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第1章 过程设备失效分析导论 1

1.1金属材料变形及断裂的机制概述 1

1.1.1金属材料的变形与断裂机制 1

1.1.2金属裂纹扩展和断裂的微观途径 6

1.1.3典型断口的电子显微形貌 7

1.1.4金属材料断裂类型的分类 13

1.2过程设备的载荷特点与失效类型分类 14

1.2.1过程装备的载荷特点 14

1.2.2过程承压设备失效的特点及失效类型的分类 16

1.3过程承压设备失效分析工作的内容与方法 19

1.3.1失效分析工作概述 19

1.3.2失效现场的处理和调查 19

1.3.3失效分析中的诊断技术 21

1.3.4验证性试验 24

1.3.5计算分析 25

1.4失效分析中的综合分析 26

1.1.4确定失效形式 26

1.4.2确定失效类型 27

1.4.3确定失效原因 27

1.4.4确定失效原因中的综合诊断方法 30

1.5失效分析中常用的仪器 35

1.5.1光学显微镜 35

1.5.2透射电子显微镜 36

1.5.3扫描电子显微镜 36

1.5.4失效分析中常用的化学成分分析仪器 37

第2章 承压设备爆炸问题分析及爆炸能量计算 39

2.1化学介质的燃烧与爆炸 39

2.1.1化学介质的燃烧与爆炸概述 39

2.1.2爆炸的分类 41

2.2压力容器爆炸问题 42

2.3压力容器超压爆破（物理性爆炸）过程分析 45

2.3.1超压变形和爆破试验的爆破曲线 45

2.3.2压力容器爆破过程分析 46

2.3.3容器屈服压力和爆破压力的理论估算与测量 50

2.3.4容器韧性爆炸断裂的实质 53

2.4压力容器爆炸能量计算 54

2.4.1盛装液体的容器爆炸能量 54

2.4.2盛装压缩气体的容器爆炸能量 55

2.4.3水蒸气的爆炸能量 56

2.4.4盛装液化气与高温饱和水容器的爆炸能量——爆沸能量 56

2.4.5关于化学爆炸能量计算问题 57

2.5根据现场破坏情况估算爆炸能量的方法 58

2.5.1冲击波概念 58

2.5.2爆炸现场冲击波超压的估算 61

2.5.3现场破坏能量推算 62

2.5.4容器爆炸能量与现场破坏能量之间的关系 63

第3章 过程设备韧性失效及案例 65

3.1过程承压设备韧性失效的特征 65

3.1.1承压设备韧性失效的形态特征 65

3.1.2承压设备韧性失效的失效分析 67

3.1.3圆筒形压力容器韧性失效基本规律的讨论 71

3.2承压设备韧性断裂后的断口宏观和细观形貌分析 78

3.2.1韧性断裂断口的宏观特征 78

3.2.2压力容器韧性爆破断口的宏观形貌 84

3.2.3韧性断裂断口的电子显微形貌特征 86

3.3压力容器韧性失效的原因分析 93

3.3.1压力超载——超压 93

3.3.2温度超载——超温 94

3.3.3腐蚀减薄——应力（应变）超载 97

3.4压力容器韧性失效的预防 99

3.4.1防止超载或防止超装 99

3.4.2防止超温 99

3.4.3防止壁厚减薄 101

3.5案例 101

3.5.1低压蒸汽管道超压爆炸事故分析 101

3.5.2年产30万吨氨合成塔开工加热炉炉管爆炸事故分析 108

3.5.3吉林某禽业“6.3”冷冻设备火灾爆炸事故分析 120

3.5.4四氢呋喃装置大型列管式固定床反应器超温失效案例简介 132

第4章 过程设备脆性断裂失效及案例 134

4.1过程承压设备脆断失效的定义及特征 134

4.1.1化工承压设备脆断失效的定义 134

4.1.2承压设备脆断失效的特征 134

4.1.3承压设备脆断失效的类型 135

4.2因材料脆性而导致的承压设备的脆断 135

4.2.1因材料原本属于脆性材料而造成的脆断 135

4.2.2材料因低温发生韧脆转变而脆断 136

4.2.3焊接热影响区的脆化 138

4.2.4钢材加工制造过程中的脆化 147

4.2.5应变时效脆化 148

4.2.6高温长期运行引起的钢材脆化 149

4.2.7环境致脆 151

4.3宏观缺陷引起的低应力脆断 152

4.3.1低应力脆断的基本概念 152

4.3.2断裂力学与低应力脆断的关系 154

4.3.3失效评定曲线（FAC）简介 157

4.4脆断失效的断口分析 159

4.4.1低温冷脆型断口的特征 159

4.4.2长期中高温服役脆化后脆性断裂的断口 160

4.4.3环境氢脆断口特征 163

4.4.4低应力脆断的断口特征 163

4.5脆性断裂的预防 165

