≤0.30≤0.25

C含量超标2/1/202316现代材料学--高分子材料4)无损探伤超声及磁粉方法检测法兰，除原来已经存在的裂纹外，没有发现其它缺陷2/1/202317现代材料学--高分子材料5）力学性能试验取样拉伸、冲击及硬度试样第2取样位置拉伸、冲击及硬度试样第1取样位置裂纹酸蚀试样酸蚀试样图6法兰材料性能试验取样位置2/1/202318现代材料学--高分子材料第1取样位置法兰厚度最厚处距外边缘20mm以内沿切向取一个拉伸试样、一个硬度试样和三个冲击试样拉伸试样为圆棒试样，试样直径10mm、标距长度50mm

冲击试样为全尺寸夏比V型缺口试样2/1/202319现代材料学--高分子材料第2取样位置一个拉伸试样、一个硬度试样和三个冲击试样进行试验拉伸试样为圆棒试样，试样直径10mm、标距长度50mm冲击试样为全尺寸夏比V型缺口试样

2/1/202320现代材料学--高分子材料项目

拉伸性能冲击功(0℃)（J）硬度HBW10/3000拉伸强度Rm（MPa）屈服强度Rr0.2（MPa）伸长率A（%）检测结果60031520789181175170JB4726-2000规定450～600≥275≥20≥31121～178法兰材料力学性能结果（第1取样位置）

冲击功不符合要求2/1/202321现代材料学--高分子材料项目

拉伸性能冲击功(20℃)（J）硬度HBW10/300拉伸强度Rm（MPa）屈服强度Rr0.2（MPa）伸长率A（%）检测结果54527028555157157157JB4726-2000规定450～600≥275≥20≥31121～178法兰材料力学性能结果（第2取样位置）

冲击功不符合要求2/1/202322现代材料学--高分子材料6）断口微观形貌电镜分析焊缝裂纹金相1电镜1金相2电镜2电镜3金相3图7法兰断口检验取样位置2/1/202323现代材料学--高分子材料图8法兰母材断口微观形貌裂纹端部、中部断口微观形貌：解理+少量沿晶脆性断口2/1/202324现代材料学--高分子材料晶间断裂形貌图9法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）微观形貌2/1/202325现代材料学--高分子材料图10法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）x射线能谱分析断口面上有铁的氧化物，说明该裂纹形成时间较早2/1/202326现代材料学--高分子材料7）金相分析

2/1/202327现代材料学--高分子材料焊缝法兰侧热影响区金属显微组织形貌法兰母材金属显微组织形貌图11金相组织2/1/202328现代材料学--高分子材料母材为珠光体及铁素体，晶粒度为4.5级。晶粒比较粗大，说明法兰在加工制造时过热焊缝热影响区内有马氏体组织，显微硬度为HV4002/1/202329现代材料学--高分子材料取低倍组织检验试块，经过酸蚀检验没有发现明显的枝晶组织，没有发现缺陷，说明该法兰经锻造制成2/1/202330现代材料学--高分子材料8）综合分析该法兰材料强度符合JB4726-2000规定，但材料冲击功不符合JB4726-2000规定。该法兰断裂性质为脆性断裂，裂纹起始于法兰母材外表面。材料冲击功很低，不到规定值的30%，这是法兰脆性开裂的原因。法兰母材晶粒度为4.5级，晶粒粗大，说明法兰在加工制造时过热，这是法兰母材冲击功很低的原因。2/1/202331现代材料学--高分子材料在法兰焊缝侧焊趾发现氢致裂纹，焊缝热影响区存在马氏体组织，其显微硬度达到HV400，这是产生焊趾氢致裂纹的重要原因。该法兰碳含量不符合JB4726-2000要求，超过规定值的上限，其它合金元素如Mn处于规定值的上限2/1/202332现代材料学--高分子材料碳当量CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.525法兰碳当量偏高，是焊缝热影响区出现马氏体组织的重要原因2/1/202333现代材料学--高分子材料9）结论法兰材料碳含量不符合JB4726-2000规定，其它元素含量符合JB4726-2000规定；法兰材料冲击功不符合JB4726-2000规定，其它材料力学性能符合JB4726-2000规定法兰开裂性质为脆性断裂，裂纹起始于法兰母材外表面，材料冲击功过低是法兰脆性开裂的原因法兰存在焊趾氢致裂纹，法兰材料碳当量偏高是产生焊趾裂纹的重要原因2/1/202334现代材料学--高分子材料知识点断口宏观、微观分析无损检测化学成分分析金相观察力学性能试验2/1/202335现代材料学--高分子材料海水混输泵叶轮片失效分析

2/1/202336现代材料学--高分子材料失效背景

某油田某井增压泵自平台安装后，调试时使用的是海水介质，投产后早期一直输送海水和原油的混合物。输送海水和原油混合介质,通过海底管线至中心平台机采井口压力按工程要求为1.5MPa设计。井口温度最低为51℃。最大注气量为8km3/d，最大注气压力为7MPa

