腐蝕與損傷(教案)(鍋爐、壓力容器、壓力管道)

1、腐蝕與損傷（教 案）2006年9月主要內(nèi)容第一部分 金屬材料的腐蝕一 金屬腐蝕及種類(lèi)二 腐蝕的危害性三 全面腐蝕四 局部腐蝕1. 點(diǎn)蝕2. 縫隙腐蝕3. 磨損腐蝕4. 涂層破損處的局部大氣銹蝕五 晶間腐蝕六 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂1. 堿脆2. 不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕破裂3. 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕破裂（SSCC）4. 其它常見(jiàn)應(yīng)力腐蝕破裂體系七 腐蝕疲勞八 氫損傷1. 氫鼓包2. 氫脆3. 脫碳4. 氫腐蝕九 腐蝕防護(hù)第二部分 金屬材料的損傷與失效一、金屬材料的損傷1.疲勞損傷2.介質(zhì)損傷3.熱損傷4.交互損傷二、失效與失效分析1.失效的概念2.失效分析的意義3.失效分析的基本思路4.破壞種類(lèi)及特征5.韌性

2、破壞6.脆性破壞7.腐蝕破壞8.疲勞破壞9.蠕變破壞10.復(fù)合破壞11.失效分析的主要手段12.斷口保護(hù)第一部分 金屬材料的腐蝕操作介質(zhì)或環(huán)境對(duì)鍋爐壓力容器壓力管道的腐蝕普遍存在，對(duì)鍋爐壓力容器壓力管道的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此研究腐蝕對(duì)指導(dǎo)鍋爐壓力容器壓力管道的管理、檢驗(yàn)及安全監(jiān)察均具有重要意義。腐蝕檢驗(yàn)是鍋爐壓力容器壓力管道定期檢驗(yàn)中的主要內(nèi)容之一。本節(jié)介紹金屬腐蝕的分類(lèi)、幾種危害較大的腐蝕形式以及腐蝕的防護(hù)或避免措施等。一、 金屬腐蝕及種類(lèi)金屬材料表面由于受到周?chē)橘|(zhì)的作用而發(fā)生狀態(tài)變化，從而使金屬材料遭受破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為腐蝕。如鐵生銹、銅發(fā)綠銹、鋁生白斑點(diǎn)等。金屬的腐蝕按照機(jī)理（或原理）可

3、分為化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕兩類(lèi)?；瘜W(xué)腐蝕：化學(xué)腐蝕是金屬表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生的損壞，它的特點(diǎn)是腐蝕在金屬的表面上，腐蝕過(guò)程中有電子得失但沒(méi)有電流的產(chǎn)生。金屬的高溫氧化及脫碳就屬于化學(xué)腐蝕，高溫高壓臨氫環(huán)境中金屬的氫腐蝕也屬于化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕：金屬與電解質(zhì)溶液間產(chǎn)生電化學(xué)作用所發(fā)生的腐蝕稱(chēng)電化學(xué)腐蝕。它的特點(diǎn)是在腐蝕過(guò)程中有電流產(chǎn)生。鍋爐壓力容器壓力管道的應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕均屬于電化學(xué)腐蝕。金屬的電化學(xué)腐蝕必須存在電解質(zhì)、被腐蝕區(qū)域（電位低，為陽(yáng)極）與其他區(qū)域（電位高，為陰極）存在電位差。陽(yáng)極金屬失去電子成為金屬離子，從而造成腐蝕。其它分類(lèi)方法：按照溫度分：低溫腐蝕和高溫腐蝕。按照

4、環(huán)境分：化學(xué)介質(zhì)腐蝕、大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕等。按照金屬破壞的形式可分為10類(lèi)，分別為全面腐蝕、電偶腐蝕、孔蝕(點(diǎn)蝕)、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、腐蝕疲勞、氫損傷。這種方法比較直觀，使用場(chǎng)合廣泛。二、 腐蝕的危害性腐蝕會(huì)使管道整體或局部壁厚減薄，承載能力下降、造成破裂。腐蝕會(huì)造成危害性極大的裂紋，造成管道的裂穿泄漏、嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成突然破裂或爆炸。三、 全面腐蝕全面腐蝕也叫均勻腐蝕，這是在較大面積上產(chǎn)生的程度基本相同的腐蝕，如管道內(nèi)壁表面遭受介質(zhì)的全面腐蝕，外壁裸露表面(或有涂料但已全面失效)遭受的大氣銹蝕等。 遭受全面腐蝕的管道，壁厚逐漸減薄，最后破壞。從工程

