化工设备失效原理与案例分析PDF电子书下载

第1章 失效分析概论 1

1.1 失效与失效形式的分类 1

1.1.1 失效的概念 1

1.1.2 失效的危害性 2

1.1.3 常见失效形式的分类 3

1.2 金属材料的结晶结构、变形和断裂 5

1.2.1 金属材料的结晶结构 5

1.2.2 晶格及晶面的表征 6

1.2.3 实际金属晶体结构中的缺陷 7

1.2.4 金属材料变形的本质 8

1.2.5 金属材料的断裂 9

1.3 金属材料的断裂机制 11

1.3.1 微孔聚集型断裂 11

1.3.2 解理断裂 17

1.3.3 金属材料的疲劳断裂 24

1.3.4 蠕变损伤与断裂 28

1.3.5 腐蚀失效与破坏 36

1.4 失效分析中常用的分析仪器 50

1.4.1 光学显微镜（OM） 50

1.4.2 电子显微镜（EM） 51

1.4.3 成分分析仪器 53

1.5 失效分析工作的内容 55

1.5.1 失效分析中的诊断技术概述 56

1.5.2 失效现场处理和调查 57

1.5.3 失效状况的整体外观检查及取证 58

1.5.4 材料的检验与鉴定 58

1.5.5 断口形貌的检验与鉴定 58

1.5.6 失效分析中的验证性试验与计算分析 60

1.5.7 失效分析中的综合分析 62

1.5.8 失效分析中的综合诊断方法 64

参考文献 67

第2章 焊接缺陷及裂纹分析 70

2.1 焊接缺陷产生的原因及防治 70

2.1.1 焊缝内部缺陷 70

2.1.2 焊缝外部缺陷 73

2.2 焊接裂纹 75

2.2.1 焊接热裂纹 77

2.2.2 焊接冷裂纹 80

2.2.3 再热裂纹 85

2.2.4 层状撕裂 87

案例2A 乙烯裂解炉对流段超高压蒸汽过热器炉管焊接裂纹分析 89

案例2B 液化石油气球罐焊接裂纹分析 93

案例2C 锅炉筒体焊缝中裂纹的失效分析 98

案例2D 废热锅炉蒸发器管弯头与侧板焊接裂纹的失效分析 104

参考文献 111

第3章 承压设备的韧性失效分析 113

3.1 压力容器的超压变形和韧性爆破过程分析 113

3.1.1 超压变形和爆破试验的爆破曲线 113

3.1.2 压力容器爆破过程分析 114

3.1.3 容器屈服压力和爆破压力的理论估算 116

3.1.4 容器韧性爆破断裂的实质 118

3.2 压力容器韧性破坏的宏观特征 118

3.2.1 有明显的塑性变形——鼓胀 119

3.2.2 爆破口的宏观特征 119

3.2.3 韧性爆破一般不产生碎片 120

3.3 压力容器韧性破断后的断口特征 121

3.3.1 断口的宏观形貌特征 121

3.3.2 断口显微形貌特征 123

3.4 压力容器韧性失效的原因分析 125

3.4.1 腐蚀减薄 125

3.4.2 超载 126

3.4.3 超温 127

3.4.4 结垢与结焦 127

3.5 压力容器韧性失效的预防 129

3.5.1 防止超载或防止超装 129

3.5.2 防止壁厚减薄 129

3.5.3 防止超温 130

案例3A 多层式厚壁反应塔局部腐蚀后爆破穿孔失效 131

案例3B 烃转化炉炉管爆管事故分析 135

案例3C 丁烷—氧气焊炬爆炸事故分析 144

案例3D 充氮车蓄能器钢瓶爆炸事故分析 148

参考文献 161

第4章 化工设备的脆性断裂失效分析 163

4.1 化工设备脆性断裂失效的宏观特征 163

4.1.1 宏观变形量小 163

4.1.2 易产生碎片 163

4.1.3 主断口平齐 165

4.1.4 脆断失效的基本原因分析 166

4.2 材料的脆性引起的脆断失效 166

4.2.1 脆性材料的脆断问题 167

4.2.2 低温韧脆转变引起的脆断 168

