第七章失效分析案例分析

第七章失效案例分析

2/1/20231現代材料學--高分子材料失效分析程序問（調查）望（觀察）聞（探測）切（測試）模（模擬）結（結論）2/1/20232現代材料學--高分子材料失效分析需要的實驗技術宏觀和微觀斷口分析技術金相檢驗技術無損檢驗技術常規(guī)成分、微區(qū)成分及表面成分分析技術X射線衍射分析技術實驗應力分析技術力學性能測試技術斷裂力學測試技術2/1/20233現代材料學--高分子材料某天然氣管線壓氣站法蘭開裂原因分析海水混輸泵葉輪片失效分析分析實例2/1/20234現代材料學--高分子材料某天然氣管線壓氣站法蘭開裂原因分析2/1/20235現代材料學--高分子材料1）背景資料2005年10月，中油六建在安裝緊固某壓氣站2號壓氣機出口短節(jié)法蘭螺栓時，法蘭開裂該法蘭生產廠家為上海某高壓管件廠，按JB4726-2000《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》規(guī)定的Ⅳ級進行制造、檢驗和驗收，法蘭材質為16Mn2/1/20236現代材料學--高分子材料2）斷口宏觀形貌分析2/1/20237現代材料學--高分子材料法蘭裂紋距焊縫約50mm，裂紋長約2150mm，大約占法蘭周長的三分之二2/1/20238現代材料學--高分子材料裂紋一端擴展到焊縫熔合線上約80mm長，另一端仍距焊縫約50mm圖1法蘭斷口宏觀形貌2/1/20239現代材料學--高分子材料圖2法蘭裂紋打開后的斷口形貌2/1/202310現代材料學--高分子材料圖3

法蘭裂紋端部斷口形貌2/1/202311現代材料學--高分子材料20m圖4

法蘭裂紋中部斷口形貌2/1/202312現代材料學--高分子材料圖5法蘭裂紋焊縫熔合線部位斷口形貌焊趾裂紋2/1/202313現代材料學--高分子材料裂紋未穿透壁厚，大部分剩余壁厚3～5mm，裂紋兩端剩余壁厚較多。說明裂紋起始于外壁，然后沿壁厚向內壁擴展。在斷口上的焊趾部位有條帶狀黑褐色區(qū)域，說明該部分斷口形成時間早于螺栓緊固時法蘭開裂時間，估計該斷口是焊趾裂紋。由于焊縫裂紋剩余壁厚較多且處于裂紋末端，所以此處可能不是法蘭開裂源。斷口沒有塑性變形現象，斷口表面呈結晶狀形貌，是典型的脆性斷口。2/1/202314現代材料學--高分子材料3）化學成分分析BairdSpectrovac2000光譜儀、LECOCS-444紅外碳硫分析儀2/1/202315現代材料學--高分子材料法蘭化學成分（%）元素CSiMnMoCrVPSNiCu結果0.230.501.620.0350.0510.0060.0170.0150.0590.04JB4726-20000.13～0.190.20～0.601.20～1.60-≤0.30-≤0.030≤0.020≤0.30≤0.25

C含量超標2/1/202316現代材料學--高分子材料4)無損探傷超聲及磁粉方法檢測法蘭，除原來已經存在的裂紋外，沒有發(fā)現其它缺陷2/1/202317現代材料學--高分子材料5）力學性能試驗取樣拉伸、沖擊及硬度試樣第2取樣位置拉伸、沖擊及硬度試樣第1取樣位置裂紋酸蝕試樣酸蝕試樣圖6法蘭材料性能試驗取樣位置2/1/202318現代材料學--高分子材料第1取樣位置法蘭厚度最厚處距外邊緣20mm以內沿切向取一個拉伸試樣、一個硬度試樣和三個沖擊試樣拉伸試樣為圓棒試樣，試樣直徑10mm、標距長度50mm

沖擊試樣為全尺寸夏比V型缺口試樣2/1/202319現代材料學--高分子材料第2取樣位置一個拉伸試樣、一個硬度試樣和三個沖擊試樣進行試驗拉伸試樣為圓棒試樣，試樣直徑10mm、標距長度50mm沖擊試樣為全尺寸夏比V型缺口試樣

2/1/202320現代材料學--高分子材料項目

拉伸性能沖擊功(0℃)（J）硬度HBW10/3000拉伸強度Rm（MPa）屈服強度Rr0.2（MPa）伸長率A（%）檢測結果60031520789181175170JB4726-2000規(guī)定450～600≥275≥20≥31121～178法蘭材料力學性能結果（第1取樣位置）

沖擊功不符合要求2/1/202321現代材料學--高分子材料項目

拉伸性能沖擊功(20℃)（J）硬度HBW10/300拉伸強度Rm（MPa）屈服強度Rr0.2（MPa）伸長率A（%）檢測結果54527028555157157157JB4726-2000規(guī)定450～600≥275≥20≥31121～178法蘭材料力學性能結果（第2取樣位置）

