|
作者：徐书根 设备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。这种丧失其规定功能的现象称为失效。装备及其构件除了早期适应性运行及晚期耗损达到设计寿命有预料中的正常失效外，在正式运行期间，金属装备及其构件在何时、以何种方式发生失效是随机事件，暂时还无法完全预料。 1.1失效分析的定义和目的 对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及预防措施，称为失效分析。 其目的是明确失效类型、找出失效原因，采取改进和预防措施，防止类似的失效在设计寿命范围内再发生，对装备及其构件在以后的设计、选材、加工及使用进行指导。 1.2 失效分析的意义 （1）促进科学技术的发展 失效分析是对事物认识的一个复杂过程，通过多学科交叉分析，找到失效的原因，不仅可以防止同样的失效再发生，而且能更进一步完善装备构件的功能，并促进与之相关的各项工作的改进。 案例 船舶低温脆断 在焊接结构断裂中，船舶的脆性断裂事故颇受人们注意。在第二次世界大战期间，美国的焊接“自由轮”在使用过程中发生大量的破坏事故，其中238艘向完全报废、19艘船沉没。船舶损坏有完全断裂或部分断裂两种情况，据统计有24艘船舶脆断成两半的情况。 Shank等人对船舶的脆性断裂事故作了详细调查，并获得了大量数据。认为造成最主要的原因是钢的缺口敏感性。更值得注意的是：大部分船舶脆断是在气温较低的情况下发生的。当时美国船舶技术标准中没有列出对船舶钢板的缺口敏感性和低温韧性的性能要求。 碳钢和低合金钢有一个脆性转变温度，尽管这些钢材在常温下有良好的韧性，但在低于室温的某一温度就会变脆(对缺口极为敏感)。某些常用钢材的低温韧性转变特性可以很好地解释美国的“自由轮”、钢制桥梁、压力容器、管道等在低温下工作的脆性失效，促使研制出在低温下有良好性能的材料。现在已制造出在接近绝对零度的超低温下工作的装备和构件。 案例—— 火车车轴疲劳断裂 19世纪中期，铁路运输的出现给工作和生活带来了方便，但不久后频繁出现车轴的断裂。通过对大量断轴失效分析和试验研究工作，找到了原因：金属构件在交变应力的作用下，即使应力远低于金属材料的拉伸强度，经过一定的循环积累，也会发生断裂，这就是“疲劳”。此后经物理学家、冶金学家、机械工程师反复、深入、系统的研究，使疲劳断裂成为金属材料强度学中的一个重要领域。用疲劳的机理可以解释很多失效现象，研制出抗疲劳的性能良好的金属材料、结构和成形工艺。 对材料和构件各种失效机理的认识都是通过对装备构件发生各种失效进行分析，提高了对观规律的认识。失效、认识(失效分析)、提高、再失效、再认识、再提高，由此促进了科学技术的发展。 （2）提高装备及其构件的质量 装备及其构件的质量是非常重要的，以质量求信誉，以质量求效益，通过对装备构件的失效分析，是提高质量的有力措施。 装备构件的质量往往是通过各种试验检测进行考核。试验室内再好的模拟试验也不可能做到与装备构件服役条件完全相同。任何一次失效都可视为在实际使用条件下对装备构件质量检查所做的科学试验，失效越是意想不到的，越能给人们意想不到的启示，引导分析复杂多变的过程及影响因素下装备构件质量的偏差，找出被忽略的质量问题。由此从设计、材料、制造等各方面进行改进，便可提高装备及其构件的质量。（典型的错误） 从大量化工及石油化工装置构件的失效分析总结出很多的经验，其中“金属材料的高质量”是预防失效的首要要求。 （a）20世纪20年代，奥氏体不锈钢存在晶间腐蚀失效，通过失效分析提出晶间腐蚀的贫铬理论、选择性腐蚀理论及沉淀相腐蚀理论等，为避免有害的碳化铬在晶界沉淀，降碳、加稳定的碳化物形成元素及杂质含量低的奥氏体不锈钢相继问世；
（a）装备及构件失效带来直接及间接的经济损失，进行失效分析找出失效原因及防止措施，使同样的失效不再发生，这无疑就减少了损失，带来了经济效益；（尿素合成塔爆炸） （b）提高装备构件质量，使用寿命增加，维修费用降低及高的产品质量信誉等都带来经济效益； （c）失效分析能分清责任，为仲裁和执法提供依据；失效分析揭示了规章、制度、法规及标准的不足，为其修改提供依据。（通过标准规避高压钢管应变时效脆化的发生） （d）科学技术是生产力，失效分析有力地推动科学技术的发展，在这个方面失效分析给整个社会带来的经济效益和社会效益是难以估计。 1.3 失效分析的历史、现状和未来 失效分析的三个阶段 失效分析的初级阶段（公元前2025年到第一次工业革命前） 巴比伦国王汉莫拉比撰写的汉莫拉比法典是史料记载的最早的产品质量的法律文件。它第一次在人类历史上明确提出规定对制造有缺陷产品的工匠进行严厉制裁。 近代失效分析阶段（从工业革命到20世纪50年代末） 锅炉爆炸、桥梁倒塌、车轴断裂、船舶断裂等事故频繁出现，人们总结了各种失效形式及规律，促使研究带裂纹体力学行为的断裂力学雏形的诞生。 现代失效分析阶段 电子显微分析使失效细节观察成为可能，促使断口学及痕迹学的完善，成为失效分析最重要的科学技术； 断裂力学已成为研究含裂纹的工程结构件变形及裂纹扩展的分支学科，断裂力学在失效分析诊断中起了重大作用，揭示含裂纹体的裂纹扩展规律，并推进失效预测预防工作的进展； 失效分析集断裂特征分析、力学分析、结构分析、材料抗力分析及可靠性分析为一体，已发展成为跨学科的、综合的和相对独立的专门学科，不再是材料科学技术的一个附属部分。 国外失效分析发展现状 国外工业发达国家高度重视航空装备在内的交通安全事故的调查研究工作。 美国建有国家运输安全委员会，并早在1967年，美国成立了“机械故障预防中心(MFPC)”，由原子能委员会、美国国家航空和宇航局(NASA)等长期支持开展航空和宇航材料与结构的服役失效分析工作。 