4.2.3 加工制造过程中致脆引起的脆断 170

4.2.4 焊接接头脆化导致脆断 170

4.2.5 高温长期运行引起钢材的脆化 171

4.2.6 铁素体类钢的氢致脆化——氢脆问题 172

4.3 宏观缺陷引起的脆断——低应力脆断 173

4.3.1 低应力脆断概念 173

4.3.2 导致低应力脆断的常见缺陷 174

4.3.3 断裂力学的基本原理与低应力脆断 174

4.4 脆性断裂的断口特征 177

4.4.1 低温冷脆型的解理或准解理断口 177

4.4.2 长期中温高温服役后材料脆化导致脆断后的断口特征 178

4.4.3 低应力脆断的断口特征 182

4.5 脆性断裂的预防措施 185

案例4A 炼油装置减压塔补焊管孔后母材脆性开裂 188

案例4B φ325氯气输送管道脆断事故分析 192

案例4C 中温炉管安装中水压试验时爆裂事故分析 200

案例4D 聚乙烯挤出机齿轮减速箱螺栓脆性断裂分析 209

参考文献 215

第5章 疲劳失效分析 216

5.1 交变载荷与交变应力 216

5.1.1 过程机械中常见的交变载荷 216

5.1.2 疲劳的载荷谱 218

5.1.3 金属疲劳失效分析中最为关注的问题 220

5.2 疲劳断裂的机理及力学表征 220

5.2.1 金属材料疲劳裂纹的萌生机理及疲劳断裂的第Ⅰ阶段 221

5.2.2 疲劳裂纹扩展的机理及断裂力学表征——疲劳断裂的第Ⅱ阶段 223

5.2.3 疲劳断裂的第Ⅲ阶段——瞬断区 225

5.3 疲劳断裂的失效分析 226

5.3.1 疲劳断裂的宏观特征分析 226

5.3.2 疲劳裂纹的形貌 229

5.3.3 疲劳断口的宏观特征 230

5.3.4 疲劳断口的电子显微特征 236

5.3.5 容易与疲劳断口相混淆的其他断口 242

5.4 热疲劳失效 246

5.4.1 热应力与热疲劳 246

5.4.2 热疲劳失效的特点 246

5.5 腐蚀疲劳失效 247

5.5.1 腐蚀疲劳的一般定义 247

5.5.2 腐蚀疲劳裂纹特征 248

5.5.3 腐蚀疲劳断口形貌特征 248

5.6 疲劳断裂失效的预防 250

5.6.1 一般预防原则 250

5.6.2 压力容器低周疲劳失效的预防措施 250

案例5A 聚丙烯聚合釜接管低周疲劳断裂 252

案例5B 安全阀的液位计连通接管疲劳断裂 256

案例5C 泵传动轴疲劳断裂失效 259

案例5D 钛冷凝器的钛管断裂与泄漏失效分析 262

参考文献 265

第6章 局部腐蚀失效 267

6.1 腐蚀失效分类 267

6.1.1 按腐蚀机理分类 267

6.1.2 按腐蚀破坏的形式分类 267

6.2 点腐蚀失效 268

6.2.1 点腐蚀机理 269

6.2.2 点腐蚀失效的宏观形貌 270

6.2.3 点腐蚀失效的金相形貌 272

6.2.4 点腐蚀失效的扫描电镜形貌 274

6.2.5 点腐蚀的影响因素和防止措施 275

6.2.6 抗点腐蚀能力的表示方法 277

6.3 缝隙腐蚀失效 278

6.3.1 缝隙腐蚀产生的条件 278

6.3.2 缝隙腐蚀机理 278

6.3.3 缝隙腐蚀宏观特征 279

6.3.4 缝隙腐蚀与点腐蚀的比较 279

6.3.5 影响因素及防止措施 279

6.4 晶间腐蚀失效 280

6.4.1 晶间腐蚀机理 280

6.4.2 晶间腐蚀的宏观特征 282

6.4.3 晶间腐蚀的金相特征和检验 283

6.4.4 晶间腐蚀的断口扫描电镜形貌 284

6.4.5 晶间腐蚀的预防 284

6.5 选择性腐蚀 285

6.5.1 机理 285

6.5.2 脱锌 285

6.5.3 石墨腐蚀 286

6.5.4 选择性腐蚀的特征 286