沖擊功不符合要求2/1/202322現代材料學--高分子材料6）斷口微觀形貌電鏡分析焊縫裂紋金相1電鏡1金相2電鏡2電鏡3金相3圖7法蘭斷口檢驗取樣位置2/1/202323現代材料學--高分子材料圖8法蘭母材斷口微觀形貌裂紋端部、中部斷口微觀形貌：解理+少量沿晶脆性斷口2/1/202324現代材料學--高分子材料晶間斷裂形貌圖9法蘭焊趾斷口（黑褐色條帶區(qū)域）微觀形貌2/1/202325現代材料學--高分子材料圖10法蘭焊趾斷口（黑褐色條帶區(qū)域）x射線能譜分析斷口面上有鐵的氧化物，說明該裂紋形成時間較早2/1/202326現代材料學--高分子材料7）金相分析

2/1/202327現代材料學--高分子材料焊縫法蘭側熱影響區(qū)金屬顯微組織形貌法蘭母材金屬顯微組織形貌圖11金相組織2/1/202328現代材料學--高分子材料母材為珠光體及鐵素體，晶粒度為4.5級。晶粒比較粗大，說明法蘭在加工制造時過熱焊縫熱影響區(qū)內有馬氏體組織，顯微硬度為HV4002/1/202329現代材料學--高分子材料取低倍組織檢驗試塊，經過酸蝕檢驗沒有發(fā)現明顯的枝晶組織，沒有發(fā)現缺陷，說明該法蘭經鍛造制成2/1/202330現代材料學--高分子材料8）綜合分析該法蘭材料強度符合JB4726-2000規(guī)定，但材料沖擊功不符合JB4726-2000規(guī)定。該法蘭斷裂性質為脆性斷裂，裂紋起始于法蘭母材外表面。材料沖擊功很低，不到規(guī)定值的30%，這是法蘭脆性開裂的原因。法蘭母材晶粒度為4.5級，晶粒粗大，說明法蘭在加工制造時過熱，這是法蘭母材沖擊功很低的原因。2/1/202331現代材料學--高分子材料在法蘭焊縫側焊趾發(fā)現氫致裂紋，焊縫熱影響區(qū)存在馬氏體組織，其顯微硬度達到HV400，這是產生焊趾氫致裂紋的重要原因。該法蘭碳含量不符合JB4726-2000要求，超過規(guī)定值的上限，其它合金元素如Mn處于規(guī)定值的上限2/1/202332現代材料學--高分子材料碳當量CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.525法蘭碳當量偏高，是焊縫熱影響區(qū)出現馬氏體組織的重要原因2/1/202333現代材料學--高分子材料9）結論法蘭材料碳含量不符合JB4726-2000規(guī)定，其它元素含量符合JB4726-2000規(guī)定；法蘭材料沖擊功不符合JB4726-2000規(guī)定，其它材料力學性能符合JB4726-2000規(guī)定法蘭開裂性質為脆性斷裂，裂紋起始于法蘭母材外表面，材料沖擊功過低是法蘭脆性開裂的原因法蘭存在焊趾氫致裂紋，法蘭材料碳當量偏高是產生焊趾裂紋的重要原因2/1/202334現代材料學--高分子材料知識點斷口宏觀、微觀分析無損檢測化學成分分析金相觀察力學性能試驗2/1/202335現代材料學--高分子材料海水混輸泵葉輪片失效分析

2/1/202336現代材料學--高分子材料失效背景

某油田某井增壓泵自平臺安裝后，調試時使用的是海水介質，投產后早期一直輸送海水和原油的混合物。輸送海水和原油混合介質,通過海底管線至中心平臺機采井口壓力按工程要求為1.5MPa設計。井口溫度最低為51℃。最大注氣量為8km3/d，最大注氣壓力為7MPa

使用期間出現漏水，增壓達不到額定的壓力，葉輪片表面磨損嚴重

進口壓力為500kPa，出口壓力為9000kPa，功率為200W，工作溫度為65～70℃。裝置汽蝕余量3m2/1/202337現代材料學--高分子材料葉輪片編號

正面反面法蘭盤2/1/202338現代材料學--高分子材料宏觀形貌

蝕坑沿圓周方向拉長2/1/202339現代材料學--高分子材料2/1/202340現代材料學--高分子材料化學成分分析

廠方所提供的葉輪片材質為：ZG15Cr12光譜分析法

輪片各部件的化學成分分析（質量分數，％）元素CCrNiSiMnPS1－A*0.1410.02—0.060.190.0130.0061－B*0.1310.27—0.070.150.0140.0072－A*0.1510.35—0.080.160.0140.0052－B*0.129.11—0.050.100.0140.005法蘭盤*0.34——0.510.570.0240.013鉚釘*0.07226.6416.910.272.160.0240.014Cr<12.5%法蘭盤為35鋼，屬于中碳鋼鉚釘為25CrNi17不銹鋼2/1/202341現代材料學--高分子材料無損檢測