在德国，失效分析中心主要建在联邦及州立的材料检验中心。原西德的11个州共建了523个材料检验站，分别承担各自富有专长的失效分析任务。工科大学的材料检验中心，在失效分析技术上处于领先地位。 日本的金属材料技术研究部是政府的机械失效分析工程管理及运作机构。日本的特色是企业对失效分析特别重视，认为失效分析是质量管理的一个组成部分。 前苏联早在20世纪40、50年代就开展了失效分析工作，并出版了一系列有关失效分析的专著，但国内曾出现的重大事故却很少在刊物上报道，对于与失效分析相关的一些问题，如材料的强度与断裂、机械的可靠性与耐用性等则在公开刊物上讨论得较详尽。 中国的失效分析工作从20世纪70年代进入一个新时期，无论是组织管理、实际的分析操作技术、理论研究及普及教育都取得了很大的进步和提高。 会议方面： 中国机械工程学会失效分析分会与理化检验分会一起组织了举办全国失效分析学术会议。 图书方面： 《金属断口分析》、《机械产品失效分析丛书》、《机械零件失效分析》、《机械失效分析手册》和《失效分析》等。 期刊方面： 《失效分析与预防》、除此之外还有许多期刊开设了失效分析栏目，例如《金属热处理》、《理化检验》(物理分册)、《压力容器》等。 中国失效分析的差距与对策 失效分析的重视与普及程度有待提高； 失效分析人员水平差别较大，需要大力推进人员培训与 技术交流； 失效分析体制有待改进；（政府主导） 失效分析人员的诚信意识和中立意识有待加强。 1.1铸态金属组织缺陷 铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂纹、气泡和白点等。 (1)缩孔与疏松
金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。 在实际生产中的一般冷却条件下，扩散过程常落后于凝固和冷却过程。由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。这种偏析往往导致金属中树枝状组织的形成，故亦称枝晶偏析。 基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同。此外，在任何一种金属中，各个树枝状晶体之间最后凝固的部分，通常属于低熔点组成物和不可避免的杂质，它们与晶体本身的成分不同。上述这两种情况都属于晶体间的成分不均匀现象，即晶间偏析。
金属在熔融状态时的溶解大量的气体，在冷凝过程未能及时逸出，包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成了气孔。这种气孔称为气泡。 如果钢液中氢含量较高，在冷却时氢以原子态析出，聚集在钢中空隙处，结合成很难在钢中进行扩散的氢分子。在空隙处便形成巨大的局部压力(可达数百个大气压)，远远超过了钢的强度，因而产生裂缝。当出现这种缺陷以后，在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断口上会发现表面光滑的、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。
(1)内部组织缺陷 a．粗大的魏氏体组织 在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。 魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。
对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。如果不是多方向锻造，和小的锻造比，锻件就存在网络状或带状分布的碳化物 由于网状和带状组织破坏了材料性能的均匀性和连贯性，常成为工、模具过早失效的内在因素。
钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现象称为脱碳，凡降低了碳量的表面层叫做脱碳层。一般的锻造和轧制是在大气中进行的，加热及锻、轧过程中钢件表层会强烈烧损而出现脱碳层。
最常见钢材的表面缺陷有折叠、划痕、结疤、分层、表面裂纹等。
(1)脆性夹杂物 脆性夹杂物一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物(如A12O3、Cr2O3、ZrO2等)、双氧化物(如FeO·A12O3、Mg·A12O3、CaO·6A12O3等)、氮化物[如TiN、Ti(CN)、AlN、VN等]和不变形的球状(或点状)夹杂物(如球状铝酸钙和含SO2较高的硅酸盐等)。
塑性夹杂物这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物有含SO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰(MnS)、(Fe，Mn)S等。
半塑性变形的夹杂物一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物(如铝酸钙、尖晶石型的双氧化物等)不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。
