17压力容器失效分析基础知识

脱碳和开裂
脱碳分层线
1.5中海化学合成氨装置103-JT转子叶片振动破坏
设计的安全系数偏小和榫齿与转子间的配合偏差导 致疲劳
断裂后的叶片
断裂后的叶根
1.6北京东方化工厂裂解炉炉管大量活动性裂纹
外表面
内表面
露点工况下的氯离子应力腐蚀
端面
高倍下显示为穿晶裂纹
低倍下显示为树枝状裂纹
1.7新疆天业化工股份有限公司尿素合成塔应力腐蚀
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
4 脆断 4.1 低温/低韧度脆断 如果材料是碳钢或低合金钢，则可能发生低温/低韧度脆断。——无塑性转 变温度。 4.2 回火脆 如果材料为1.25Cr-0.5Mo钢或2.25Cr-0.5Mo钢或3Cr-1Mo钢，并且操作 温度为329.1～562.4℃，则可能发生回火脆。回火脆化是由钢材中的残存元 素和合金元素沿晶界析出引起的。钢材中的磷和锡的含量尤为重要，其影响 效果因锰和硅的存在变得更大。一般控制J系数：Ｊ=(Si+Mn)×(P+Sn) ×104。 4.3 金属间化合物脆 如果材料为高Cr（>13%）铁素体钢，并且操作温度为356.9～551.3℃， 则可能发生金属间化合物脆。金属间化合物为铬—磷金属间相在高温时析出 的，对韧性的影响主要不是发生在运行温度下，而是发生在装置停机和工艺 波动时的较低温度下。 4.4 σ相脆 如果材料为奥氏体不锈钢，并且操作温度为579.1～912.4℃，则可能发生 σ相脆。 σ相是铁和铬组成的硬质脆性金属间化合物。
导致断裂的原因不外乎两个因素：
材料抵抗力过小或载荷动力过大
材料方面主要考虑： 材料的力学性能、耐腐蚀性能、耐疲劳性能（具体包括化学成 份、热处理、化学处理、加工硬化、焊后的性能改变等）、以 及构件的形状和尺寸因素（缺口的尖锐程度、倒角等）
对材料而言，成分决定组织、组织决定性能。设备和管道 的耐蚀性能不仅仅取决于所选用板材、锻材或铸材的性能，更 却决于设备和管道在制造中的成型、焊接、热处理和所使用的 环境。 ——应注意材质耐蚀性能的变化。例如1Cr18Ni9Ti。
所有的工程材料都是活性化学品，就像食盐溶解在水中一样， 任何工程材料都能快速并完全溶解在某种环境中，根据这种 本征活性的观点，令人惊奇的并不是材料的失效，而是它们 在环境中可以正常使用。
1.1九江石化合成氨装置气化炉出口管道爆炸
化学爆炸
大变形
45度剪切唇 高速形变马氏体
1.2沈阳市某酒厂的５吨酒罐大变形失效
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
5外部破坏 5.1 外部腐蚀 如果材料为碳钢或低合金钢，设备没有绝热层，并且操作温 度（连续或短时）为-26.4～106.9℃，则可能发生外部腐蚀。 5.2 层下腐蚀 如果材料为碳钢或低合金钢，并且设备有绝热层，并且操作 温度（连续或短时）为-26.4～106.9℃，则可能发生层下腐蚀。 5.3 外部应力腐蚀 如果材料为奥氏体不锈钢，设备没有绝热层，并且操作温度 （连续或短时）为23.6～134.7℃，则可能发生外部应力腐蚀。 5.4 层下应力腐蚀 如果材料为奥氏体不锈钢，并且设备有绝热层，并且操作温 度（连续或短时）为23.6～134.7℃，则可能发生层下应力腐蚀。
5.4模拟试验法
反应装置示意图(容器2中为矿粉和硫酸)
5.4模拟试验法
腐蚀介质： 气相空间：湿氯气；
液相空间：盐酸；
失效现象: 锆板(尤其锆钽焊缝处)严 重腐蚀
5.4模拟试验法
1.氯气对锆钽试样气蚀的模拟试验
试验溶液：7%盐酸溶液
溶液温度：70℃ 试样位置：液面以下，与液面成30度角，钽板在上方，锆板在下方，焊 缝与液面平行。 气蚀方式：通工业纯氯气，形成气泡冲击试样样板中的锆板一边，出气 孔位置距离试样被冲击部位不大于50mm。 试验时间：连续运行200~300小时 试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过50mmX100mm