案例6A 膨胀节点腐蚀 287

案例6B 点腐蚀诱发的疲劳失效 288

案例6C 316L不锈钢管道晶间腐蚀失效 290

案例6D 超级奥氏体不锈钢硫酸泵晶间腐蚀失效 293

案例6E 选择性腐蚀案例 296

参考文献 297

第7章 应力腐蚀开裂失效 299

7.1 应力腐蚀破裂的条件与特点 299

7.2 应力腐蚀机理 299

7.2.1 阳极溶解机理 299

7.2.2 氢致应力腐蚀开裂 301

7.2.3 应力作用 301

7.2.4 敏感性介质 302

7.3 应力腐蚀裂纹的形貌特征 303

7.3.1 宏观形貌 303

7.3.2 显微形貌 304

7.4 奥氏体不锈钢的应力腐蚀 307

7.4.1 氯离子的应力腐蚀 307

7.4.2 冷加工奥氏体不锈钢在湿H2S溶液中的应力腐蚀影响 310

7.4.3 高温水对奥氏体不锈钢引起的应力腐蚀 311

7.4.4 连多硫酸应力腐蚀 312

7.4.5 控制不锈钢应力腐蚀破裂的主要途径 313

7.5 双相不锈钢的应力腐蚀失效 314

7.5.1 应力腐蚀机理 315

7.5.2 焊缝的应力腐蚀 317

7.5.3 焊缝的应力腐蚀特征 318

7.6 碳钢碱脆 319

7.6.1 产生的条件 319

7.6.2 特征 319

7.6.3 预防措施 321

7.7 碳钢硝脆 321

7.8 无水液氨对碳钢和低合金钢的应力腐蚀 323

7.9 湿硫化氢对低合金钢的应力腐蚀和氢损伤 324

7.9.1 湿硫化氢引起的氢鼓泡（HB） 325

7.9.2 氢致开裂（HIC） 326

7.9.3 硫化物应力腐蚀开裂（SSCC） 327

7.9.4 氢致破裂和硫化物应力破裂的比较 328

7.9.5 应力导向氢致开裂（SOHIC） 328

7.9.6 湿H2S应力腐蚀的预防 330

7.10 铜及铜合金的应力腐蚀开裂 331

7.10.1 环境的影响 331

7.10.2 应力腐蚀机理 332

7.10.3 微观特征 332

案例7A 连多硫酸导致奥氏体不锈钢Ω环应力腐蚀 333

案例7B 冷加工的波形膨胀节在湿硫化氢环境下的爆裂事故 336

案例7C 双相不锈钢应力腐蚀案例 342

案例7D 碳钢管线焊缝碱脆开裂失效 344

参考文献 346

第8章 高温运行设备蠕变及材料损伤的失效分析 350

8.1 高温运行设备对材料性能的要求 350

8.2 金属材料的高温蠕变 350

8.2.1 高温承载金属力学行为特点 350

8.2.2 金属材料的蠕变 351

8.2.3 持久强度 353

8.2.4 金属材料的高温松弛 365

8.3 长期高温运行后材料组织和性能的变化 366

8.3.1 珠光体球化 367

8.3.2 石墨化 372

8.3.3 回火脆化 375

8.3.4 合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配 376

8.4 高温设备及管道常用钢 380

8.4.1 耐热钢及其分类 380

8.4.2 耐热钢的主要成分及合金化 381

8.4.3 常用耐热钢的性能 383

8.4.4 离心铸造高温炉管 383

案例8A 制氢装置蒸汽管线超温运行后果评价与选材 388

案例8B 2.25Cr-1Mo钢高温回火脆化 395

案例8C 制氢转化炉炉管可用性评估与剩余寿命分析 402

案例8D 乙烯装置开工锅炉水冷壁管长期过热爆管 410

案例8E 催化烟气管线开裂原因分析及替换材料试验研究 413

案例8F 乙烯裂解炉辐射段炉管过度弯曲变形原因分析及结构改进 420

案例8G 支吊架失常对高温管线安全运行的影响 425

案例8H 超高压蒸汽管线高温运行材质损伤及剩余寿命预测 427

参考文献 433