夹杂物对钢性能的影响 大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。 （1）变形性能 由于夹杂物与钢基体之间的物理性质和变形性方面存在着较大的差异，在加工变形过程中，钢基体的均匀连续性受到破坏，引起应力集中。 （2）应力集中 由于夹杂物和金属的弹塑性性质不同，非金属夹杂物可使金属中发生应力再分配，引起应力集中，成为材料中的薄弱环节。 （3）裂纹诱因 夹杂物本身产生断裂或夹杂物与基体交界面产生断裂而成为裂源。 1.4金属焊接组织缺陷 (1)金属焊接的特点 金属的焊接是在不平衡的热力学条件下进行的，加热与冷却速度大。在大的结构件上，焊接接头金属只是一个微小部分，它的加热与冷却又是在相当大的刚性拘束下进行的，因此焊接接头具有如下特点： （1）焊接区无论是结构应力，还是热应力都是很复杂； （2）组织转变的不均匀性以及不平衡的结晶凝固引起的物理的与化学的不均匀性 （3）容易产生工艺缺陷 (2)焊接接头的形成与区域特征
a．热裂纹 在高温下产生，而且都是沿奥氏体晶界开裂。根据产生热裂纹的形态、机理和温度区间等因素不同，热裂纹又分为结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹三类 结晶裂纹 焊缝在结晶过程中，固相线附近由于凝固金属收缩时，残余液相不足，致使沿晶界开裂，故称结晶裂纹。 这种裂纹在显微镜下观察时，可以发现具有晶间破坏的特征，多数情况下在焊缝的断面上发现有氧化的色彩，说明这种裂纹是在高温下产生的。
在焊接热循环峰值温度作用下，母材近缝区和多层焊缝的层间金属中，由于含有低熔共晶组成物(如硫、磷、硅、镍等)而被重新熔化，在收缩应力作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。 多边化裂纹 焊接时焊缝或近缝区在固相线温度以下的高温区间，晶格缺陷的移动和聚集，便形成了二次边界，即“多边化边界”，组织疏松，高温时的强度和塑性都很低，易沿着多边化的边界开裂，产生多边化裂纹，又称高温塑性裂纹。
厚板结构焊后再进行消除应力热处理，其目的是消除焊后的残余应力，改善焊接接头的金相组织和力学性能。但对于某些钢种(含有沉淀强化元素的)在进行消除应力热处理的过程中，在焊接热影响区的粗晶部位产生裂纹。这种裂纹是在重新加热(热处理)过程中产生的，故称“再热裂纹”，又称“消除应力处理裂纹”，国外简称“SR裂纹”(StressReliefCracking)。 再热裂纹与热裂纹虽然都是沿晶界开裂，但是再热裂纹产生的本质与热裂纹根本不同，再热裂纹只在一定的温度区间(约550～650℃)敏感，而热裂纹是发生在固相线附近。
在相当低的温度，大约在钢的马氏体转变温度(即Ms点)附近，由于拘束应力、淬硬组织和氢的作用下，在焊接接头产生的裂纹属冷裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影响区，个别情况下，如焊接超高强钢或某些钛合金时，冷裂纹也出现在焊缝上。主要分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。
焊接结构的层状撕裂是属低温开裂，常用的低合金高强钢，撕裂温度不超过400℃。层状撕裂与一般的冷裂纹不同，它主要是由于轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物夹杂物)和在焊接时产生的垂直轧制方向的应力，致使焊接热影响区附近或稍远的地方产生呈“台阶”状的层状开裂，并具有穿晶发展。层状撕裂常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难以修复的结构破坏，甚至造成灾难性事故。。
钢铁零件在热处理时出现废品是平常事，其原因是零件在加热和冷却过程中不可避免产生内应力。内应力来源有两个方面。一方面由于冷却过程中零件表面与中心冷却速度不同，其体积收缩在表面与中心也就不一样。这种由于温度差而产生体积收缩量不同所引起的内应力称做“热应力”。另一方面，钢件在组织转变时比体积发生变化，比如奥氏体转变为马氏体时比体积增大。由于零件断面上各处转变的先后不同，其体积变化各处不同，由此引起的内应力称做“组织应力”。
2.1传统强度理论及适用范围
（1）在材料力学传统的强度理论的基础上建立的一整套有关结构强度设计的计算方法，被称为传统的强度计算方法。到目前为止，传统的强度计算方法仍对工程实践起着很大的指导作用。（GB150和ASMEcode） （2）传统的强度计算方法简单易行，但不够准确，因为假设材料为均匀连续、无损伤的前提，与材料的实际情况是有区别的。任何原材料都存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合。为了保证构件的安全，传统强度计算方法采用了较高的安全系数。安全系数既包容了材料的实际情况与均匀连续无损伤假设的差异，也包容了真实变形体与受力假设模型的差异，甚至包容了制造、使用等过程产生的变化与理论假设的差异在内，是一个无知程度系数。 （3）船舶折断、桥梁倒塌、车轴断裂、飞机坠毁多是构件材料裂纹扩展引起的。人们对裂纹萌生、长大及失稳过程的规律及对构件承载能力削弱的程度研究，促进了断裂力学的蓬勃发展。 2.2断裂力学的基本概念 断裂力学研究带有宏观裂纹(大于等于0.1mm)的均匀连续基体的力学行为，认为引起构件断裂失效的主要原因是构件材料存在宏观裂纹的成长及其失稳扩展。主要研究两个问题： （1）裂纹体在裂端区应力强度的表征及变化规律——外力作用下裂纹失稳扩展的能力； （2）是裂纹体发生失稳扩展的临界值——材料抵抗裂纹扩展的能力。
1.应力场表达式
