化工設備失效原理與案例分析

前言

化工過程設備是石油、化工、冶金、火電、核電、食品等工業(yè)處理高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、有毒介質(zhì)生產(chǎn)過程的特種設備，一旦失效，往往并發(fā)火災、中毒等災難事故，人民生命財產(chǎn)蒙受巨大損失，影響社會安定，防止設備失效是過程機械工作者不可推卸的責任。現(xiàn)代化工過程設備技術(shù)就是在與化工設備失效斗爭中發(fā)展起來的，失敗是成功之母，通過失效分析找到失效原因、作為前車之鑒，不僅可以避免再次發(fā)生相同失效事故，往往推動了新的設備設計技術(shù)和結(jié)構(gòu)完整性評定新技術(shù)的涌現(xiàn)或完善，促進了新材料、新結(jié)構(gòu)或新制造方法的誕生或發(fā)展。化工過程設備發(fā)生失效的原因多種多樣，而且隨著設備的大型化和運行條件的更為苛刻，應用材料的種類也越來越多，失效形式錯綜復雜，給設備失效分析及預防帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的失效分析技術(shù)主要依托于材料學科，化工過程設備的失效分析不僅包括金屬材料失效分析，還具有它自身的特點。化工過程設備大多是焊接大型承壓設備、高壓壓縮氣體貯有大量能量，萬一發(fā)生爆炸，后果嚴重，如果是可燃、易爆、有毒介質(zhì)，會引起二次爆炸、火災、中毒等災難事故，因而壓力容器與管道的爆破與強度失效是化工設備失效的首要問題，超壓下壓力容器的韌性爆破、脆性破壞的解理斷裂、拘束度過大引起塑性降低的局部失效、交變載荷下的疲勞失效、含缺陷容器的斷裂分析都是化工設備失效分析所需的特有技術(shù)。如果考慮到設備在高溫或低溫下工作，在使用過程中的材質(zhì)脆化，問題將更為復雜?；ぴO備的材料的種類也特別的多，內(nèi)貯介質(zhì)組成各異，材料與介質(zhì)的相互作用引起的材料損傷更是千變?nèi)f化，不同材料在不同介質(zhì)和溫度條件下會引起各種腐蝕損傷，如應力腐蝕開裂、氫致開裂、應力誘導的氫致開裂、氫鼓泡的氫損傷、高溫的氫腐蝕、氫脆、應變時效脆化、回火脆化……，條件各異，因而從事化工設備失效分析所需知識面極廣，必須有跨學科視野，不同學科專家的協(xié)同配合，在實踐中不斷學習總結(jié)經(jīng)驗，提高失效分析結(jié)論的可靠性。近年來我國已形成一批從事化工過程機械失效分析科學研究與工程實踐的技術(shù)隊伍，在解決化工、石化、電力等過程工業(yè)中設備失效分析與預防方面已發(fā)揮了重要作用。

內(nèi)容概要

　　《化工設備失效原理與案例分析》共分八章，主要介紹了失效分析概論、焊接缺陷及裂紋分析、承壓設備的韌性失效分析、化工設備的脆性斷裂失效分析、疲勞失效分析、局部腐蝕失效、應力腐蝕開裂失效和高溫運行設備蠕變及材料損傷的失效分析。除第一章外，每章末還精選了典型的工程應用案例。《化工設備失效原理與案例分析》的特點是理論聯(lián)系實際，內(nèi)容切合工程應用的需要，并力求深入淺出，學以致用?！　　痘ぴO備失效原理與案例分析》可作為動力工程、機械工程、安全工程及相關專業(yè)的研究生教材，也可供從事過程工業(yè)設備的檢驗、監(jiān)察、管理人員參考。

