過程設備失效分析

第1章 過程設備失效分析導論1
1.1金屬材料變形及斷裂的機制概述1
1.1.1金屬材料的變形與斷裂機制1
1.1.2金屬裂紋擴展和斷裂的微觀途徑6
1.1.3典型斷口的電子顯微形貌7
1.1.4金屬材料斷裂類型的分類13
1.2過程設備的載荷特點與失效類型分類14
1.2.1過程裝備的載荷特點14
1.2.2過程承壓設備失效的特點及失效類型的分類16
1.3過程承壓設備失效分析工作的內容與方法19
1.3.1失效分析工作概述19
1.3.2失效現(xiàn)場的處理和調查19
1.3.3失效分析中的診斷技術21
1.3.4驗證性試驗24
1.3.5計算分析25
1.4失效分析中的綜合分析26
1.1.4確定失效形式26
1.4.2確定失效類型27
1.4.3確定失效原因27
1.4.4確定失效原因中的綜合診斷方法30
1.5失效分析中常用的儀器35
1.5.1光學顯微鏡（optical microscope,簡稱OM）35
1.5.2透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，簡稱TEM）36
1.5.3掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡稱SEM）36
1.5.4失效分析中常用的化學成分分析儀器37
第2章 承壓設備爆炸問題分析及爆炸能量計算39
2.1化學介質的燃燒與爆炸39
2.1.1化學介質的燃燒與爆炸概述39
2.1.2爆炸的分類41
2.2壓力容器爆炸問題42
2.3壓力容器超壓爆破（物理性爆炸）過程分析45
2.3.1超壓變形和爆破試驗的爆破曲線45
2.3.2壓力容器爆破過程分析46
2.3.3容器屈服壓力和爆破壓力的理論估算與測量50
2.3.4容器韌性爆炸斷裂的實質53
2.4壓力容器爆炸能量計算54
2.4.1盛裝液體的容器爆炸能量54
2.4.2盛裝壓縮氣體的容器爆炸能量55
2.4.3水蒸氣的爆炸能量56
2.4.4盛裝液化氣與高溫飽和水容器的爆炸能量——爆沸能量56
2.4.5關于化學爆炸能量計算問題57
2.5根據(jù)現(xiàn)場破壞情況估算爆炸能量的方法58
2.5.1沖擊波概念58
2.5.2爆炸現(xiàn)場沖擊波超壓的估算61
2.5.3現(xiàn)場破壞能量推算62
2.5.4容器爆炸能量與現(xiàn)場破壞能量之間的關系63
第3章 過程設備韌性失效及案例65
3.1過程承壓設備韌性失效的特征65
3.1.1承壓設備韌性失效的形態(tài)特征65
3.1.2承壓設備韌性失效的失效分析67
3.1.3圓筒形壓力容器韌性失效基本規(guī)律的討論71
3.2承壓設備韌性斷裂后的斷口宏觀和細觀形貌分析78
3.2.1韌性斷裂斷口的宏觀特征78
3.2.2壓力容器韌性爆破斷口的宏觀形貌84
3.2.3韌性斷裂斷口的電子顯微形貌特征86
3.3壓力容器韌性失效的原因分析93
3.3.1壓力超載——超壓93
3.3.2溫度超載——超溫94
3.3.3腐蝕減薄——應力（應變）超載97
3.4壓力容器韌性失效的預防99
3.4.1防止超載或防止超裝99
3.4.2防止超溫99
3.4.3防止壁厚減薄101
3.5案例101
3.5.1低壓蒸汽管道超壓爆炸事故分析101
3.5.2年產30萬噸氨合成塔開工加熱爐爐管爆炸事故分析108
3.5.3吉林某禽業(yè)“6.3”冷凍設備火災爆炸事故分析120
3.5.4四氫呋喃裝置大型列管式固定床反應器超溫失效案例簡介132
第4章 過程設備脆性斷裂失效及案例134
4.1過程承壓設備脆斷失效的定義及特征134
4.1.1化工承壓設備脆斷失效的定義134
4.1.2承壓設備脆斷失效的特征134
4.1.3承壓設備脆斷失效的類型135
4.2因材料脆性而導致的承壓設備的脆斷135
4.2.1因材料原本屬于脆性材料而造成的脆斷135
4.2.2材料因低溫發(fā)生韌脆轉變而脆斷136
4.2.3焊接熱影響區(qū)的脆化138
4.2.4鋼材加工制造過程中的脆化147
4.2.5應變時效脆化148
4.2.6高溫長期運行引起的鋼材脆化149
4.2.7環(huán)境致脆151
4.3宏觀缺陷引起的低應力脆斷152
4.3.1低應力脆斷的基本概念152
4.3.2斷裂力學與低應力脆斷的關系154
4.3.3失效評定曲線（FAC）簡介157
4.4脆斷失效的斷口分析159
4.4.1低溫冷脆型斷口的特征159
4.4.2長期中高溫服役脆化后脆性斷裂的斷口160