由KI的表达式可见，随着应力σ的增大，KI值也随之增加。因此可以推断，当应力增大到某一临界值时，构件发生破坏即裂纹发生扩展。此时，裂纹应力强度因子KI达到一个临界值KIC，称之为临界应力强度因子。是材料断裂韧度之一，表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的物理参量，由试验测定。 3.K-判据 对于带裂纹的构件来说，因裂纹扩展引起构件破坏的判据（简称断裂判据）应该是： KI＜KIC K1是裂纹扩展的推动力，它取决于裂纹尺寸和所受载荷（应力）而与材料性能无关，只要材料性能符合线弹性的胡克定律。 KIC是材料的断裂韧性度，可根据标准测试出来，属于材料的力学性能之一，表征材料的韧性优劣。 线弹性断裂力学的历史功绩： 第一次建立了缺陷尺寸—应力—材料韧度三者之间的关系，从而构建了“结构完整性”理论、“合乎使用”准则。 线弹性断裂力学的不足之处： “线弹性”假设未能充分考虑裂尖的塑性变形的影响，不能适用于裂尖大范围屈服甚至结构的局部区域（如应力集中区）全面屈服状况下裂纹的断裂问题。 于是出现了弹塑性甚至全塑性条件下的断裂力学： —COD理论—裂纹尖端张开位移理论 —J积分理论 裂纹尖端张开位移（COD）理论 －对于无限板中心穿透裂纹，利用弹塑性力学可以导出裂尖的张开位移（D-M模型）：
δ=δC 是裂纹的临界状态；当δ稍大于δC时，裂纹开裂；当δ小于δC时，裂纹不开裂。 （1）裂纹尖端张开位移δ，可用直接观察法与蚀刻条纹法等实验方法测定，也可用有限元法与公式计算求出。 （2）δC是材料弹塑性断裂韧度的指标，是材料常数，由实验测得。 优点 δ断裂判据应用到焊接结构和压力容器的断裂安全分析非常有效，而且简单可行，加上δC的测量方法也比较简单，因此，在20世纪中后期，δ断裂判据在工程上应用比较普遍。 缺点 （1）δ断裂判据的理论基础薄弱，δ公式是根据M-D模型推出的，将裂纹尖端塑性区简化为窄条形，与真实情况（鱼尾形状）不符合。 （2）裂纹尖端张开位移临界值δC的规定有困难。如果以开裂点δi的值规定δC，尺寸影响较小，比较稳定，适合作为材料常数，但是用于设计，则偏于保守；如果以失稳点δmax的值规定δC，尺寸影响较大，数值不稳定，不适合作为材料常数，但是与断裂的实际情况较符合。 （3）M-D模型仅适用穿透裂纹，而工程中遇到的多数是表面裂纹。对于表面裂纹还没有相应的模型，只能工程方法近似确定。 J-积分理论 Rice导出围绕裂纹的一种线积分是一个与所取积分回路的路线无关的常量：
－J积分的物理意义是表征裂纹体在载荷作用下由应力应变构成的一种形变能量 －当J积分值达到临界值JIC时，裂纹发生开裂 特点 J-积分断裂判据与裂纹尖端张开位移δ断裂判据等比较，其优点是：理论根据严谨，定义明确；用有限元法能够计算不同受力情况与各种结构形状的J积分（平面问题），不像δ断裂判据那样，计算公式仅限于最简单的几何形状和受力情况；实验求JC，简易可行，与δ断裂判据的实验相仿。 2.3力学分析的手段 （1）解析法(解析解)：即以弹性与塑性力学为基础的数学解法，包括板壳力学。然而并非所有问题都可以求得解析解，因而所得的解具有很大的局限性； （2）数值法(数值解)：目前，最常用的是有限元法，可以解决许多复杂的实际问题，但所得结果并非数学表达式，而是一组离散的数值，因而无通用性，只能具体问题具体分析； （3）实验应力分析：包括电测法和光弹法。对于结构或受载复杂的容器，是一种有效的分析方法，也是验证解析解或数值解的重要途径。
核心思想：将结构离散化，通过结构力学的手段解决问题。 固体力学商业软件：ABAQUS,ANSYS,ADINA等 断裂力学有限元软件：ALOF,FEcrack,ABAQUS的crack模块等。
3.1化学反应（腐蚀） 化学腐蚀的方式是环境介质中的某些组分在与金属表面接触时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物，一般情况下这种腐蚀产物覆盖在金属表面上。
金属被氧化后成为正价离子(包括络合离子)进入介质或成为难溶化合物一般是金属的氧化物或含水氧化物或金属盐)留在金属表面。金属失去的电子通过金属材本身流向金属表面的另一部位，在那里由介质中被还原的物质所接受。按这种途径进行的反应称电化学反应，或称为电化学腐蚀。
前言
截止到2010年底，全国特种设备647.65万台。其中：锅炉60.73万台，压力容器233.59万台。另有气瓶14072.73万只，工业压力管道73.2万公里。 事故与损失 2010年特种设备万台事故起数为0.64起，万台死亡人数为0.67人，与2009年同期相比，万台事故起数减少30.4％，万台设备死亡人数下降11.8％，死亡人数控制在国务院安委会下达的特种设备安全生产控制指标之内，事故状况保持平稳态势。 事故原因 从管理层面分析，违章作业仍是造成事故的主要原因，约占73%，具体表现为作业人员违章操作、操作不当甚至无证作业、维护缺失、管理不善等；因设备制造、安装以及运行过程中产生的质量安全缺陷导致的事故约占19％；因非法行为导致的事故，约占5％，具体表现为非法制造、非法修理、非法改造、非法充装气体和非法使用。 3.1变形失效 定义：金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化称为变形。 过程：弹性→塑性→缩颈→断裂 特点：逐步进行，非灾难性。 分类：弹性变形失效／塑性变形失效／蠕变变形失效