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
9 氯化物应力腐蚀开裂：如果材料为奥氏体不锈钢，并且介质中 含有氯和水（包括工艺异常和水压试验后残留在设备中的水）， 并且温度为23.5～134.7℃，则可能发生氯化物应力腐蚀开裂。 三、其它失效机理 1高温氢侵蚀：如果材料为碳钢或低合金钢，并且操作温度大于 190.2℃，并且操作氢分压大于0.55MPa，则可能发生高温氢侵 蚀。——Nelson曲线 2炉管破坏：如果设备为用于加热液体介质的直接受火的加热器 或加热炉，则可能发生炉管破坏。分别计算长期蠕变和短期蠕 变。 3管道机械疲劳：如果管道曾经发生过疲劳失效，或者管道存在 可以看见/听见的振动，或者在15.24米的范围内存在与管道相连 的振动源，则管道可能发生机械疲劳失效。
——失效分析的常用手段
•残余应力测试、振动测试
——失效分析的常用手段
•无损检测 •工艺检查 •运行检查 •模拟腐蚀试验
五、失效分析的基本方法
•相关性思路法—较简便、较普及 •事故树法—逻辑性较强 •排除法—不能直接给出结论，不推荐 •模拟试验法—缺少数据时，可以还原现场
基本方法也可分为比对法和排除法
5.4模拟试验法
CSEI
谢
谢！
Thank you
壁厚较薄以及支撑不合理导致失稳
1.3燕山石化化学品事业部粗苯酚再沸器振动破坏
壳程筒体与管板间焊缝附近裂纹
结构不合理和介质冲击导 致疲劳，管板锻件晶粒度 超过1级使疲劳加剧
壳程筒体与管板间焊缝横截面
加速度测试表明振动频率处于机械振动范围
1.4中海化学天野分公司C炉水冷壁炉管材质劣化
管内跑酸导致氢腐 蚀，其表现为脱碳 和开裂
5.3排除法
浸出槽内发生化学反应产生H2S H2S浓度超过爆炸极限 通入氧气
设备法兰上的螺柱被点焊 H2S浓度达到爆炸极限 浸出槽内发生化学爆炸 偶然因素导致的摩擦产生局部热 点
螺柱承载能力降低
薄弱螺柱脆性断裂
其余螺柱脆性断裂或带有脆 性特征的韧性断裂
个别螺柱被从螺孔拉出
浸出槽上筒体和上封头飞出
浸出槽爆炸事故过程示意图
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
4 硫化氢环境中的氢致开裂及应力导向氢致开裂：如果材料为碳 钢或低合金钢，并且介质中含有水和H2S，则可能发生氢致开 裂及硫化氢环境中的应力导向氢致开裂。 5 氢氟酸环境中的氢致应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢或低合金 钢，并且介质中含有氢氟酸，则可能发生氢氟酸环境中的氢致 应力腐蚀开裂。 6 氢氟酸环境中的应力导向氢致应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢 或低合金钢，并且介质中含有氢氟酸，则可能发生氢氟酸环境 中的应力导向氢致应力腐蚀开裂。 7 碳酸盐应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢，并且介质为PH值大 于7.5的碱性水，则可能发生碳酸盐应力腐蚀开裂。 8 连多硫酸应力腐蚀开裂：如果材料为奥氏体不锈钢或镍基合金， 并且介质中含有含硫化物，则可能发生连多硫酸应力腐蚀开裂。
Leabharlann Baidu
5.4模拟试验法
2.电偶腐蚀模拟试验
试验溶液：7%盐酸溶液
溶液温度：7%盐酸沸点 试样位置：液面以下，与液面成60~70度角，钽板在上方，锆板在下方， 焊缝与液面平行。 加速方式：通过溶液沸腾出现的气泡来冲击试样。 试验时间：连续运行200~300小时
试样尺寸:实验的试样尺寸不会超过50mmX100mm
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
腐蚀动力可以参考API581中的一些腐蚀判定方法：
一、均匀腐蚀和局部腐蚀
1盐酸腐蚀：如果介质中存在氯化氢和游离水，则可能发生盐酸 腐蚀。
2高温硫化物/环烷酸腐蚀：如果介质中存在含硫的原油，并且操 作温度大于190℃，则可能发生高温硫化物/环烷酸腐蚀。