4.4.3環(huán)境氫脆斷口特征163
4.4.4低應力脆斷的斷口特征163
4.5脆性斷裂的預防165
4.5.1確保材料始終有足夠的韌性165
4.5.2避免和降低結構的應力集中167
4.5.3采取必要的工藝措施167
4.6案例169
4.6.1渣油加氫裝置熱高分空冷氣入口管線水壓試驗爆管169
4.6.2LNG管道環(huán)鍛法蘭氣壓試驗中脆斷爆炸失效分析179
4.6.3液氨管線焊縫斷裂事故分析188
第5章 過程設備的疲勞失效分析199
5.1交變載荷、應力集中與疲勞失效199
5.1.1過程設備交變載荷的特點199
5.1.2結構的應力集中201
5.1.3疲勞斷裂失效的三個階段201
5.1.4疲勞失效的主要特征203
5.2過程設備疲勞失效的特點207
5.2.1壓力容器的低周疲勞失效207
5.2.2棘輪效應210
5.2.3容易與疲勞斷口相混淆的其他斷口211
5.2.4過程設備的熱疲勞失效213
5.2.5腐蝕疲勞失效214
5.2.6流體激振疲勞失效219
5.3疲勞失效的預防222
5.3.1抗疲勞失效的設計222
5.3.2制造過程和在役檢驗中應注意的問題224
5.3.3疲勞壽命的延壽措施225
5.4案例225
5.4.1空裸高塔風振焊縫開裂失效分析225
5.4.2催化外取熱器的熱疲勞斷裂失效分析235
5.4.3制氫轉化爐催化劑管熱疲勞開裂失效分析242
5.4.4液環(huán)真空泵葉輪疲勞斷裂失效分析248
第6章 化工設備高溫蠕變失效分析及案例256
6.1金屬高溫蠕變現(xiàn)象256
6.2高溫蠕變機理258
6.2.1蠕變變形機理258
6.2.2蠕變斷裂機理258
6.3高溫蠕變過程中的微觀組織演化262
6.3.1鐵素體鋼的微觀組織分解262
6.3.2奧氏體不銹鋼的析出相264
6.4高溫蠕變失效268
6.4.1宏觀特征268
6.4.2蠕變失效及斷裂的金相和斷口特征271
6.5短期過熱失效274
6.5.1宏觀特征274
6.5.2金相組織特征276
6.5.3短期過熱和長期過熱爆管的區(qū)分276
6.6高溫蠕變壽命評估方法277
6.6.1高溫蠕變試驗和持久強度試驗278
6.6.2蠕變斷裂（持久強度）試驗及Larson-Miller參數(shù)法評估278
6.6.3Omega蠕變壽命評估方法279
6.6.4小沖桿測試方法評估材料持久壽命284
6.6.5蠕變空洞模型法286
6.7案例288
6.7.1某熱電廠鍋爐高溫過熱器管多次爆管失效分析288
6.7.2乙烯裂解爐局部過熱原因分析291
6.7.3鍋爐過熱器高溫蠕變失效案例295
第7章 化工設備腐蝕失效及案例308
7.1腐蝕失效分類308
7.1.1按腐蝕機理分類308
7.1.2按腐蝕破壞的形式分類310
7.2電偶腐蝕312
7.3點腐蝕和縫隙腐蝕失效312
7.3.1點腐蝕失效312
7.3.2縫隙腐蝕失效313
7.3.3點腐蝕和縫隙腐蝕宏觀形貌313
7.3.4奧氏體不銹鋼點腐蝕和縫隙腐蝕模式和機理315
7.3.5點腐蝕和縫隙腐蝕失效的金相形貌316
7.3.6點腐蝕和縫隙腐蝕的影響因素和防止措施316
7.3.7抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力的表示方法318
7.4晶間腐蝕失效319
7.4.1奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機理319
7.4.2晶間腐蝕的宏觀特征321
7.4.3晶間腐蝕的金相特征和檢驗321
7.4.4晶間腐蝕的預防323
7.5選擇性腐蝕323
7.5.1機理323
7.5.2脫鋅324
7.5.3石墨腐蝕324
7.5.4選擇性腐蝕的特征325
7.6沖刷腐蝕失效325
7.7流動誘導腐蝕（FIC）327
7.8應力腐蝕開裂失效328
7.8.1應力腐蝕破裂的條件與特點328
7.8.2應力作用329
7.8.3敏感性介質329
7.8.4應力腐蝕裂紋宏觀形貌特征329
7.8.5應力腐蝕開裂的顯微形貌331
7.8.6奧氏體不銹鋼在沿海大氣中的應力腐蝕開裂335
7.8.7應變強化奧氏不銹鋼在濕H2S溶液中的應力腐蝕影響336
7.8.8雙相不銹鋼的應力腐蝕失效337
7.9液態(tài)金屬和固態(tài)金屬致脆343
7.9.1金屬致脆基本理論343
7.9.2固態(tài)金屬致脆和液態(tài)金屬致脆的特征343