过量弹性变形失效 构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量的弹性变形失效。 弯曲变形的轴类零件，其过大的弹性变形量(过大挠度、偏角或扭角)会造成轴上啮合零件的严重偏载、甚至啮合失常，也会造成轴承的严重偏载、甚至咬死，进而导致传动失效。 在卧式装备支撑的双鞍座设计中，一般鞍座垫板上用两种地脚螺栓孔，一个鞍座螺栓孔为圆孔，一个鞍座螺栓孔为长圆孔，就是考虑避免过量弹性变形引起失效。 管道的膨胀节，以便管道能够热胀冷缩。 浮头式换热器，防止热变形使换热管和管板拉开。 过量弹性变形失效 构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值，称为过量的弹性变形失效。 弯曲变形的轴类零件，其过大的弹性变形量(过大挠度、偏角或扭角)会造成轴上啮合零件的严重偏载、甚至啮合失常，也会造成轴承的严重偏载、甚至咬死，进而导致传动失效。 在卧式装备支撑的双鞍座设计中，一般鞍座垫板上用两种地脚螺栓孔，一个鞍座螺栓孔为圆孔，一个鞍座螺栓孔为长圆孔，就是考虑避免过量弹性变形引起失效。 管道的膨胀节，以便管道能够热胀冷缩。 浮头式换热器，防止热变形使换热管和管板拉开。 弹性变形失效的原因及防护措施 过载、超温或材料变质是构件产生弹性变形失效的原因，预防措施从下列几个方面考虑： ①选择合适的材料或构件结构。如对弹性变形有严格限制的构件，则要选择刚性高的材料与设计结构，E值高的材料不容易弹性变形； ②确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件。对于拉压变形的杆柱类零件、弯扭变形的轴类零件，其过量的弹性变形都会因构件丧失配合精度导致动作失误，要求精确计算可能产生的弹性变形及变形约束而达到适当的配合尺寸； ③采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等 化工设备产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。其变形失效判断以影响设备或构件执行正常功能为依据。包括鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷及歪扭畸变等，用肉眼观察或用形规对比即可判别。 塑性变形失效预防措施如下： ①合理选材，提高金属材料抵抗塑性变形的能力，除了选择合适的屈服强度的材料，还要保证金属材料质量，控制组织状态及冶金缺陷。 ②准确地确定设备的工作载荷，正确进行应力计算，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平。 ③严格按照加工工艺规程对设备成形，减少残余应力。 ④严禁设备运行超载。 ⑤监测腐蚀环境设备强度尺寸的减小。 蠕变变形失效 金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变（Creep）。 第一阶段，即曲线ab段，为蠕变的减速期。试件开始蠕变时速度较快，随后逐步减慢，这一段也是不稳定蠕变期。 第二阶段，即曲线bc段，为蠕变的恒速期。bc近似为一条直线，当应力不太大或温度不太高时，这一段持续时间很长，是蠕变寿命的主要构成部分，也叫稳定蠕变阶段。 第三阶段，即曲线cd段，为蠕变的加速期。此时蠕变速度越来越快，直至d点试件断裂。
断裂是设备在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象。设备内部产生裂纹也属于材料断裂范畴。断裂是金属构件常见的失效形式之一，特别是脆性断裂，它是危害性甚大的失效形式。 金属材料的断裂过程一般有三个阶段，即裂纹的萌生，裂纹的亚稳扩展及失稳扩展，最后是断裂。 金属构件断裂后，在断裂部位都有匹配的两个断裂表面，称为断口，断口及其周围留下与断裂过程有密切相关的信息。通过断口分析可以判断断裂的类型、断裂过程的机理，从而找出断裂的原因和预防断裂的措施。 断口分析，是失效分析的重要内容之一。
金属等材料构件的断口一般由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这三个区域通常被称作断口三要素。光滑圆柱金属棒在室温下承受静载拉伸作用，所呈现的典型破裂断口形貌，整个断口呈杯锥状。具体宏观特征为：
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45o夹角。 显微形貌 (1)纤维区的显微形貌 电镜中显示的纤维区形貌特征是呈“韧窝”花样，韧窝花样显示了金属的这种断裂机制的“微孔聚积”。
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”。
一般属于拉长韧窝型的形貌。
金属构件超载时会发生塑性变形，使宏观尺寸发生明显变化。当其应力应变增大到材料的抗拉强度时，结构便出现断裂失效。一般将发生过明显塑性变形之后的断裂称为韧性(或称延性)断裂失效。 韧性断裂的宏观特征： 1、有明显的塑性变形 2、爆破口是长缝或有分叉，但无碎片
韧性断裂的微观特征： 韧性断裂有正断和切断，其微观形貌相应也有微孔聚集型的韧窝花样和纯剪切的蛇行花样(及由蛇行滑动形成的涟波或延伸而致的无特征花样)。 a．韧窝 韧性断裂断断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。
剪切韧窝 在切应力的作用下，塑性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到最大，同时，显微孔被拉长，形成抛物线状或半椭圆状的韧窝，这时两个匹配面上的韧窝朝着相反方向。 撕裂韧窝 撕裂应力作用下出现伸长的或呈抛物线状的韧窝，此时两个匹配面上的韧窝朝着相同的方向，这种韧窝称为撕裂韧窝。