5、的角度看，全面腐蝕并不是威脅很大的腐蝕形態(tài)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)可考慮足夠的腐蝕裕度。但應(yīng)注意的是，在管道使用過(guò)程中，腐蝕速度往往因環(huán)境惡化(如超溫、加進(jìn)腐蝕性成份等)而加劇，因此定期檢驗(yàn)對(duì)全面腐蝕的檢查是十分必要的，通過(guò)定點(diǎn)測(cè)厚，掌握壁厚減薄的情況。但是定期檢驗(yàn)工作不力、壁厚腐蝕減薄而發(fā)生事故的事例屢見(jiàn)不鮮。四、 局部腐蝕（點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、磨損腐蝕）1. 點(diǎn)蝕圖1 點(diǎn)腐蝕坑的各種剖面形狀（取自ASTM G4676）集中在金屬表面?zhèn)€別小位置上的深度較大的腐蝕稱(chēng)為點(diǎn)蝕，也叫孔蝕。大多數(shù)情況下，蝕孔是比較小的。蝕孔之間有時(shí)互相孤立，有時(shí)十分靠近，密集在一起。蝕孔直徑等于或小于深度，蝕孔形態(tài)見(jiàn)圖1。點(diǎn)蝕是最具

6、有破壞性的和隱藏的腐蝕形態(tài)之一。它常常使得設(shè)備在重量損失還很小的情況下就穿孔而產(chǎn)生泄漏。奧氏體不銹鋼設(shè)備在含氯離子或溴離子的介質(zhì)作用下最容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕。不銹鋼外壁如果常被海水或天然水潤(rùn)濕，也會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕，這是因?yàn)楹Ｋ蛱烊凰泻幸欢ǖ穆入x子。 2. 縫隙腐蝕當(dāng)管道介質(zhì)為電解質(zhì)溶液時(shí)，在與介質(zhì)接觸的縫隙處，如法蘭墊片處、單面焊未焊透處等，均會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，見(jiàn)圖2。圖2 單面焊未焊透引起的縫隙腐蝕產(chǎn)生縫隙腐蝕的縫隙寬度，必須能使介質(zhì)進(jìn)入縫隙而又使這些介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，因此腐蝕常常發(fā)生在縫隙口寬度在0.2mm或更小的場(chǎng)合。纖維類(lèi)的墊片、盤(pán)根等，能使電解質(zhì)溶液在靠近金屬表面處完全滯留，因此容易產(chǎn)生嚴(yán)重縫

7、隙腐蝕。一些鈍性金屬如不銹鋼、鋁、鈦等，容易產(chǎn)生縫隙腐蝕。縫隙腐蝕在許多介質(zhì)中發(fā)生，但以含氯化物的溶液中最嚴(yán)重?？p隙腐蝕的機(jī)理，一般認(rèn)為是濃差腐蝕電池的原理，即縫隙內(nèi)和周?chē)芤褐g氧濃度或金屬離子濃度存在差異造成的。3. 磨損腐蝕磨損腐蝕也稱(chēng)為沖刷腐蝕。介質(zhì)流向突然發(fā)生改變，對(duì)金屬及金屬表面的鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物層產(chǎn)生機(jī)械沖刷破壞作用，同時(shí)又對(duì)不斷露出的金屬新鮮表面發(fā)生激烈的電化學(xué)腐蝕，從而造成比其他部位更為嚴(yán)重的腐蝕損傷。這種損傷是金屬以其離子或腐蝕產(chǎn)物從金屬表面脫離，而不是像純粹的機(jī)械磨損那樣以固體金屬粉末脫落。如果流體中夾有汽泡或固體懸浮物時(shí)，則最易發(fā)生磨損腐蝕。不銹鋼的鈍化膜耐磨損腐蝕性能

