失效案例分析

工程材料失效分析姓名：丁靜學(xué)號(hào)：202321803012案例一乙烯裂解爐爐管破裂原因分析某石化公司化工一廠裂解車間CBL一Ⅲ型乙烯裂解爐于1998年9月投入運(yùn)行，1999年4月檢查發(fā)現(xiàn)一根裂解爐管發(fā)生泄漏。為查明爐管泄漏原因，對失效爐管進(jìn)行了綜合分析。CBL一Ⅲ型乙烯裂解爐爐管工作溫度為1050～llOO℃，材質(zhì)化學(xué)成分〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)〕為0.35~0.60%C;1.0%~2.0%Si;1.O%~1.50%Mn;33%~38%Ni;23%~28%Cr及微量等。宏觀觀察失效爐管外表可以看出，泄漏部位爐管內(nèi)、外壁均有兩個(gè)孔坑，兩個(gè)孔坑在內(nèi)、外外表相互對應(yīng)，孔坑邊緣金屬略有凸起，呈火山口狀。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)壁兩個(gè)孔坑附近外表有一約3mmxlmm凸棱，凸棱略高于附近爐管外表〔圖11-1、圖11-2〕?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果說明，失效爐管化學(xué)成分符合廠家技術(shù)要求。金相檢查結(jié)果說明，失效爐管顯微組織基體為奧氏體，晶界分布有骨架狀碳化物，晶內(nèi)和晶界分布有一定數(shù)量的顆粒狀碳化物〔圖11-3〕。能譜分析結(jié)果說明，這些顆粒狀碳化物為或Cr的碳化物。晶界分布的骨架狀碳化物系以鉻為主的碳化物。首先，采用掃描電鏡觀察了泄漏部位爐管內(nèi)、外外表的放大形貌，觀察發(fā)現(xiàn)，所有孔坑均存在白亮色塊狀物。通常，不導(dǎo)電的非金屬氧化物或金屬氧化物在電子束作用下因積累電荷而呈白亮色。能譜分析結(jié)果說明，白亮色塊狀物含有很高的稀土鈰。分析認(rèn)為，白亮色塊狀物為稀土氧化物。在泄漏部位，分別在內(nèi)壁凸棱和孔坑兩處，垂直于內(nèi)外表制備了爐管橫截面金相試樣?？梢钥闯觯还苁峭估鈱?yīng)部位，還是爐管內(nèi)、外外表兩個(gè)孔坑之間，爐管橫截面均分布有宏觀深灰色金屬夾雜物，夾雜物在內(nèi)、外外表兩個(gè)孔坑之間連續(xù)貫穿〔圖11-4〕。在掃描電鏡下進(jìn)一步觀察、分析結(jié)果說明，兩個(gè)橫截面深灰色區(qū)域同樣是稀土鈰的氧化物〔圖11-5〕。采用微型拉伸試樣，對失效爐管進(jìn)行了1100℃短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果如表11-1所示。可以看出，失效爐管1100℃高溫短時(shí)拉伸性能低于廠家相關(guān)技術(shù)要求。失效爐管顯微組織為奧氏體，晶界分布有骨架狀碳化物，晶內(nèi)和晶界分布有一定數(shù)量的顆粒狀碳化物。這種骨架狀碳化物是鑄件在緩慢的冷卻速度下通過奧氏體溫度范圍時(shí)形成的，這種組織會(huì)降低逐漸的塑性和韌性。爐管在高溫下長期運(yùn)行，材質(zhì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，材料的微觀組織惡化，碳化物會(huì)發(fā)生嚴(yán)重粗化，使得爐管的高溫持久性能下降。因?yàn)樵跓崽幚頃r(shí)沒有消除這些骨架狀碳化物和顆粒狀碳化物，爐管中出現(xiàn)的少量氣孔組織會(huì)集中在碳化物的位置上形成裂紋，或者工作應(yīng)變疲勞裂紋會(huì)沿著晶界碳化物開展，造成整塊的沿晶剝落，出現(xiàn)了圖中的孔坑。失效爐管的泄露部位內(nèi)、外孔坑處存在稀土氧化物。