在某些金属材料中，尤其是杂质、缺陷少的金属材料，在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不同的晶粒之间的相互约束和牵制，不可能仅仅沿某一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称为“蛇行”花样。若形变程度加剧，则蛇行花样因变形而平滑化，形成“涟波”花样。
韧性断裂的容器一般不破碎成块或者片，而是只裂开一个裂口。壁厚比较均匀的圆筒形容器，常常是在中部沿轴向裂开，裂口的大小与容器破裂时释放的能量有关。盛装常温受压水的容器，破裂时因释放膨胀功很小，所以破口也小；盛装受压饱和水及液化气体的容器，破裂时因闪蒸产生大量气体，器壁的裂口也较大。 实际爆破压力接近计算爆破压力，属于超载破坏。 承压设备的韧性断裂是载荷引起的当量应力达到抗拉强度时产生的断裂，其实际爆破压力往往与计算爆破压力相接近，远远超过了承压设备的许用压力及正常工作压力，属于超压或超载破坏（设备壁因腐蚀或磨损减薄时例外）。 常见韧性断裂事故 ①液化气体容器充装过量。 有些盛装高临界温度液化气体的气瓶、罐车和贮罐，由于操作疏忽、计量错误或其它原因造成充装过量，在运输或使用过程中，容器内介质温度因环境温度影响或太阳曝晒而升高，介质体积膨胀满液后使器内压力急剧上升，最终导致容器韧性断裂。 ②承压设备在使用中超压。 由于违反操作规程、操作失误或其它原因，造成设备内压力升高并超过其许用压力，而设备又没有装设安全泄压装置或安全泄压装置失灵，最终造成韧性断裂。 ③设备维护不良引起壁厚减薄。 由于介质对器壁的腐蚀或磨损，或设备长期闲置不用而又未进行可靠防护，造成器壁严重减薄，又未及时检验，使部件在正常工作压力下发生韧性断裂。对腐蚀减薄部位来说，这也属于超载高应力断裂。 常见韧性断裂事故预防 ①化工设备必须按规定进行设计 承压部件必须经过强度验算，未经正规设计的化工设备禁止使用。 ②禁止将一般生活锅炉改装成承压锅炉 防止非承压的容器因结构或操作原因在器内产生压力。 ③承压设备应按规定装设性能和规格都符合要求的安全泄压装置，并始终使其处于灵敏可靠的状态。 ④认真执行安全操作规程，操作人员不得擅自离开工作岗位，注意监督检查，防止承压设备超压。 ⑤严格定期检验制度，检验时若发现承压部件器壁被腐蚀而致厚度严重减薄，或承压设备在使用中曾发生过显著的塑性变形时，即应停用。 事故案例 青岛碱业股份有限公司热电分公司5号锅炉在大修后，6月27日进行水压试验，试验压力3.92MPa,6月28日23点05分试车点火，当锅炉压力达到3.0MPa时，校验人员准备进行安全阀校验工作，29日凌晨2点20分，压力上升到4.25MPa时，校验人员在安全阀平台正欲进行校验之时，锅炉顶部右侧水冷壁上集箱与汽包之间的一根连接管发生爆炸，致现场操作人员四死一伤。
在爆破口的一端B8和B9位置发现大量的条状密集腐蚀凹坑，有些地方近乎于裂纹，最深约3mm，范围为200mm×60mm；在另一端爆破口的B5位置也同样发现了大量的条状密集腐蚀凹坑，严重处形如裂纹，最深约3~3.5mm，范围为240mm×40mm。
σs——管道材料的屈服强度或屈服点，MPa； R——凹坑所在部位管道的平均半径，mm； B——凹坑所在部位管道的壁厚，mm； Z——凹坑深度，mm； X——凹坑长度，mm。 根据上式，管道在常温和工作温度下极限载荷之比等于材料在相应温度下的屈服强度或屈服点之比，即：
此值明显小于水压试验压力5.25MPa。也就是说，该锅炉如果严格按照《锅炉定期检验规则》的要求进行水压试验，联络管极有可能在水压试验时爆破。 失效分析结论 （1）通过分析爆管的化学成分、金相组织、力学性能、宏观断口和微观断口,表明该管成分和性能符合20锅炉钢管的要求,未发生珠光体球化一类材质劣化的现象。该管存在严重的密集型腐蚀凹坑,是造成这次事故的根本原因。腐蚀凹坑处未发现应力腐蚀开裂现象。 （2）根据极限载荷与力学性能测试，认为如果严格按照《锅炉定期检验规则》的规定进行水压试验,严重凹坑腐蚀联络管在水压试验中可以发生爆破,从而避免灾难事故的发生。 （3）检验者依据《锅炉定期检验规则》制定了检验方案和进行了检验,但未能充分意识到处于不同工作条件下的锅炉管道所可能产生的后果,认真灵活地执行《锅炉定期检验规则》中有关锅炉管道腐蚀状况检测规定,没有安排爆管的壁厚测定。 脆性断裂 脆性断裂失效主要是指设备在没有发生塑性变形时就发生断裂或爆炸。其基本原因一是由于材料的脆性转变而引起的脆断；二是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，又称为低应力脆断。 ——尽管承压设备材料一般具有较好的塑性和韧性，但钢材在不同使用条件下有产生脆性及脆化的可能。特别是高参数、厚截面的大型容器，通常采用低合金高强钢制造，在高压、低温、三向应力状态、缺口、残余应力等因素的影响下，脆性断裂成为其主要的失效形式之一。 ——脆性断裂是一个快速断裂的过程，材料内部的微裂纹很快扩展达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展阻力小，扩展速度很快，最大可达声音在该材料中的传播速度。 脆性断裂的根本原因 1.材料的脆性（冲击韧性——冲击吸收能量和冲击断口） ——材料本身是脆性的，如泰坦尼克号，限于当时的生产力水平。 ——材料韧脆转变，低温脆性、氢脆、回火脆性（蓝脆）、应变时效脆化。
——焊接缺陷 ——疲劳断裂（交变载荷） ——应力腐蚀开裂（拉应力和特定的腐蚀环境）