表面著色探傷法磁粉檢驗法超聲波探傷法未發(fā)現有表面裂紋及內部裂紋2/1/202342現代材料學--高分子材料金相分析

1—B（×50）1—B（×200）氣孔及夾雜物回火索氏體2/1/202343現代材料學--高分子材料硬度測試

盤片樣品第1點（HRB）第2點（HRB）第3點（HRB）1－A86.386.586.71－B90.191.290.42－A89.188.789.32－B87.488.088.2鉚釘101.2102.0102.52/1/202344現代材料學--高分子材料掃描電鏡觀察和能譜分析

1-B蝕坑2/1/202345現代材料學--高分子材料2—B拋光：×2002—B的內表面蝕坑2—B的內表面腐蝕產物2/1/202346現代材料學--高分子材料2－B內表面腐蝕產物的能譜分析含有Ca、O、Fe、Mg、K等元素2/1/202347現代材料學--高分子材料

X射線衍射

2/1/202348現代材料學--高分子材料電化學分析

電解質溶液：混輸泵實際工作介質—海水實驗裝置：CHI電化學工作站三電極體系參比電極：甘汞電極輔助電極：石墨電極2/1/202349現代材料學--高分子材料

2－A的腐蝕電位高于2－B2－A的鈍化區(qū)要比2－B寬

Cr含量的增加有助于鈍化2/1/202350現代材料學--高分子材料腐蝕機理分析

腐蝕產物：黃褐色鱗片狀腐蝕產物是Fe2O3?3H2O,橙黃色腐蝕產物是FeOOH

以及Fe3O4一方面，泵軸及葉輪將受到介質的電化學腐蝕。金相組織的不均勻，鑄造缺陷與基體之間電極電位的差別也構成腐蝕電池。另一方面，從動態(tài)上分析，工作狀態(tài)時葉輪將受到液滴的沖蝕和氣蝕即從液滴沖蝕及氣蝕的角度分析其腐蝕磨損。綜合，葉片的腐蝕是電化學腐蝕和磨蝕磨損交互作用的結果。2/1/202351現代材料學--高分子材料電化學腐蝕分析

B2B1A2A1FeFe2+Fe3+Fe(OH)3Fe(OH)2PH電位E/VCABD

A點：析氫腐蝕

B點：吸氧腐蝕

D點：生成鐵銹由于氧的存在，Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3，在含氧低的環(huán)境中，只能把部分Fe(OH)2氧化成Fe(OH)3。在含氧充分時，Fe(OH)2可以迅速生成Fe3O4和Fe2O3穩(wěn)定氧化產物。2/1/202352現代材料學--高分子材料點蝕

發(fā)生條件：在易鈍化金屬或合金表面，并且腐蝕環(huán)境中往往有侵蝕性陰離子(最常見的是Cl－)和氧化劑同時存在Fe—Cr合金中，只有當Cr的加入量超過質量分數12.5%時，合金才會發(fā)生自鈍化，形成完整的致密鈍化膜葉輪片每個盤片所用鋼材的含鉻量均低于11％，鋼材表面難以生成具有良好保護作用的完整鈍化膜，耐蝕性無法顯著提高2/1/202353現代材料學--高分子材料液滴的沖蝕及氣蝕

汽蝕現象的產生混輸泵輸送介質中含有一定的海水，在一定條件下，水和汽可以相互轉化，與壓力和溫度有關0.1Mpa大氣壓力下，當水溫升高到100℃時水開始汽化，隨著大氣壓力的降低，水在不到100℃就開始汽化。汽化有大量的蒸汽及水中的溶解氣體逸出氣泡隨水流從低壓區(qū)向高壓區(qū)流動時，在高壓的作用下迅速凝結而破裂，產生局部空穴；高壓水以極高的速度涌向這些空間，形成強大的沖擊力；汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結，在沖擊力的作用下又分解成小氣泡；被高壓水壓縮、凝結，多次反復，從而產生高強度、高頻率的局部水擊，對過流部件產生機械剝蝕破壞液體中溶解的氧氣等活性物質借助氣泡凝結時釋放出的熱量，也會對金屬起化學腐蝕及電化學腐蝕作用汽蝕的外觀類似孔蝕，只是表面更為粗糙、蝕坑密布2/1/202354現代材料學--高分子材料通氣差腐蝕

葉輪軸附近的腐蝕比邊緣部分要嚴重，葉輪面上氧氣濃度不一致造成鑄鐵等鐵