這種稀土夾雜物聚集在晶界處，造成夾雜物與集體之間界面處的應(yīng)力集中。晶界處聚集的稀土氧化物割裂了材料的連續(xù)性，最終在晶界處剝落失效。澆注中不可防止的會(huì)形成夾雜，該爐管成分中的錳含量過高，高溫作業(yè)時(shí)形成錳的氧化物，錳的氧化物容易形成形核的質(zhì)點(diǎn)，稀土的活性很大，會(huì)有局部稀土逐漸吸附到錳的氧化物上形成稀土夾雜物。夾雜物偏聚在晶界附近導(dǎo)致了爐管的失效，夾雜物的存在改變了晶界原有的特性，其斷裂往往起始于這些地方，最終導(dǎo)致材料力學(xué)性能的下降。這也解釋了爐管在高溫拉伸性能低于廠家要求的現(xiàn)象。因此得出結(jié)論認(rèn)為爐管的失效原因是澆注冷卻時(shí)形成的晶界碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和在晶界分布的稀土夾雜物。因此需要對爐管進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，例如正火后回火消除網(wǎng)狀組織。對于稀土夾雜物應(yīng)該改善稀土夾雜物的形態(tài)，使其大局部呈現(xiàn)球狀，還是需要調(diào)整材料的成分，改善稀土夾雜物的形貌。案例二汽輪機(jī)末級(jí)葉片斷裂原因分析某電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行一年半后出現(xiàn)低真空，負(fù)荷降至22萬kW，系統(tǒng)電壓明顯降低，隨即甩掉負(fù)荷。重新啟動(dòng)電源泵不能工作。經(jīng)化驗(yàn)，復(fù)水器水質(zhì)硬度偏高，凝結(jié)器大量漏水。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，有20根銅管發(fā)生泄漏，采取措施后復(fù)水器仍然泄漏。停機(jī)開缸檢查發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)兩支末級(jí)葉片斷裂，另有67支葉片發(fā)生了不同程度磨損、變形。末級(jí)隔板復(fù)環(huán)汽封全部損壞。為查明末級(jí)葉片斷裂性質(zhì)及其成因，對故障件進(jìn)行了綜合分析。該電廠2號(hào)機(jī)系300MW汽輪發(fā)電機(jī)組，其蒸發(fā)量為970t/h，入口蒸汽溫度為535℃，蒸汽壓力為17.35Mpa。該機(jī)組投產(chǎn)后工作一直斷續(xù)運(yùn)行，至一年半后出現(xiàn)故障，共啟停64次，累計(jì)運(yùn)行3315h。汽輪機(jī)末級(jí)葉片共94片，材質(zhì)為2Cr11NiMoV耐熱鋼。葉片工作局部高度為844.55mm。進(jìn)氣側(cè)葉刃自頂部向下嵌焊265mm×16mm×1.6mmStellite合金片，采用Inconel82焊絲將合金片邊緣與葉片焊接。送檢末級(jí)葉片斷裂位置距頂端265mm。斷落局部因受其他葉片碰撞、擠壓已發(fā)生嚴(yán)重塑性變形及碰傷。所包嵌的Stellite合金片已全部剝落，只剩下兩側(cè)焊根。斷裂外表雖未直接受損，但因刃部合金片掉落已使斷口關(guān)鍵部位〔裂紋起始部位〕嚴(yán)重殘缺。斷裂葉片剩余局部根本完好，斷裂外表未受碰損〔圖10-4〕。圖10-5示出了葉片斷口的宏觀形貌?？梢钥闯觯瑪嗔淹獗砻黠@分為兩個(gè)區(qū)域，即光滑區(qū)和纖維區(qū)。光滑區(qū)在葉片進(jìn)氣側(cè)。在光滑區(qū)內(nèi)宏觀疲勞條紋極為明顯，宏觀疲勞條紋為設(shè)備啟動(dòng)、停機(jī)或功率變化留下的痕跡。