書籍目錄

第1章 失效分析概論1.1 失效與失效形式的分類1.1.1 失效的概念1.1.2 失效的危害性1.1.3 常見失效形式的分類1.2 金屬材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、變形和斷裂1.2.1 金屬材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)1.2.2 晶格及晶面的表征1.2.3 實際金屬晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷1.2.4 金屬材料變形的本質(zhì)1.2.5 金屬材料的斷裂1.3 金屬材料的斷裂機制1.3.1 微孔聚集型斷裂1.3.2 解理斷裂1.3.3 金屬材料的疲勞斷裂1.3.4 蠕變損傷與斷裂1.3.5 腐蝕失效與破壞1.4 失效分析中常用的分析儀器1.4.1 光學顯微鏡(OM)1.4.2 電子顯微鏡(EM)1.4.3 成分分析儀器1.5 失效分析工作的內(nèi)容1.5.1 失效分析中的診斷技術(shù)概述1.5.2 失效現(xiàn)場處理和調(diào)查1.5.3 失效狀況的整體外觀檢查及取證1.5.4 材料的檢驗與鑒定1.5.5 斷口形貌的檢驗與鑒定1.5.6 失效分析中的驗證性試驗與計算分析1.5.7 失效分析中的綜合分析1.5.8 失效分析中的綜合診斷方法參考文獻第2章 焊接缺陷及裂紋分析2.1 焊接缺陷產(chǎn)生的原因及防治2.1.1 焊縫內(nèi)部缺陷2.1.2 焊縫外部缺陷2.2 焊接裂紋2.2.1 焊接熱裂紋2.2.2 焊接冷裂紋2.2.3 再熱裂紋2.2.4 層狀撕裂案例2A乙烯裂解爐對流段超高壓蒸汽過熱器爐管焊接裂紋分析案例2B液化石油氣球罐焊接裂紋分析案例2C鍋爐簡體焊縫中裂紋的失效分析案例2D廢熱鍋爐蒸發(fā)器管彎頭與側(cè)板焊接裂紋的失效分析參考文獻第3章 承壓設備的韌性失效分析3.1 壓力容器的超壓變形和韌性爆破過程分析3.1.1 超壓變形和爆破試驗的爆破曲線3.1.2 壓力容器爆破過程分析3.1.3 容器屈服壓力和爆破壓力的理論估算3.1.4 容器韌性爆破斷裂的實質(zhì)3.2 壓力容器韌性破壞的宏觀特征3.2.1 有明顯的塑性變形——鼓脹3.2.2 爆破口的宏觀特征3.2.3 韌性爆破一般不產(chǎn)生碎片3.3 壓力容器韌性破斷后的斷口特征3.3.1 斷口的宏觀形貌特征3.3.2 斷口顯微形貌特征3.4 壓力容器韌性失效的原因分析3.4.1 腐蝕減薄3.4.2 超載3.4.3 超溫3.4.4 結(jié)垢與結(jié)焦3.5 壓力容器韌性失效的預防3.5.1 防止超載或防止超裝3.5.2 防止壁厚減薄3.5.3 防止超溫案例3A多層式厚壁反應塔局部腐蝕后爆破穿孔失效案例3B烴轉(zhuǎn)化爐爐管爆管事故分析案例3C丁烷一氧氣焊炬爆炸事故分析案例3D充氮車蓄能器鋼瓶爆炸事故分析參考文獻第4章 化工設備的脆性斷裂失效分析4.1 化工設備脆性斷裂失效的宏觀特征4.1.1 宏觀變形量小4.1.2 易產(chǎn)生碎片4.1.3 主斷口平齊4.1.4 脆斷失效的基本原因分析4.2 材料的脆性引起的脆斷失效4.2.1 脆性材料的脆斷問題4.2.2 低溫韌脆轉(zhuǎn)變引起的脆斷4.2.3 加工制造過程中致脆引起的脆斷4.2.4 焊接接頭脆化導致脆斷4.2.5 高溫長期運行引起鋼材的脆化4.2.6 鐵素體類鋼的氫致脆化——氫脆問題4.3 宏觀缺陷引起的脆斷——低應力脆斷4.3.1 低應力脆斷概念4.3.2 導致低應力脆斷的常見缺陷4.3.3 斷裂力學的基本原理與低應力脆斷4.4 脆性斷裂的斷口特征4.4.1 低溫冷脆型的解理或準解理斷口4.4.2 長期中溫高溫服役后材料脆化導致脆斷后的斷口特征4.4.3 低應力脆斷的斷口特征4.5 脆性斷裂的預防措施案例4A煉油裝置減壓塔補焊管孔后母材脆性開裂案例4B325氯氣輸送管道脆斷事故分析案例4C中溫爐管安裝中水壓試驗時爆裂事故分析案例4D聚乙烯擠出機齒輪減速箱螺栓脆性斷裂分析參考文獻第5章 疲勞失效分析5.1 交變載荷與交變應力5.1.1 過程機械中常見的交變載荷5.1.2 疲勞的載荷譜5.1.3 金屬疲勞失效分析中最為關注的問題5.2 疲勞斷裂的機理及力學表征5.2.1 金屬材料疲勞裂紋的萌生機理及疲勞斷裂的第1階段5.2.2 疲勞裂紋擴展的機理及斷裂力學表征——疲勞斷裂的第Ⅱ階段5.2.3 疲勞斷裂的第Ⅲ階段——瞬斷區(qū)5.3 疲勞斷裂的失效分析5.3.1 疲勞斷裂的宏觀特征分析5.3.2 疲勞裂紋的形貌5.3.3 疲勞斷口的宏觀特征5.3.4 疲勞斷口的電子顯微特征5.3.5 容易與疲勞斷口相混淆的其他斷口5.4 熱疲勞失效5.4.1 熱應力與熱疲勞5.4.2 熱疲勞失效的特點5.5 腐蝕疲勞失效5.5.1 腐蝕疲勞的一般定義5.5.2 腐蝕疲勞裂紋特征5.5.3 腐蝕疲勞斷口形貌特征5.6 疲勞斷裂失效的預防5.6.1 一般預防原則5.6.2 壓力容器低周疲勞失效的預防措施案例5A聚丙烯聚合釜接管低周疲勞斷裂案例5B安全閥的液位計連通接管疲勞斷裂案例5C泵傳動軸疲勞斷裂失效案例5D鈦冷凝器的鈦管斷裂與泄漏失效分析參考文獻、第6章 局部腐蝕失效6.1 腐蝕失效分類6.1.1 按腐蝕機理分類6.1.2 按腐蝕破壞的形式分類6.2 點腐蝕失效6.2.1 點腐蝕機理6.2.2 點腐蝕失效的宏觀形貌6.2.3 點腐蝕失效的金相形貌6.2.4 點腐蝕失效的掃描電鏡形貌6.2.5 點腐蝕的影響因素和防止措施6.2.6 抗點腐蝕能力的表示方法6.3 縫隙腐蝕失效6.3.1 縫隙腐蝕產(chǎn)生的條件6.3.2 縫隙腐蝕機理6.3.3 縫隙腐蝕宏觀特征……第7章 應力腐蝕開裂失效第8章 高溫運行設備蠕變及材料損傷的失效分析