5.2事故树法
高压停留罐 6.55MPa , 280℃ ,铝酸钠水溶液 16MnR
5.2事故树法
5.3排除法
浸出槽 ，0.2MPa, 90~120 ℃ ,硫酸锌、硫酸（9%）、 硝酸（1%） , Q235-B
5.3排除法
浸出槽爆炸事故过程示意图
5.3排除法
经分析该事故原因主要有以下几种可能：
蒸气泄漏到层板中产生应力腐蚀开裂
二、失效分析的目的及主要形式
失效分析的主要目的是要找出引起失效的原因，从而采取有 效措施，使同样的失效不再重复产生。 现阶段失效分析主要包括以下形式： •石油化工企业委托学校、科研院所进行失效分析 •科研院所进行失效分析研究 •法院委托技术鉴定 •设计制造单位进行优化设计、优化制造（有些已经衍化为计算 机模拟优化设计）等等。
从大的方面讲，失效机理可主要分为均匀腐蚀、局部腐 蚀、应力腐蚀、材质裂化、机械破坏等，但针对某个特定 环境下的失效模式往往是几种腐蚀机理耦合的结果。如腐 蚀疲劳问题，硫化物应力腐蚀问题，高温硫化物和环烷酸 腐蚀问题等等。
5.1相关性思路法——根据断裂分类的分析思路
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
失效分析概述
中国特种设备检测研究院
提 纲
•失效分析的定义 •失效分析的目的及主要形式 •有关断口的基本知识 •失效分析的常用手段 •失效分析的基本方法
一、失效分析的定义
灯泡 •失效分析：产品丧失其规定功能现象称为失效。 •石油化工企业常见的失效现象有：爆炸、着火、泄露、结构大 变形、振动加剧以及在检测中发现的严重腐蚀、严重冲刷磨损、 材质劣化、大量活动性裂纹等等。
三、有关断口的基本知识
——有关断口的基本知识
3.1韧性断口
3.2脆性断口
3.3疲劳断口
3.4高温蠕变断口
四、失效分析的常用手段
•断口取样（切割） •断口试样保存 •断口制样和清洗（超声波、腐蚀）
——失效分析的常用手段
•宏观检查 •显微镜检查
裂纹拼凑图（T型） 找到初始裂纹
——失效分析的常用手段
更改设计原因、螺栓缺陷原因、工艺化学爆炸
对于更改了的设计：设计比对显示对结构受力影响不大； 对于带缺陷的螺栓：进行了韧性断裂和脆性断裂模拟（考虑了 螺栓的一定预紧力），显示在操作压力下不会断裂； 对于工艺：进行了模拟试验，显示会生成大量硫化氢，在随后 的工艺中要求通入氧气后，达到爆炸极限，但缺少点火源； 对于试车工艺：进行了排查，试车工艺对爆炸影响不大；
3高温H2S/H2腐蚀：如果介质中含H2S和H2，并且操作温度大 于190℃，则可能发生高温高温H2S/H2腐蚀。 4硫酸腐蚀：如果介质中存在硫酸，则可能发生硫酸腐蚀。 5氢氟酸：如果介质中存在氢氟酸，则可能发生氢氟酸腐蚀。
5.1相关性思路法——根据断裂失效的强度分析思路
6酸性水：如果介质中存在含H2S和NH3的游离水，则可能发生 酸性水腐蚀。 7胺：酸性气体胺处理（乙醇胺（MEA），二乙醇胺（DEA）， 甲基乙醇胺（MDEA））设备可能发生胺腐蚀。 8高温：如果存在氧气，并且温度大于468℃，则可能发生高温 氧化。 二、应力腐蚀 1 碱脆：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质含NaOH，则可 能发生碱脆。 2 胺脆：如果材料为碳钢或低合金钢，并且设备用于酸性气体胺 处理，则可能发生胺脆。 3 硫化物应力腐蚀开裂：如果材料为碳钢或低合金钢，并且介质 中含有水和H2S，则可能发生硫化物应力腐蚀开裂。
•金相试验、扫描电子显微镜试验
洗照片
——失效分析的常用手段
•硬度检测、力学性能试验（拉伸、冲击、弯曲、扭转、断裂韧
度、高温性能、腐蚀后的性能）
——失效分析的常用手段
•化学成份分析、光谱分析（定量和半定量）、能谱分析、X射线
衍射分析 •液体成分分析
——失效分析的常用手段
•有限元计算模拟
强度（韧性和脆性）、刚度、稳定性、振动 基于GB150强度校核、基于GB4732分析设计强度校核、极限载荷 分析、脆断“极限”载荷分析