使用期间出现漏水，增压达不到额定的压力，叶轮片表面磨损严重

进口压力为500kPa，出口压力为9000kPa，功率为200W，工作温度为65～70℃。装置汽蚀余量3m2/1/202337现代材料学--高分子材料叶轮片编号

正面反面法兰盘2/1/202338现代材料学--高分子材料宏观形貌

蚀坑沿圆周方向拉长2/1/202339现代材料学--高分子材料2/1/202340现代材料学--高分子材料化学成分分析

厂方所提供的叶轮片材质为：ZG15Cr12光谱分析法

轮片各部件的化学成分分析（质量分数，％）元素CCrNiSiMnPS1－A*0.1410.02—0.060.190.0130.0061－B*0.1310.27—0.070.150.0140.0072－A*0.1510.35—0.080.160.0140.0052－B*0.129.11—0.050.100.0140.005法兰盘*0.34——0.510.570.0240.013铆钉*0.07226.6416.910.272.160.0240.014Cr<12.5%法兰盘为35钢，属于中碳钢铆钉为25CrNi17不锈钢2/1/202341现代材料学--高分子材料无损检测

表面着色探伤法磁粉检验法超声波探伤法未发现有表面裂纹及内部裂纹2/1/202342现代材料学--高分子材料金相分析

1—B（×50）1—B（×200）气孔及夹杂物回火索氏体2/1/202343现代材料学--高分子材料硬度测试

盘片样品第1点（HRB）第2点（HRB）第3点（HRB）1－A86.386.586.71－B90.191.290.42－A89.188.789.32－B87.488.088.2铆钉101.2102.0102.52/1/202344现代材料学--高分子材料扫描电镜观察和能谱分析

1-B蚀坑2/1/202345现代材料学--高分子材料2—B抛光：×2002—B的内表面蚀坑2—B的内表面腐蚀产物2/1/202346现代材料学--高分子材料2－B内表面腐蚀产物的能谱分析含有Ca、O、Fe、Mg、K等元素2/1/202347现代材料学--高分子材料

X射线衍射

2/1/202348现代材料学--高分子材料电化学分析

电解质溶液：混输泵实际工作介质—海水实验装置：CHI电化学工作站三电极体系参比电极：甘汞电极辅助电极：石墨电极2/1/202349现代材料学--高分子材料

2－A的腐蚀电位高于2－B2－A的钝化区要比2－B宽

Cr含量的增加有助于钝化2/1/202350现代材料学--高分子材料腐蚀机理分析

腐蚀产物：黄褐色鳞片状腐蚀产物是Fe2O3•3H2O,橙黄色腐蚀产物是FeOOH

以及Fe3O4一方面，泵轴及叶轮将受到介质的电化学腐蚀。金相组织的不均匀，铸造缺陷与基体之间电极电位的差别也构成腐蚀电池。另一方面，从动态上分析，工作状态时叶轮将受到液滴的冲蚀和气蚀即从液滴冲蚀及气蚀的角度分析其腐蚀磨损。综合，叶片的腐蚀是电化学腐蚀和磨蚀磨损交互作用的结果。2/1/202351现代材料学--高分子材料电化学腐蚀分析

B2B1A2A1FeFe2+Fe3+Fe(OH)3Fe(OH)2PH电位E/VCABD

A点：析氢腐蚀

B点：吸氧腐蚀

D点：生成铁锈由于氧的存在，Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3，在含氧低的环境中，只能把部分Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3。在含氧充分时，Fe(OH)2可以迅速生成Fe3O4和Fe2O3稳定氧化产物。2/1/202352现代材料学--高分子材料点蚀

发生条件：在易钝化金属或合金表面，并且腐蚀环境中往往有侵蚀性阴离子(最常见的是Cl－)和氧化剂同时存在Fe—Cr合金中，只有当Cr的加入量超过质量分数12.5%时，合金才会发生自钝化，形成完整的致密钝化膜叶轮片每个盘片所用钢材的含铬量均低于11％，钢材表面难以生成具有良好保护作用的完整钝化膜，耐蚀性无法显著提高2/1/202353现代材料学--高分子材料液滴的冲蚀及气蚀

汽蚀现象的产生混输泵输送介质中含有一定的海水，在一定条件下，水和汽可以相互转化，与压力和温度有关0.1Mpa大气压力下，当水温升高到100℃时水开始汽化，随着大气压力的降低，水在不到100℃就开始汽化。汽化有大量的蒸汽及水中的溶解气体逸出气泡随水流从低压区向高压区流动时，在高压的作用下迅速凝结而破裂，产生局部空穴；高压水以极高的速度涌向这些空间，形成强大的冲击力；汽泡中的气体和蒸汽来不及在瞬间全部溶解和凝结，在冲击力的作用下又分解成小气泡；被高压水压缩、凝结，多次反复，从而产生高强度、高频率的局部水击，对过流部件产生机械剥蚀破坏液体中溶解的氧气等活性物质借助气泡凝结时释放出的热量，也会对金属起化学腐蚀及电化学腐蚀作用汽蚀的外观类似孔蚀，只是表面更为粗糙、蚀坑密布2/1/202354现代材料学--高分子材料通气差腐蚀

叶轮轴附近的腐蚀比边缘部分要严重，叶轮面上氧气浓度不一致造成铸铁等铁