7.9.3固體金屬致脆和液體金屬致脆的產生條件344
7.9.4銅致脆裂紋345
7.9.5鋅致裂紋345
7.9.6固體和液體金屬致脆失效分析方法348
7.10案例348
7.10.1再沸器管板縫隙腐蝕失效分析348
7.10.2冷凝器管束沉積物下點腐蝕失效分析352
7.10.3奧氏體不銹鋼管道點腐蝕失效分析355
7.10.4奧氏體不銹鋼螺栓在沿海大氣應力腐蝕開裂失效分析358
7.10.5高速液體對金屬管道沖蝕失效分析364
7.10.6奧氏體不銹鋼焊接接頭銅致脆失效分析366
第8章 氫損傷導致的各種失效370
8.1氫損傷的形式和分類370
8.1.1按氫的來源分類370
8.1.2按氫對金屬脆化的力學效應和可逆性分類371
8.1.3按氫與金屬相互作用分類371
8.2氫與金屬的相互作用372
8.2.1氫進入金屬的方式及氫在金屬內的存在形式372
8.2.2氫在不同類型金屬內的溶解度和擴散速度373
8.2.3氫在金屬缺陷內的存在形式375
8.3氫損傷機理375
8.3.1氫壓理論375
8.3.2氫降低表面能理論376
8.3.3氫降低原子鍵合力理論376
8.3.4氫促進局部塑性變形從而促進氫脆斷理論376
8.3.5氫腐蝕機理377
8.3.6氫化物致脆機理377
8.4氫損傷失效的模式及特征379
8.4.1內氫致開裂379
8.4.2氫鼓包失效及特征382
8.4.3氫脆失效及特征384
8.4.4氫致開裂失效及特征386
8.4.5氫腐蝕失效及特征388
8.5氫損傷失效的預防393
8.5.1關于材料選用中的預防氫損傷失效措施394
8.5.2消氫熱處理的重要性397
8.5.3在役臨氫設備氫損傷的監(jiān)控397
8.6案例398
8.6.1氫腐蝕引起的管道失效案例398
8.6.2螺栓的氫脆斷裂案例402
8.6.3鍋爐水冷壁管氫腐蝕失效案例404
第9章 承壓設備密封接頭泄漏失效與預防407
9.1密封接頭泄漏失效機理和泄漏失效綜述407
9.1.1密封接頭最基本的兩類機械結構407
9.1.2密封機構的泄漏機理概述408
9.1.3密封接頭泄漏失效原因的綜述410
9.2墊片與墊片的失效411
9.2.1墊片與墊圈概述411
9.2.2墊片的重要力學性能：壓縮-回彈性能418
9.2.3密封墊片泄漏失效的基本原因和影響因素420
9.3法蘭接頭密封失效分析421
9.3.1法蘭密封接頭的失效模式421
9.3.2由法蘭導致的泄漏失效422
9.3.3由墊片導致的泄漏失效424
9.3.4由螺栓導致的泄漏失效428
9.4法蘭接頭泄漏失效的預防430
9.4.1法蘭必須有嚴格的質量要求430
9.4.2墊片及墊圈的注意事項431
9.4.3螺栓選材中必須考慮的問題433
9.4.4法蘭密封接頭螺栓預緊程序化434
9.4.5預防法蘭密封失效的密封結構改進及MMC型墊片436
9.5案例439
9.5.1氧氣管道不銹鋼法蘭泄漏火災事故的失效分析439
9.5.2金屬纏繞墊片外環(huán)斷裂失效分析443
9.5.3壓縮機大型氣罐出口法蘭纏繞墊片泄漏失效分析450
9.5.4閥門蓋密封接頭因螺栓斷裂導致泄漏的失效分析457
第10章 薄殼結構的屈曲失效與預防464
10.1屈曲失效概述464
10.2薄壁圓筒的基本屈曲失效模式及載荷類型465
10.2.1圓筒在徑向外壓作用下的屈曲失效465
10.2.2薄壁圓筒軸向壓縮失穩(wěn)后的屈曲失效形式466
10.2.3薄壁圓筒縱向彎曲失穩(wěn)的屈曲失效形式466
10.2.4薄壁圓筒承受扭轉切應力時的屈曲失效形式467
10.2.5薄壁圓筒受集中載荷時的屈曲失效形式468
10.3工程中薄壁圓筒的屈曲失效及實例469
10.3.1外壓容器的失穩(wěn)屈曲失效及實例469
10.3.2大型立式儲罐的屈曲失效及實例471
10.3.3直立設備的屈曲失效及垮塌實例473
10.3.4焦炭塔軸向皺折徑向鼓脹失效的分析478
10.3.5大型臥式容器的屈曲失效及實例481
10.3.6凸形封頭的屈曲失效484
10.3.7裙式支座的縱向屈曲問題487
10.4殼體屈曲失效的影響因素489
10.4.1結構的剛度因素489
10.4.2建造質量因素491
10.4.3運行與管理因素492
10.5薄壁承壓設備壓縮屈曲失效的預防493
10.5.1殼體預防屈曲失效的剛度設計問題493
10.5.2建造階段必須提高相關精度的要求500
10.5.3建立全面的使用管理全過程防屈曲預案500
參考文獻503