章節(jié)摘錄

插圖：（2）避免和降低結(jié)構(gòu)的應力集中低溫容器和由高強度的低合金鋼制造的容器，由于材料的韌性儲備不很充裕，因而對缺口的應力集中顯得較敏感，易在應力集中部位出現(xiàn)裂紋，甚至裂紋在運行時發(fā)生進一步擴展，若達到臨界裂紋尺寸時會發(fā)生失穩(wěn)斷裂。韌性越差的低溫鋼及高強度低合金鋼，其臨界裂紋尺寸越小，越容易發(fā)生低應力脆斷。設計時應特別注意采用可降低應力集中的補強結(jié)構(gòu)和采用較大曲率半徑的過度圓角；焊接時防止超標的錯邊量和角變形，防止過分的焊縫堆高及咬邊，更要防止未焊透和未熔合以及裂紋的出現(xiàn)，這些焊接缺陷的存在會大大增加結(jié)構(gòu)的應力集中（以平面型缺陷的應力集中最為嚴重）。（3）用消氫處理防止氫脆和氫致開裂凡合金鋼焊接容器，特別是低溫低合金鋼容器焊接之后，即時采用焊后消氫處理，即對焊縫及熱影響區(qū)加熱到200～300℃的溫度，按厚度尺寸決定保溫時間的長短。經(jīng)如此消氫處理可以將焊接高溫時溶人金屬的氫通過擴散方式排除到鋼外，使鋼材含氫量大幅降低。是防止氫脆和出現(xiàn)焊后冷裂紋（延遲裂紋）及投用后再發(fā)生氫致開裂的有效方法，十分重要。許多施工單位不能焊完每道焊縫后即時消氫，企圖待到全部焊完之后做消應力退火時順便也消了氫，這是一種僥幸行為，常在消應力退火之前就出現(xiàn)了氫致開裂的裂紋，為時已晚，不得不做返修。（4）用消應力退火工藝來消除容器的各種殘余應力焊接結(jié)構(gòu)的壓力容器在不承受壓力載荷的情況下就存在多種原因造成的殘余應力。這至少包括兩個大類的殘余應力，一類是冷加工成形時由于被加載到屈服變形才會成型的大變形狀態(tài)，經(jīng)塑性變形后卸載回彈，彈性應力釋放了，但屈服變形后材料內(nèi)部留下許多殘余應力。另一類殘余應力是焊接時焊縫各部分金屬從高溫凝固一冷卻收縮的一系列不均勻的相互約束而又變形協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的相互作用力。焊接件的壁厚越厚，焊接時的熱循環(huán)次數(shù)也越多，這種材料各部分之間的變形協(xié)調(diào)次數(shù)也越多。結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)是通過各相關部分材料的彈性一塑性變形來保持結(jié)構(gòu)連續(xù)而不分離也不相互嵌入的，變形協(xié)調(diào)的結(jié)果是在焊接接頭部位的相鄰材料之間留下了殘余應力。這兩類殘余應力分布的范圍有很大區(qū)別，前一類殘余應力分布廣，在發(fā)生過塑性變形的地方都存在這一類殘余應力，但應力值不是很大。而后一類的焊接殘余應力只存在于焊接接頭區(qū)，離焊縫越遠越小，小到可以忽略，但焊接接頭處的殘余應力分布非常復雜，幾乎不可能是均勻分布或線性分布，而且焊道越多殘余應力分布越復雜。但焊接殘余應力的最大值確是很大的，有時會大到材料的屈服應力值，會導致在性能差的粗晶區(qū)發(fā)生開裂。厚度愈大的則焊接殘余應力愈大，愈應進行消應力處理。應按規(guī)范和圖紙規(guī)定的退火，掌握好加熱的最高溫度和保溫時間。

編輯推薦

《化工設備失效原理與案例分析》是由華東理工大學出版社出版的。

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