4.5.1确保材料始终有足够的韧性 165

4.5.2避免和降低结构的应力集中 167

4.5.3采取必要的工艺措施 167

4.6案例 169

4.6.1渣油加氢装置热高分空冷气入口管线水压试验爆管 169

4.6.2 LNG管道环锻法兰气压试验中脆断爆炸失效分析 179

4.6.3液氨管线焊缝断裂事故分析 188

第5章 过程设备的疲劳失效分析 199

5.1交变载荷、应力集中与疲劳失效 199

5.1.1过程设备交变载荷的特点 199

5.1.2结构的应力集中 201

5.1.3疲劳断裂失效的三个阶段 201

5.1.4疲劳失效的主要特征 203

5.2过程设备疲劳失效的特点 207

5.2.1压力容器的低周疲劳失效 207

5.2.2棘轮效应 210

5.2.3容易与疲劳断口相混淆的其他断口 211

5.2.4过程设备的热疲劳失效 213

5.2.5腐蚀疲劳失效 214

5.2.6流体激振疲劳失效 219

5.3疲劳失效的预防 222

5.3.1抗疲劳失效的设计 222

5.3.2制造过程和在役检验中应注意的问题 224

5.3.3疲劳寿命的延寿措施 225

5.4案例 225

5.4.1空裸高塔风振焊缝开裂失效分析 225

5.4.2催化外取热器的热疲劳断裂失效分析 235

5.4.3制氢转化炉催化剂管热疲劳开裂失效分析 242

5.4.4液环真空泵叶轮疲劳断裂失效分析 248

第6章 化工设备高温蠕变失效分析及案例 256

6.1金属高温蠕变现象 256

6.2高温蠕变机理 258

6.2.1蠕变变形机理 258

6.2.2蠕变断裂机理 258

6.3高温蠕变过程中的微观组织演化 262

6.3.1铁素体钢的微观组织分解 262

6.3.2奥氏体不锈钢的析出相 264

6.4高温蠕变失效 268

6.4.1宏观特征 268

6.4.2蠕变失效及断裂的金相和断口特征 271

6.5短期过热失效 274

6.5.1宏观特征 274

6.5.2金相组织特征 276

6.5.3短期过热和长期过热爆管的区分 276

6.6高温蠕变寿命评估方法 277

6.6.1高温蠕变试验和持久强度试验 278

6.6.2蠕变断裂（持久强度）试验及Larson-Miller参数法评估 278

6.6.3 Omega蠕变寿命评估方法 279

6.6.4小冲杆测试方法评估材料持久寿命 284

6.6.5蠕变空洞模型法 286

6.7案例 288

6.7.1某热电厂锅炉高温过热器管多次爆管失效分析 288

6.7.2乙烯裂解炉局部过热原因分析 291

6.7.3锅炉过热器高温蠕变失效案例 295

第7章 化工设备腐蚀失效及案例 308

7.1腐蚀失效分类 308

7.1.1按腐蚀机理分类 308

7.1.2按腐蚀破坏的形式分类 310

7.2电偶腐蚀 312

7.3点腐蚀和缝隙腐蚀失效 312

7.3.1点腐蚀失效 312

7.3.2缝隙腐蚀失效 313

7.3.3点腐蚀和缝隙腐蚀宏观形貌 313

7.3.4奥氏体不锈钢点腐蚀和缝隙腐蚀模式和机理 315

7.3.5点腐蚀和缝隙腐蚀失效的金相形貌 316

7.3.6点腐蚀和缝隙腐蚀的影响因素和防止措施 316

7.3.7抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力的表示方法 318

7.4晶间腐蚀失效 319

7.4.1奥氏体不锈钢晶间腐蚀机理 319

7.4.2晶间腐蚀的宏观特征 321

7.4.3晶间腐蚀的金相特征和检验 321

7.4.4晶间腐蚀的预防 323

7.5选择性腐蚀 323

7.5.1机理 323

7.5.2脱锌 324

7.5.3石墨腐蚀 324

7.5.4选择性腐蚀的特征 325

7.6冲刷腐蚀失效 325

7.7流动诱导腐蚀（FIC） 327

7.8应力腐蚀开裂失效 328

7.8.1应力腐蚀破裂的条件与特点 328

7.8.2应力作用 329

7.8.3敏感性介质 329

7.8.4应力腐蚀裂纹宏观形貌特征 329

7.8.5应力腐蚀开裂的显微形貌 331

7.8.6奥氏体不锈钢在沿海大气中的应力腐蚀开裂 335

7.8.7应变强化奥氏不锈钢在湿H2S溶液中的应力腐蚀影响 336

7.8.8双相不锈钢的应力腐蚀失效 337

7.9液态金属和固态金属致脆 343

7.9.1金属致脆基本理论 343

7.9.2固态金属致脆和液态金属致脆的特征 343

7.9.3固体金属致脆和液体金属致脆的产生条件 344

7.9.4铜致脆裂纹 345

7.9.5锌致裂纹 345

