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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