8、較差，鈦則較好。4. 涂層破損處的局部大氣銹蝕對(duì)于化工廠的碳鋼設(shè)備，這種腐蝕有時(shí)會(huì)很?chē)?yán)重，因?yàn)榛S區(qū)的大氣中常常含有酸性氣體，比自然大氣的腐蝕性強(qiáng)得多。 五、 晶間腐蝕晶間腐蝕是腐蝕局限在晶界和晶界附近，而晶粒本身腐蝕比較小的一種腐蝕形態(tài)。晶間腐蝕是由晶界的雜質(zhì)，或晶界區(qū)某一合金元素增多或減少而引起的。 晶間腐蝕造成晶粒脫落，使機(jī)械強(qiáng)度和延伸率顯著下降，但仍保持原有的金屑光澤，不易發(fā)現(xiàn)，常造成設(shè)備突然破壞，危害很大。最易產(chǎn)生晶間腐蝕的是鉻鎳奧氏體不銹鋼。關(guān)于鉻鎳奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的原因，已被公認(rèn)的是貧鉻理論。奧氏體不銹鋼中碳與Cr及Fe能生成復(fù)雜的碳化物(Cr、Fe)23C6，在高溫下固溶

9、于奧氏體中。若將鋼由高溫緩慢冷卻或在敏化溫度范圍(450850)內(nèi)保溫時(shí)，奧氏體中過(guò)飽和的碳將和Fe、C，化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出。由于鉻的擴(kuò)散速度比較慢，這樣生成(Cr、Fe)23C6所需要的Cr必然要從晶界附近攝取，從而造成晶界附近區(qū)域鉻含量降低，即所謂貧鉻。如果鉻含量降到12(鈍化所需極限)以下，則貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)，它和晶粒之間構(gòu)成原電池。晶界區(qū)是陽(yáng)極，面積??；晶粒是陰極，面積大，從而造成晶界附近貧鉻區(qū)的嚴(yán)重腐蝕。圖3是晶界貧鉻區(qū)腐蝕的示意圖。 當(dāng)奧氏體不銹鋼被加熱到450850的敏化溫度范圍時(shí)，則晶間腐蝕特別敏感。焊接時(shí)的熱影響區(qū)正好處于敏化溫度范圍內(nèi)，容易造成晶

10、間腐蝕。因此，在施焊時(shí)，嚴(yán)格控制焊接電流和返修次數(shù)，以盡可能減小熱輸入量。奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的控制有三條途徑：采用高溫固溶處理，即固溶淬火；添加穩(wěn)定化合金元素，如Ti、Nb等；降低鋼中的碳含量至0.03以下。六、 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生的斷裂破壞，稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕破裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的時(shí)間有長(zhǎng)有短，有經(jīng)過(guò)幾天就開(kāi)裂的，也有經(jīng)過(guò)數(shù)年才開(kāi)裂，這說(shuō)明應(yīng)力腐蝕破裂通常有一個(gè)或長(zhǎng)或短的孕育期。應(yīng)力腐蝕裂紋呈枯樹(shù)枝狀（開(kāi)杈），大體上沿著垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展。裂紋的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型(沿晶型)和二者兼有的混合型。焊接、冷加工及安裝時(shí)殘余應(yīng)力是主要的應(yīng)力來(lái)源。并不是

11、任何的金屬與介質(zhì)的共同作用都引起應(yīng)力腐蝕破裂。某種金屬材料只有在某些特定的腐蝕環(huán)境中，才發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。1. 堿脆金屬在堿液中的應(yīng)力腐蝕破裂稱(chēng)堿脆。碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等多種金屬材料皆可發(fā)生堿脆。碳鋼(含低合金鋼)發(fā)生堿脆的趨向見(jiàn)圖4。由圖可知，氫氧化鈉濃度在5以上的全部濃度范圍內(nèi)碳鋼幾乎都可能產(chǎn)生堿脆；堿脆的最低溫度為50，所需堿液的濃度為4050。以沸點(diǎn)附近的高溫區(qū)最易發(fā)生。裂紋呈晶間型。對(duì)奧氏體不銹鋼，氫氧化鈉濃度在0.1以上時(shí)即可發(fā)生堿脆。氫氧化鈉濃度40最危險(xiǎn)，這時(shí)發(fā)生堿脆的溫度為115左右。超低碳不銹鋼的堿脆裂紋為穿晶型，含碳量高時(shí)，堿脆裂紋則為晶間型或混合型。當(dāng)奧氏體不銹鋼中

12、加入2鉬時(shí)，則可使其堿脆界限縮小，并向堿的高濃度區(qū)域移動(dòng)。鎳和鎳基合金具有較高的耐應(yīng)力腐蝕的性能，它的堿脆范圍變得狹窄，而且位于高溫濃堿區(qū)，如圖5。 圖4 碳鋼在減液中的應(yīng)力腐蝕破裂區(qū) 圖5 不銹鋼在減液中的應(yīng)力腐蝕破裂區(qū)2. 不銹鋼的氯離子應(yīng)力腐蝕破裂氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，更能引起不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂。發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度的上升而減小，高溫下，氯離子濃度只要達(dá)到10-6kgkg(ppm)，即能引起破裂。發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的臨界溫度為70，工業(yè)中發(fā)生不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的情況相當(dāng)普遍。不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕破裂不僅發(fā)生在內(nèi)壁，發(fā)生在外壁的事例也屢見(jiàn)不鮮，見(jiàn)圖6。作