7.9.6固体和液体金属致脆失效分析方法 348

7.10案例 348

7.10.1再沸器管板缝隙腐蚀失效分析 348

7.10.2冷凝器管束沉积物下点腐蚀失效分析 352

7.10.3奥氏体不锈钢管道点腐蚀失效分析 355

7.10.4奥氏体不锈钢螺栓在沿海大气应力腐蚀开裂失效分析 358

7.10.5高速液体对金属管道冲蚀失效分析 364

7.10.6奥氏体不锈钢焊接接头铜致脆失效分析 366

第8章 氢损伤导致的各种失效 370

8.1氢损伤的形式和分类 370

8.1.1按氢的来源分类 370

8.1.2按氢对金属脆化的力学效应和可逆性分类 371

8.1.3按氢与金属相互作用分类 371

8.2氢与金属的相互作用 372

8.2.1氢进入金属的方式及氢在金属内的存在形式 372

8.2.2氢在不同类型金属内的溶解度和扩散速度 373

8.2.3氢在金属缺陷内的存在形式 375

8.3氢损伤机理 375

8.3.1氢压理论 375

8.3.2氢降低表面能理论 376

8.3.3氢降低原子键合力理论 376

8.3.4氢促进局部塑性变形从而促进氢脆断理论 376

8.3.5氢腐蚀机理 377

8.3.6氢化物致脆机理 377

8.4氢损伤失效的模式及特征 379

8.4.1内氢致开裂 379

8.4.2氢鼓包失效及特征 382

8.4.3氢脆失效及特征 384

8.4.4氢致开裂失效及特征 386

8.4.5氢腐蚀失效及特征 388

8.5氢损伤失效的预防 393

8.5.1关于材料选用中的预防氢损伤失效措施 394

8.5.2消氢热处理的重要性 397

8.5.3在役临氢设备氢损伤的监控 397

8.6案例 398

8.6.1氢腐蚀引起的管道失效案例 398

8.6.2螺栓的氢脆断裂案例 402

8.6.3锅炉水冷壁管氢腐蚀失效案例 404

第9章 承压设备密封接头泄漏失效与预防 407

9.1密封接头泄漏失效机理和泄漏失效综述 407

9.1.1密封接头最基本的两类机械结构 407

9.1.2密封机构的泄漏机理概述 408

9.1.3密封接头泄漏失效原因的综述 410

9.2垫片与垫片的失效 411

9.2.1垫片与垫圈概述 411

9.2.2垫片的重要力学性能：压缩-回弹性能 418

9.2.3密封垫片泄漏失效的基本原因和影响因素 420

9.3法兰接头密封失效分析 421

9.3.1法兰密封接头的失效模式 421

9.3.2由法兰导致的泄漏失效 422

9.3.3由垫片导致的泄漏失效 424

9.3.4由螺栓导致的泄漏失效 428

9.4法兰接头泄漏失效的预防 430

9.4.1法兰必须有严格的质量要求 430

9.4.2垫片及垫圈的注意事项 431

9.4.3螺栓选材中必须考虑的问题 433

9.4.4法兰密封接头螺栓预紧程序化 434

9.4.5预防法兰密封失效的密封结构改进及MMC型垫片 436

9.5案例 439

9.5.1氧气管道不锈钢法兰泄漏火灾事故的失效分析 439

9.5.2金属缠绕垫片外环断裂失效分析 443

9.5.3压缩机大型气罐出口法兰缠绕垫片泄漏失效分析 450

9.5.4阀门盖密封接头因螺栓断裂导致泄漏的失效分析 457

第10章 薄壳结构的屈曲失效与预防 464

10.1屈曲失效概述 464

10.2薄壁圆筒的基本屈曲失效模式及载荷类型 465

10.2.1圆筒在径向外压作用下的屈曲失效 465

10.2.2薄壁圆筒轴向压缩失稳后的屈曲失效形式 466

10.2.3薄壁圆筒纵向弯曲失稳的屈曲失效形式 466

10.2.4薄壁圆筒承受扭转切应力时的屈曲失效形式 467

10.2.5薄壁圆筒受集中载荷时的屈曲失效形式 468

10.3工程中薄壁圆筒的屈曲失效及实例 469

10.3.1外压容器的失稳屈曲失效及实例 469

10.3.2大型立式储罐的屈曲失效及实例 471

10.3.3直立设备的屈曲失效及垮塌实例 473

10.3.4焦炭塔轴向皱折径向鼓胀失效的分析 478

10.3.5大型卧式容器的屈曲失效及实例 481

10.3.6凸形封头的屈曲失效 484

10.3.7裙式支座的纵向屈曲问题 487

10.4壳体屈曲失效的影响因素 489

10.4.1结构的刚度因素 489

10.4.2建造质量因素 491

10.4.3运行与管理因素 492

10.5薄壁承压设备压缩屈曲失效的预防 493

10.5.1壳体预防屈曲失效的刚度设计问题 493

10.5.2建造阶段必须提高相关精度的要求 500

10.5.3建立全面的使用管理全过程防屈曲预案 500

参考文献 503