失效分析案例-課件PPT

1、風電塔架的失效分析風電塔架的失效分析12021/8/26失效分析思路調(diào)查收集背景資料試樣檢驗分析：材料的化學(xué)成分，金相組織，力學(xué)性能等深入分析：斷口的宏觀及微觀形貌分析，無損探傷檢查等綜合分析歸納，確定失效原因結(jié)論改進措施22021/8/26目錄3改進措施2失效分析1概況Contents32021/8/261、概況 某風場某機組的塔架，于2006年建成，2007年二月投入運行，該塔架為錐形圓筒型塔身，總高47300mm，塔架由上下塔身組成，上段塔身高25300mm，下段塔身高22000mm，兩塔身由內(nèi)置法蘭組對。 塔架下部最大直徑為3200mm，整個塔身分為22個筒節(jié)，筒節(jié)壁厚隨高度增加而變小

2、，下部筒節(jié)壁厚26mm為最大，上部筒節(jié)最小壁厚為10mm，筒節(jié)由Q345C材料制成，外形見下頁圖1。42021/8/26圖1 失效的風電塔架經(jīng)過近三年的運行該塔于2010年1月塔身的第17道環(huán)焊縫（自上而下）發(fā)生開裂。經(jīng)宏觀觀察，裂紋長2500mm，最大張開處張開50mm（圖2）。隨后進行搶修及失效分析。 圖2 環(huán)焊縫17#的開裂52021/8/262、失效分析2.12.1材料特性材料特性2.22.2斷斷口形貌口形貌 宏觀形貌分析宏觀形貌分析 微微觀形貌分析觀形貌分析2.32.3結(jié)果分析及結(jié)論結(jié)果分析及結(jié)論62021/8/262.1 2.1 材料材料特性特性1、材料的微觀組織 材料顯微組織為正

3、常的帶狀珠光體和等軸細小鐵素體。72021/8/262、材料的機械性能 由于材料有明顯的帶狀珠光體，為檢測不同位向的性能，分別測試了材料的縱向和橫向母材和焊接接頭的常溫拉伸性能及焊接接頭的沖擊性能（表1）。82021/8/262.2 2.2 斷口形貌斷口形貌 失效風電塔架的塔筒內(nèi)部裂紋宏觀形貌：裂紋的早期擴展階段，裂紋擴展平穩(wěn)，屬于慢應(yīng)變速率條件下的宏觀脆性斷裂。（圖4上）裂紋擴展的末期（即裂紋末端），裂紋起伏臺階特征明顯，表明裂紋擴展進入復(fù)雜應(yīng)力區(qū)，但尚未進入失穩(wěn)快速擴展階段。（圖4下）圖4 塔筒內(nèi)部裂紋宏觀形貌照片1、宏觀形貌分析92021/8/26在裂紋近中段發(fā)現(xiàn)一處調(diào)整臺階，即裂紋源，

4、也是重點取樣與分析部位（虛線框所圍區(qū)域）。圖5 塔筒外部裂紋宏觀形貌照片1、宏觀形貌分析102021/8/26裂紋源是一個近表面的焊接缺陷，隨后疲勞擴展，斷口上的海灘花樣是疲勞擴展的依據(jù)，擴展區(qū)斷口上的剪切唇是塑性斷裂的基本特征形貌。擴展區(qū)可見一些焊接缺陷（氣孔等），但沒有發(fā)現(xiàn)脆性解理斷裂的形貌特征。整個斷口在后期的工作條件下斷口持續(xù)張合，導(dǎo)致形貌被破壞，呈現(xiàn)出擠壓的宏觀斷口形貌特征。圖6 斷口宏觀形貌1、宏觀形貌分析112021/8/262、微觀形貌分析（1）斷口的金相分析經(jīng)微觀分析發(fā)現(xiàn)，裂紋由處于外壁的裂紋源開裂，穿過焊縫達內(nèi)壁搶修焊縫熔池邊緣（圖7）。斷口的近表面層發(fā)現(xiàn)存在40-50m深

5、的全屈服變形層變形層與基體交界面部分出現(xiàn)平直細小的類似解理裂紋。圖7 裂紋微觀形貌照片122021/8/26（2）斷口的掃描電鏡分析2、微觀形貌分析圖8 金相試樣的掃描電鏡照片 失效主裂紋在焊縫的一側(cè)（圖8），金相裂紋兩邊存在一個約40-50m的變形組織，變形層下有顯微開裂，這些開裂與多次反復(fù)擠壓變形有關(guān)。搶修焊縫 由金相試樣的高倍掃描電鏡照片（圖9），可見金相試樣上的脆性裂紋是斷口變形層下的開裂。圖9 金相試樣的高倍掃描電鏡照片熔合線132021/8/262、微觀形貌分析圖10 裂紋源掃描電鏡照片開裂起始于一個深約2mm的焊接缺陷。斷口對表面因后期的持續(xù)碰撞擠壓，使斷口表面出現(xiàn)一定深度的擠壓

6、變形層，因此實際斷口以滑移形貌為主。未發(fā)現(xiàn)脆性解理斷裂的形貌特征。142021/8/26 塔架用鋼的材料組織狀態(tài)正常，母材常溫拉伸與低溫沖擊試驗結(jié)果表明，材料的塑性儲備良好，在-40以上沒有出現(xiàn)冷脆開裂的現(xiàn)象及風險。 根據(jù)宏觀分析和微觀分析找到了塔架焊縫開裂的裂紋源近表面的、深約2mm的焊接缺陷。 裂紋以疲勞方式發(fā)展，呈現(xiàn)宏觀脆性斷裂。 開裂后斷口的持續(xù)反復(fù)碰撞擠壓，使斷口近表面處出現(xiàn)深約40-50m的變形層，并在變形層與基體的過渡區(qū)產(chǎn)生顯微裂紋，這種裂紋類似于磨損疲勞的裂紋。2.3 2.3 結(jié)果結(jié)果分析分析 因此可以認為該風力發(fā)電塔架筒體焊縫開裂是由于焊縫近表面存在一個約2mm深的焊接缺陷，在工作載荷的作用下，由此啟裂并發(fā)生疲勞開裂破壞。152021/8/263、改進措施 通過一定措施提高焊縫質(zhì)量，如材料的選擇，焊接工藝等。 焊接完成后對焊縫及周圍熱影響區(qū)進行無損檢測：X射線，超聲波。 定期檢查塔架，及時發(fā)現(xiàn)問題