13、為管外側(cè)的腐蝕因素，被認(rèn)為是保溫材料的問(wèn)題，對(duì)保溫材料進(jìn)行分析的結(jié)果，被檢驗(yàn)出含有約0.5的氯離子。這個(gè)數(shù)值可認(rèn)為是保溫材料中含有的雜質(zhì)，或由于保溫層破損、浸入的雨水中帶入并經(jīng)過(guò)濃縮的結(jié)果。圖6 不銹鋼管道外壁的應(yīng)力腐蝕破裂不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋是典型的樹(shù)枝狀穿晶型裂紋，并常常以孔蝕為起源，如圖7。圖7 1Crl8Ni9Ti以孔蝕為起點(diǎn)的穿晶應(yīng)力腐蝕破裂3. 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕破裂（SSCC）金屬在同時(shí)含硫化氫及水的介質(zhì)中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕破裂即為硫化物腐蝕破裂，簡(jiǎn)稱(chēng)硫裂。在天然氣、石油采集，加工煉制，石油化學(xué)及化肥等工業(yè)部門(mén)常常發(fā)生硫裂事故。發(fā)生硫裂所需的時(shí)間短則幾天，長(zhǎng)則幾個(gè)月到幾年不等，但是

14、未見(jiàn)超過(guò)十年發(fā)生硫裂的事例。硫裂的裂紋較粗，分支較少，多為穿晶型，也有晶間型或混合型。按照HG20581-1998鋼制化工容器材料選用規(guī)定，所謂濕硫化氫是指：（1） 溫度小于等于（60+2P），P為壓力，Mpa；（2） 硫化氫分壓大于等于350Pa，即相當(dāng)于常溫水中硫化氫溶解度大于等于10PPM；（3） 介質(zhì)中含有液相水或處于水的露點(diǎn)溫度以下；（4） Ph<9或有氰化物存在。為了避免濕硫化氫環(huán)境中碳鋼和低合金鋼的應(yīng)力腐蝕，應(yīng)當(dāng)：（1） 材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度小于等于335Mpa；（2） 材料實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度小于等于630Mpa；（3） 材料使用狀態(tài)應(yīng)至少為正火或正火+回火、退火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)；

15、（4） 碳當(dāng)量限制（當(dāng)碳當(dāng)量超標(biāo)時(shí)，應(yīng)加大硬度限制頻度）：對(duì)低碳鋼和碳錳鋼 ：CE0.40 CE =C+Mn/6; 對(duì)低合金鋼：CE0.45 CE =C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15（5） 對(duì)非焊接件或焊后經(jīng)正火或回火處理的材料，硬度限制為：低碳鋼 HV（10）220（單個(gè)值）；低合金鋼HV（10）245（單個(gè)值）。（6） 殼體用鋼板厚度大于20mm時(shí)，應(yīng)按JB4730進(jìn)行超聲波探傷，符合II級(jí)要求。碳鋼和低合金鋼在20-40溫度范圍內(nèi)對(duì)硫裂的敏感性最大，但奧氏體不銹鋼的硫裂大多發(fā)生在高溫環(huán)境，隨著溫度升高，奧氏體不銹鋼的硫裂敏感性增加。在含硫化氫及水的介質(zhì)中，如果同

16、時(shí)含醋酸，或者二氧化碳和氯化鈉，或磷化氫，或砷、硒、銻、碲的化合物或氯離子，則對(duì)鋼的硫裂起促進(jìn)作用。對(duì)于奧氏體不銹鋼的硫裂，氯離子和氧起促進(jìn)作用。對(duì)碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，淬火+回火的金相組織抗硫裂最好，未回火馬氏體組織最差。鋼抗硫裂性能依淬火+回火組織正火+回火組織正火組織未回火馬氏體組織的順序遞降。鋼的強(qiáng)度越高，越易發(fā)生硫裂。通常規(guī)定HB<200。圖8 碳鋼應(yīng)力腐蝕裂紋4. 其它常見(jiàn)應(yīng)力腐蝕破裂體系(1)碳鋼和低合金在農(nóng)用液氨中的應(yīng)力腐蝕破裂 純凈的液氨不會(huì)引起破裂，當(dāng)液氨中混入空氣(O2、N2、CO2)，如化肥工業(yè)中的農(nóng)用液氨，則會(huì)引發(fā)應(yīng)力腐蝕破裂，在液相部位和氣相部位均會(huì)產(chǎn)生。如液氨