光滑區(qū)即疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，在疲勞裂紋擴(kuò)展的后期，尚可見有由葉刃向排氣側(cè)擴(kuò)展的放射狀條紋。光滑區(qū)與纖維區(qū)之間弧形條紋實(shí)際上代表疲勞裂紋終止線。纖維區(qū)為終斷區(qū)，即瞬時(shí)斷裂區(qū)。根據(jù)宏觀疲勞條紋及疲勞裂紋終止線的指向可以判斷，疲勞裂紋起始于進(jìn)氣側(cè)葉片刃部。從斷口宏觀形貌還可看到Stellite含金片的截面形狀。由于葉片斷裂恰好處于Stellite合金片下端與基體金屬焊合部位，所以正如外觀檢查時(shí)看到的，斷掉局部葉片刃部的Stellite合金片除兩側(cè)焊根外已全部剝落，而在剩余局部葉片斷口上看到了與基體金屬融合很好的堆焊層。能譜分析結(jié)果說明，該堆焊層所有部位均未發(fā)現(xiàn)單一組分的鈷基Stellite合金片及Inconel鎳基合金，而是含量都很高的基體、合金片及焊絲共同組分的融合物。采用掃描電鏡觀察了斷裂外表不同部位的微觀形貌。首先，在葉刃及其鄰近區(qū)域發(fā)現(xiàn)有明顯的焊接缺陷——焊縫凝固裂紋，即熱裂紋。凝固裂紋分布在長3mm、寬2mm范圍內(nèi)。圖10-6示出了裂源附近斷口的放大及微觀形貌。不難看出，斷口外表具有典型的金屬凝固的自由面形態(tài)特征。焊縫金屬冷凝過程中，在液態(tài)與固態(tài)同時(shí)并存的溫度區(qū)間，由于結(jié)晶偏析，沿樹枝狀晶間、胞狀晶間或一次結(jié)晶的柱狀晶晶界發(fā)生而形成的裂紋均屬凝固裂紋。凝固裂紋斷口的自由面特征形貌與形成溫度密切相關(guān)。形成溫度高時(shí)，除樹枝狀晶一次枝晶外，尚可見有二次枝晶凸起；形成溫度低時(shí)，不但一次枝晶凸起不明顯，而且逐漸接近平坦的沿晶裂紋。送檢葉片刃部斷裂外表看到的凝固裂紋二次枝晶凸起明顯，說明該凝固裂紋形成溫度較高。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)很大范圍內(nèi)，裂紋均以周期解理方式傳播，因此，斷口形貌具有準(zhǔn)解理斷裂特征。由于基體及焊縫金屬塑性較差，因此只有在某些部位可以看到微觀疲勞條紋〔圖10-7〕。2Cr11NiMoV耐熱鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后其顯微組織為回火馬氏體+少量碳化物〔圖10-8〕。焊層組織與散熱方向有關(guān)，為具有一定方向的柱狀?yuàn)W氏體。在斷落葉片上，截取帶有合金片焊縫殘根的葉片刃部。磨制其橫截面金相試樣發(fā)現(xiàn)，在焊層內(nèi)存在一細(xì)微裂紋，高倍顯微鏡下，裂紋沿奧氏體晶界分布。分析認(rèn)為，該裂紋系焊縫凝固裂紋。葉片斷裂處于合金片下端與基體金屬焊合部位，斷掉局部葉片刃部的合金片除兩側(cè)焊根外已經(jīng)完全剝落，在葉刃及其臨近區(qū)域發(fā)現(xiàn)有明顯的焊接缺陷—熱裂紋。失效葉片斷落局部因受其他葉片碰撞、擠壓已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重塑性變形及碰傷，所鑲嵌的合金葉片全部脫落。斷裂外表呈現(xiàn)明顯的疲勞失效的特征，疲勞區(qū)為瞬時(shí)斷裂區(qū)。葉片和合金片焊接時(shí)在葉刃及其臨近區(qū)域發(fā)現(xiàn)有明顯的焊接缺陷—熱裂紋，熱裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致了葉片的失效。熱裂紋的產(chǎn)生削弱了葉片的工作能力和抗腐蝕能力，由于在運(yùn)作過程中造成的應(yīng)力集中，熱裂紋那么成為了葉片斷裂的斷裂源。因此得出結(jié)論，葉片失效的主要原因是葉片承受高溫疲勞導(dǎo)致失效，還有葉片和合金片焊接時(shí)存在的