（1）无明显残余变形 许多在水压试验时脆性断裂的承压设备，其试验压力与容积增量的关系在断裂前基本上还是线性关系，即处于弹性变形状态。有些脆裂成块的化工设备，将碎块拼组起来基本上还是原承压设备的形状，其周长与原周长相差无几，承压设备的壁厚也没有减薄。 （2）破裂成碎块 由于化工设备脆性断裂时材料韧性较差，脆性断裂的过程又是裂纹迅速扩展的过程，破坏往往在一瞬间发生，设备内的压力和能量无法通过一个裂口释放，因此脆性断裂的设备常裂成碎块，且常有碎片飞出。 （3）断口平齐且有金属光泽。 脆性断裂一般是正应力引起的解理断裂，断口平齐且与主应力方向垂直。脆断往往是晶界断裂，所以断口呈闪烁金属光泽的结晶状。在壁很厚的承压设备脆性断口上，还常有人字形放射花纹，其尖端指向裂纹源，始裂点往往是缺陷处或形状突变处。
断口的微观形貌一般是解理特征，不同组织的解理断口具有不同的形貌：铁素体的解理断口呈河流条纹、舌状花样；珠光体的解理断口呈不连续片层状；马氏体的解理断口由许多细小的解理面组成，可观察到针状刻面。几乎所有的解理断口上均有二次裂纹。
脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。由于实际晶体内部存在着许多缺陷(如位错、析出物、夹杂物等)，所以在一个晶粒内的解理并不是只沿着一个晶面，而是沿着一族相互平行的(具有相同的晶面指数)，位于不同高度的晶面解理。河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游(即河流分叉方向)是裂纹源。
性解理断裂的电子微观断口形貌的另一个特征是出现舌状花样。它所以称为“舌”，是因其电子金相形态如“舌”的缘故。当材料的脆性大、温度低，临界变形困难，晶体变形以形变孪晶方式进行。
脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。由于实际晶体内部存在着许多缺陷(如位错、析出物、夹杂物等)，所以在一个晶粒内的解理并不是只沿着一个晶面，而是沿着一族相互平行的(具有相同的晶面指数)，位于不同高度的晶面解理。河流条纹的流向也是裂纹扩展的方向，河流的上游(即河流分叉方向)是裂纹源。
在回火马氏体组织(有时也在贝氏体组织)的脆性断口上首先观察到一种特别的断口形态“准解理”。实际遇到的构件穿晶型脆性断口，大多属于这种类型。准解理断口的显微形态特征是具有起源于解理面心部向四周扩展的辐射状河流条纹，以及由隐蔽裂纹扩展接近产生韧性变形而形成的撕裂棱和微坑结构。
断口沿晶粒边界或者相界裂开，断口呈现大的浮凸，能够看到晶粒外形和三叉边界。
传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑缺陷大小、温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素。 ⑴正确选择材料。 考虑材料的韧脆转变温度，考虑材料的断裂韧度。 ⑵减少承压设备中结构的应力集中，消除残余应力 例如减少尖锐角，消除未熔合与未熔透的焊缝，承压设备设计时应尽量保证结构几何尺寸的连续性。尽量减少由焊接产生的缺陷。细致设计焊接结构，设计中应尽量减少和避免焊缝集中和重叠交叉。需采用较好的焊接方法，保证焊透，尽量避免焊缝表面缺陷。 ⑶加强对承压设备的检验。 对在用承压设备定期检验，及早发现缺陷，及时消除或严格监控，也是防止设备发生脆性断裂的有效措施。 疲劳断裂 疲劳断裂是化工设备承压部件较为常见的一种断裂方式。据英国统计，在运行期间发生破坏事故的压力容器，有89.4%是由裂纹引起的；而在由裂纹引起的事故中，疲劳裂纹占39.8%。国外还有资料估计，压力容器运行中的破坏事故有75%以上是由疲劳引起的。由此可见，化工设备的疲劳断裂是绝不能忽视的。 疲劳断裂的定义 金属构件在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于金属材料的抗拉强度，有时甚至低于屈服极限，但经过一定的循环周期后，金属构件会发生突然的断裂，这种断裂称为疲劳断裂。 疲劳断裂的分类 按载荷类型分，有拉伸疲劳、拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳及各种混合受力方式的疲劳； 按载荷交变频率分，有高周疲劳和低周疲劳； 按构件应力大小分，有高应力疲劳(一般是低周疲劳)及低应力疲劳(一般是高周疲劳)； 按复杂环境条件分，腐蚀疲劳、高温疲劳、微振疲劳、接触疲劳等。 疲劳断裂的现象和特征 载荷特征 存在交变载荷是疲劳的根本原因和显著原因。
a—结构钢的机械疲劳曲线， b—腐蚀疲劳曲线， σr—疲劳极限， σr’—条件疲劳极限。
疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展和瞬时断裂三个阶段。
疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。金属构件由于受到交变负荷的作用，金属表面晶体在平行于最大切应力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的“挤出”和“挤入”现象，形成了滑移带，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。
疲劳裂纹的扩展是一个包括滑移、塑性形变与不稳定断裂交替作用的复杂过程，通常具有切向扩展和正向扩展两个阶段。
疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调加载的情形相似。这一阶段中，在通常情况下，呈现被拉长的韧窝花样或准解理等显微特征，还有剪切唇区。
宏观形貌 疲劳断裂过程有三个阶段，其断口一般也能观察到三个区域：疲劳裂纹起源区、疲劳裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。
即为疲劳裂纹萌生区。这个区域在整个疲劳断口中所占的比例很小。通常就是指断面上疲劳花样放射源的中心点或疲劳弧线的曲率中心点。疲劳裂纹源一般位于构件表面应力集中处或不同类型的缺陷部位。 疲劳裂纹扩展区 在此区中常可看到有如波浪推赶海岸沙滩而形成的“沙滩花样”，又称“贝壳状条纹”、“疲劳弧带”等。这种沙滩花样是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，每一条条带的边界是疲劳裂纹在某一个时间的推进位置。 最终断裂区 当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，构件承载截面减小至强度不足引起瞬时断裂，该瞬时断裂区域是最终断裂区。最终断裂区的断口形貌较多呈现宏观的脆性断裂特征，即粗糙“晶粒”状结构。 微观形貌（疲劳辉纹）
疲劳辉纹具有以下的几个特征： （1）疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状。并与裂纹微观扩展方向相垂直。裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧。 （2）每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置。 （3）疲劳辉纹可分为韧性辉纹和脆性辉纹两类。脆性疲劳辉纹一般不常见，韧性疲劳辉纹较为常见。
由于疲劳断口的两个匹配断面之间重复冲击和相互运动所形成的机械损伤，也可能是由于松动的自由粒子(硬质点)在匹配断裂面上作用留下的微观变形痕迹。轮胎压痕花样不是疲劳本身的形态，但却是疲劳断裂的一个表征。
1.构件表面质量 疲劳断裂多数起源于构件的表面或亚表面，这是由于承受交变载荷的构件工作时其表面应力往往较高，典型的是弯屈疲劳构件表面拉应力最大，加上各类工艺程序难以确保表面加工质量而造成的。因此，凡是制造工艺过程中产生预生裂纹(如淬火裂纹)、尖锐缺口(如表面粗糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面强度的弊病(如表面氧化、脱碳等)都将严重地影响构件的疲劳寿命。
许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。
如果构件表面存在着残余拉应力，对疲劳是极为不利的。但是，如果使构件表面诱发产生残余压应力，则对抗疲劳大有好处，因为残余压应力起着削减表面拉应力数值的作用。如构件经表面氮化处理后使表层诱导产生约980MPa的残余压应力，从而提高了构件的疲劳强度。 5.工作条件 （1）载荷频率对疲劳强度的影响是其在一定范围内可以提高疲劳强度。在6000～60000次/min(100～1000Hz)载荷频率之间，钢的疲劳极限是随频率提高而增加的，而在3000～10000次/min(约50～170Hz)载荷频率之间，其疲劳极限基本没有变化。载荷频率低于60次／min(1Hz)时，疲劳极限有所降低。
（3）间歇加载 当加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低疲劳强度。 （4）温度对疲劳强度的影响一般是温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。对钢来说，在200～400℃范围内疲劳极限会出现峰值。 （5）腐蚀环境介质使构件表面产生蚀坑、微裂纹等缺陷，将会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。 疲劳断裂的预防 1.在保证结构静载强度的前提下，选用塑性好的材料； 2.在结构设计中尽量避免或减小应力集中； 3.在制造和安装过程中尽量减少和避免残余应力、安装应力； 4.在运行中尽量避免反复频繁地加载和卸载，减少压力和温度波动； 5.加强检验，及时发现和消除结构缺陷。 蠕变断裂 是在应力和一定温度共同作用下，随着时间的增加金属不断产生塑性变形的持续过程，最终导致蠕变断裂。 穿晶型蠕变断裂在断裂前有大量塑性变形，断裂后的伸长率高，往往形成缩颈，断口呈韧性形态，因而也叫蠕变韧性断裂。 沿晶型蠕变断裂在断裂前塑性变形很小，断裂后的伸长率甚低，缩颈很小或者没有，在晶体内常有大量细小裂纹，这种断裂也叫蠕变脆性断裂。 蠕变断裂形式的变化与温度、压力等因素有关。在高应力及较低温度下蠕变时，发生穿晶型蠕变韧性断裂；在低应力及较高温度下蠕变时，发生沿晶型蠕变脆性断裂。 锅炉的过热器管及蒸汽管道，由于直径相对于壁厚较小，应力水平较低而温度水平较高，因而其蠕变断裂常呈沿晶脆断特征。 另外，蠕变断裂的断口常有明显的氧化色彩。 案例一
案例三
⑴合理进行结构设计和介质流程布置，尽量避免承受高压的大型容器直接承受高温，避免结构局部高温及过热。 ⑵根据操作温度及压力，合理选材并决定许用应力，使材料在使用条件下及服役期限内具有足够的常温及高温强度。 ⑶采用合理的焊接、热处理及其它加工工艺，防止在制造、安装、修理中降低材料的抗蠕变性能。 ⑷严格按照规定的操作规程运行设备，防止总体或局部超温超压从而降低蠕变寿命。 |
|
|