17、中含水量超過(guò)0.2時(shí)，可抑制破裂的產(chǎn)生。對(duì)焊縫進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的熱處理，是必要的防護(hù)措施。(2)碳鋼在COCO2H2O環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕破裂 在合成氨、制氫的脫碳系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、有機(jī)合成及石油氣等工業(yè)中常發(fā)生這類(lèi)損傷事故。七、 腐蝕疲勞交變應(yīng)力與化學(xué)介質(zhì)共同作用下引起金屬力學(xué)性能下降、開(kāi)裂，甚至斷裂的現(xiàn)象稱(chēng)為腐蝕疲勞。介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用往往比它們單獨(dú)作用或二者簡(jiǎn)單疊加更加有害。有時(shí)腐蝕性很弱的介質(zhì)，像水、潮濕空氣等也能起很大作用，使材料或物件發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性增加，這種現(xiàn)象很容易被忽視，因此需要給予足夠的注意。腐蝕疲勞裂紋的特征如下：腐蝕疲勞裂紋往往有很多條，但無(wú)分枝，這是與應(yīng)力腐蝕裂紋的區(qū)別。

18、裂紋一般是穿晶的。八、 氫損傷氫滲透進(jìn)入金屬內(nèi)部而造成金屬性能劣化稱(chēng)為氫損傷，也叫氫破壞。氫損傷可分為四種不同類(lèi)型：氫鼓包、氫脆、脫碳和氫腐蝕。1. 氫鼓包主要發(fā)生在含濕硫化氫的介質(zhì)中。硫化氫在水中電解產(chǎn)生氫離子，氫離子從鐵原子獲得電子變?yōu)闅湓?。由于S2+在金屬表面的吸附對(duì)氫原子復(fù)合氫分子有阻礙作用，從而促進(jìn)氫原子往金屬內(nèi)滲透。當(dāng)氫原子向鋼中滲透擴(kuò)散時(shí)，遇到了裂縫、分層、空隙、夾渣等缺陷，就聚集起來(lái)結(jié)合成氫分子造成體積膨脹，在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生極大壓力(可達(dá)數(shù)百M(fèi)Pa)。如果這些缺陷在鋼材表面附近，則形成鼓包，如圖9所示。如果這些缺陷在鋼的內(nèi)部深處，則形成誘發(fā)裂紋。它是沿軋制方向上產(chǎn)生的相互平行的

19、裂紋，被短的橫向裂紋連接起來(lái)形成“階梯”，如圖10所示。劣化圖9 氫鼓包機(jī)理示意及氫鼓包圖圖10 16Mn低合金鋼在H2S腐蝕環(huán)境中發(fā)生的氫誘發(fā)階梯裂紋2. 氫脆不論以什么方式進(jìn)入鋼內(nèi)的氫，都將引起鋼材脆化，即延伸率、斷面收縮率顯著下降，高強(qiáng)度鋼尤其嚴(yán)重。若將鋼材中的氫釋放出來(lái)(如加熱進(jìn)行消氫處理)，則鋼的機(jī)械性能仍可恢復(fù)。氫脆是可逆的。3. 脫碳在工業(yè)制氫裝置中，高溫氫氣設(shè)備易產(chǎn)生脫碳損傷。鋼中的滲碳體在高溫下與氫氣作用生成甲烷： Fe3C+2H23Fe+CH4 反應(yīng)結(jié)果導(dǎo)致表面層的滲碳體減少，而碳便從鄰近的尚未反應(yīng)的金屬層逐漸擴(kuò)散到這一反應(yīng)區(qū)，于是有一定厚度的金屬層因缺碳而變?yōu)殍F素體。脫碳

20、的結(jié)果造成鋼的表面強(qiáng)度和疲勞極限的降低。4. 氫腐蝕鋼受到高溫高壓氫作用后，其機(jī)械性能變劣，強(qiáng)度、韌性明顯降低，并且是不可逆的，這種現(xiàn)象叫做氫腐蝕。（略）九、 腐蝕防護(hù)關(guān)于腐蝕防護(hù)的方法很多，但應(yīng)當(dāng)按照腐蝕的種類(lèi)和機(jī)理合理選擇。如合理選材、設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)、規(guī)范地進(jìn)行制造安裝和管理、定期檢驗(yàn)、陰極保護(hù)、陽(yáng)極保護(hù)、涂層等。在此不再敘述。第二部分 金屬材料的損傷與失效一、 金屬材料的損傷在外部機(jī)械力、介質(zhì)環(huán)境、熱作用等單獨(dú)或共同作用下，造成材料性能下降、開(kāi)裂或結(jié)構(gòu)承載能力下降，稱(chēng)為損傷，損傷具有不可逆特征，損傷可能發(fā)展為失效和斷裂。典型損傷過(guò)程包括疲勞損傷、介質(zhì)損傷、熱損傷和組合損傷。1. 疲勞損傷

21、變化的應(yīng)力，特別是頻繁變化的應(yīng)力，會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域造成疲勞裂紋。例如：由于管道振動(dòng)，在與設(shè)備連接位置（焊縫）產(chǎn)生的對(duì)稱(chēng)的疲勞裂紋。疲勞損傷包括低周疲勞損傷和高周疲勞損傷。2. 介質(zhì)損傷介質(zhì)，包括工藝介質(zhì)和環(huán)境介質(zhì)（如潮濕的空氣、外部水環(huán)境、雨水等）會(huì)造成腐蝕。表現(xiàn)為腐蝕坑、全面腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等。例如：酸介質(zhì)的全面腐蝕：減薄，承載能力下降濕硫化氫導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：穿透泄漏、爆炸鍋爐尾部受熱面的露點(diǎn)腐蝕：局部減薄、泄漏巖棉保溫管道雨水帶來(lái)的不銹鋼管道的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂：泄漏埋地管道防腐層損壞位置的潰瘍狀腐蝕：破裂泄漏鍋爐水側(cè)的氧腐蝕和垢下腐蝕：破裂泄漏高溫高壓臨氫環(huán)境的氫損傷：加氫反應(yīng)器3.

22、 熱損傷熱疲勞：由于存在隨時(shí)間變化的溫度梯度而在構(gòu)件中產(chǎn)生交變熱應(yīng)力造成的疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象。鍋爐中常見(jiàn)。珠光體的球化：碳素鋼、Cr-Mo鋼、Cr-Mo-V鋼在高溫作用下，鋼材中表面能較高的層片狀的珠光體會(huì)逐步演化為表面能較低的球狀，造成硬度和強(qiáng)度下降。稱(chēng)為珠光體的球化。15CrMo鋼的珠光體完全球化如下圖。 1000× 4000×滲碳體的石墨化：碳素鋼在427以上，1/2鉬鋼在480以上時(shí)，在高溫長(zhǎng)期作用下，鋼材中的滲碳體分解為游離的石墨和鐵，石墨聚集成球團(tuán)狀，造成材料力學(xué)性能下降。這種現(xiàn)象稱(chēng)為滲碳體的石墨化。碳素鋼的石墨化（500X）過(guò)熱：一般認(rèn)為，金屬由于加熱溫度過(guò)高或高溫

23、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起晶粒粗大的現(xiàn)象就是過(guò)熱。過(guò)熱將引起材料的塑性、沖擊韌度、疲勞性能、斷裂韌度及抗應(yīng)力腐蝕能力下降。    至于晶粒粗大到什么程度算過(guò)熱，應(yīng)視具體材料而有所不同。碳鋼（包括亞共折鋼和過(guò)共折鋼）、軸承鋼和一些鋼合金，過(guò)熱之后往往出現(xiàn)魏氏組織；馬氏體和貝氏體鋼過(guò)熱之后往往出現(xiàn)晶內(nèi)織構(gòu)組織；1Cr18Ni9Ti、1Cr13和Cr17Ni2等不銹鋼過(guò)熱之后相（或鐵素體）顯著增多；工模具鋼（或高合金鋼）往往以一次碳化物角狀化為特征判定過(guò)熱組織。鈦合金過(guò)熱后出現(xiàn)明顯的晶界和平直細(xì)長(zhǎng)的魏氏組織（圖片8-423），這些通過(guò)金相檢查便可以判定。對(duì)鋁合金的過(guò)熱

24、現(xiàn)在沒(méi)有明確的判定標(biāo)準(zhǔn)。一般過(guò)熱的結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)正常熱處理（正火、淬火）之后，組織可以得到改善，性能也隨之恢復(fù)。過(guò)燒：加熱溫度比過(guò)熱的更高，但與過(guò)熱沒(méi)有嚴(yán)格的溫度界限。一般以晶粒邊界出現(xiàn)氧化及熔化為特征來(lái)判定過(guò)燒。如對(duì)碳素鋼來(lái)說(shuō)，過(guò)燒時(shí)晶界熔化、嚴(yán)重氧化。一般不能通過(guò)熱處理過(guò)程恢復(fù)，鍛件過(guò)燒后一般要報(bào)廢。蠕變：金屬材料長(zhǎng)期在不變的溫度和不變的應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象，稱(chēng)為蠕變。對(duì)于一般金屬，蠕變現(xiàn)象只有在高溫條件下才明顯表現(xiàn)出來(lái)。但是，某些金屬，如鉛、錫及它們的合金，在常溫條件下，也能表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象。產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力，甚至可以小于材料的彈性極限。蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由三個(gè)方面的因素構(gòu)成：

25、溫度、應(yīng)力和時(shí)間。碳鋼在300-400時(shí)，在應(yīng)力的作用下即能明顯地出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。當(dāng)溫度在高于400時(shí)，即使應(yīng)力不大，也要出現(xiàn)較大速率的蠕變。合金鋼的溫度超過(guò)400450時(shí)，在一定的應(yīng)力作用下，就會(huì)發(fā)生蠕變、溫度愈高，蠕變現(xiàn)象愈明顯。高溫高壓火電廠中產(chǎn)生蠕變的部件較多，如主蒸汽管道、鍋爐聯(lián)箱、汽水管通、高溫緊固件、汽輪機(jī)汽缸等。 由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過(guò)量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進(jìn)入到了加速發(fā)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會(huì)使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。所以，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的高溫部件，要進(jìn)行嚴(yán)格的蠕變監(jiān)測(cè)。當(dāng)然，一些部件在工作中出現(xiàn)一些塑性變形還是允許的，只要它們?cè)谡麄€(gè)工作期限內(nèi)（

26、例如10萬(wàn)小時(shí)），由于蠕變所累積的塑性變形量不超過(guò)允許值即可。例如，一般規(guī)定主蒸汽管道、高溫蒸汽聯(lián)箱經(jīng)10萬(wàn)小時(shí)運(yùn)行后，總變形量不超過(guò)1%；汽輪機(jī)汽缸10萬(wàn)小時(shí)后的總變形量不超過(guò)0.1%；鍋爐的合金鋼過(guò)熱器管和再熱管，當(dāng)蠕變脹粗大于2.5%時(shí)，即行更換；鍋爐的碳鋼過(guò)熱器管和再熱器管，當(dāng)蠕變脹粗大于3.5%時(shí)，即行更換。4. 交互損傷實(shí)際損傷往往有多種影響因素，因此破壞形式往往是復(fù)雜的，如：腐蝕疲勞損傷、蠕變疲勞損傷等。二、 失效與失效分析1. 失效的概念由于承載能力下降（含壽命損耗）或載荷增大，喪失了原來(lái)的承載能力從而不能正常工作，稱(chēng)為失效。失效包括開(kāi)裂、泄漏、爆炸、過(guò)度變形、失穩(wěn)、材料性能劣

27、化（材質(zhì)劣化）等。失效也可以表述為當(dāng)構(gòu)件的抵抗能力小于外界的破壞推動(dòng)力時(shí)發(fā)生的異常行為或結(jié)果。2. 失效分析的意義分析失效原因的意義：（1）分清責(zé)任（設(shè)計(jì)、制造、使用、檢驗(yàn)等）（2）修復(fù)、糾正、改進(jìn)，防止重復(fù)發(fā)生（3）促進(jìn)科研和技術(shù)進(jìn)步3. 失效分析的基本思路（1）承載能力方面：承載能力下降，抵抗能力下降，原因包括：厚度減?。ǜg等），材料性能下降（如氫損傷、蠕變、壽命損耗、珠光體球化、滲碳體石墨化等），結(jié)構(gòu)不合理，溫度過(guò)高，焊接缺陷，外傷，形狀超差等均會(huì)引起結(jié)構(gòu)承載能力下降。（2）外載荷方面：載荷增大，破壞推動(dòng)力增大，如：壓力過(guò)大，溫度過(guò)高，震動(dòng)，壓力脈動(dòng)，地震，管道的漂移，地基下沉或上凸，

28、偶然事件等均會(huì)引起推動(dòng)力增大，造成失效。4. 破壞種類(lèi)及特征（1）按照原因分類(lèi)：腐蝕破壞：腐蝕、沖蝕減薄，應(yīng)力腐蝕等疲勞破壞：交變載荷作用蠕變破壞：高溫、長(zhǎng)時(shí)、承載其他破壞：設(shè)計(jì)不合理或制造焊接質(zhì)量不良造成的破壞等。（2）按照破壞時(shí)宏觀變形量的大小分為：韌性破壞和脆性破壞。（3）按照破壞時(shí)材料的微觀斷裂機(jī)制：韌窩斷裂、解理斷裂、沿晶脆性斷裂和疲勞斷裂等。（4）工程常用分類(lèi)：韌性破壞、脆性破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、蠕變破壞和其他形式的破壞。實(shí)際的破壞形式往往是幾種形式的混合，可能會(huì)以一種為主。5. 韌性破壞一般指韌性材料或材料在韌性狀態(tài)下的超壓破壞。破壞過(guò)程：過(guò)壓產(chǎn)生彈塑性變形產(chǎn)生微裂紋或空洞生

29、長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展、空洞聚集斷裂（失穩(wěn)擴(kuò)展）裂紋核來(lái)源：微裂紋，夾雜物等。韌性破壞的特征：（1） 變形明顯，形狀改變明顯；（2） 一般無(wú)碎片（材料韌性好）；（3） 爆破壓力容易計(jì)算且與理論值接近；（4） 斷口灰暗，無(wú)金屬光澤；斷口通常有剪切唇。顯微分析一般為韌窩花樣。（5） 一般可以通過(guò)人字紋尋找起裂點(diǎn)。 韌性破壞的例子氣瓶爆炸韌性破壞的預(yù)防:（1） 防止超壓（壓力過(guò)大或安全裝置失靈等）（2） 防止和即使發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄（設(shè)計(jì)、定期檢驗(yàn)）（3） 防止材料錯(cuò)用6. 脆性破壞在沒(méi)有明顯塑性變形和較低壓力下的突然破壞。一般原因是材料有嚴(yán)重缺陷和材料韌性嚴(yán)重不足。材料的脆性及影響因素：（1） 當(dāng)溫度降低到小于材料

30、的無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度及以下時(shí)，材料韌性急劇下降，缺口敏感性加大。（2） 影響材料脆性的因素：應(yīng)力狀態(tài)、溫度、加載速度、厚度（應(yīng)力狀態(tài)）、晶粒度、化學(xué)成分（C、N、O、H、S、P）（3） 環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度、液態(tài)介質(zhì)閃蒸等造成溫度下降。（4） 大量的脆性破壞往往是因?yàn)闃?gòu)件內(nèi)存在嚴(yán)重缺陷。如裂紋等面狀缺陷。研究裂紋缺陷對(duì)構(gòu)件影響的學(xué)科斷裂力學(xué)。脆性破壞的特征（1） 無(wú)明顯塑性變形（2） 破壞時(shí)的應(yīng)力水平較低（3） 往往有碎片，裂口呈放射狀（4） 很多在溫度較低時(shí)發(fā)生（5） 斷口特征：斷口平齊，一般與最大主應(yīng)力方向垂直；有金屬光澤；往往為解理斷裂；若因?yàn)槿毕菰斐?，通過(guò)人字紋查找原始缺陷。a) 鐵，-196沖擊破壞 b) 30%Cr焊縫金屬，羽毛狀c) 孿晶造成裂紋擴(kuò)展方向不同 d) 0.5%Mn鋼銷(xiāo)釘孿晶解理斷面脆性破壞的防止：（1） 發(fā)現(xiàn)并消除缺陷加強(qiáng)檢驗(yàn)（2） 消除焊接殘余應(yīng)力（3） 正確選用材料，保證有足夠的韌性（4） 避免應(yīng)力集中7. 腐蝕破壞腐蝕的危害：（1）腐蝕會(huì)使容器整體或局部壁厚減薄，承載能力下降、造成破裂。（2）腐蝕會(huì)造成危害性極大的裂紋，造成容器的裂穿泄漏、嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成突然破裂或爆炸。 腐蝕破壞的種類(lèi)（1）