NACE 炼厂腐蚀教材第十七章中文.docx
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NACE炼厂腐蚀教材第十七章中文
炼厂失效分析
学习目的
完成本章学习后,你将能够做到:
∙讨论失效分析的目的
∙识别炼厂设备四大类使用失效问题
∙确定部件失效和炼厂失效的原因
∙识别炼厂环境常见失效机理
∙识别和讨论构成失效分析的主要方面
∙识别和描述炼厂采用的无损探伤技术类型
∙讨论破坏性解体切片过程
∙识别(用显微镜)肉眼能够观察到的某些裂缝特征图形
∙讨论用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)进行显微镜检查
∙识别用显微镜技术能够检测的某些裂缝的特征图形
∙讨论机械试验的类型,如化学分析和硬度试验
∙讨论确定失效根本原因的方法
∙识别各种可以采纳的建议,避免失效再次发生。
引言
恰当的失效分析的主要目的是要确定失效的根本原因,并且,根据所得结论,制定纠正措施,防止将来发生类似失效问题。
作为失效分析的一部分,应当评价造成失效的各种影响因素。
可以采用几种分析技术进行失效分析,包括肉眼检查、照相建档、部件分解切片、无损探伤、微观结构检查和断面显微观察检查等。
一般来讲,使用失效可能是多种原因造成的。
对大多数炼厂设备而言,这些原因可以分为以下四大类:
∙设计
∙合金加工和制造
∙使用中的变质退化
∙滥用
当某一部件失效时,它不再能够令人满意地继续履行它应有的功能。
这可能是因为产生裂缝、严重变质、腐蚀、磨损或者过度变形造成的。
失效可能是部件寿命正常消耗的结果或者是因为发生了没有预料到的反常操作,造成过早失效。
根据失效部件的大小和类型,能够在金相实验室用常规方法进行失效分析,也可以在现场进行失效分析。
现场分析一般需要把肉眼检查和其他无损探伤方法结合起来。
正常情况下,无损探伤是在大型的比较昂贵的部件上进行的,如压力容器,最终,这样的设备要进行修补,而不是把它从系统里撤换下来。
在工业应用中有许多失效机理。
根据包括以下在内的多个因素,某个特定的失效机理发生了作用:
∙涉及的材料
∙环境
∙金属温度
∙部件上的应力(静态应力和循环应力)
∙部件使用时间
第一章腐蚀和其他失效里讨论了炼厂环境里常见的一些失效机理。
它们包括:
∙均匀腐蚀
∙局部腐蚀(点状腐蚀、裂隙腐蚀)
∙冲蚀
∙应力腐蚀开裂(SCC)
∙疲劳
∙蠕变
∙湿硫化氢破坏
∙高温氢侵蚀(HTHA)
∙回火致脆
∙生成σ相
在这些机理中,炼厂中发生的大多数失效事故是与腐蚀有关的问题。
腐蚀是最容易正确识别的失效机理,有时候只需要肉眼检查就能辨别,假如存在腐蚀沉积物,可能还要进行化学分析。
但是,存在裂缝时,需要收集裂缝表面、金相切片和其他试验中获得的所有数据进行综合分析,才能正确识别失效模式。
分析程序和试验方法
进行失效分析中最重要的步骤有:
∙制定分析失效的程序
∙遵照程序执行
往往检验人员或工厂工程师迅速切开失效部件并把它从系统里撤下来,而没有完整地记录失效部件的外观和位置,失去了有价值的信息。
虽然失效分析在很大程度上因人而异,但是构成调查的主要工作内容如下:
∙收集有关失效的背景资料,包括部件图纸和材料规范以及相关的操作数据信息。
∙对失效部件进行初步检查,最好依然在装置原位上对失效部件进行检查。
应当对该部件及其周围状况照相建档。
∙无损探伤,其能够包括现场的金相复制、硬度试验和化学分析、超声波探伤、磁粉探伤或者染色渗透剂检验,只要认为必要时,这些检查都能够进行。
此外,解体切片前应测量所有相关尺寸。
∙假如需要进行解体切片,应当确定一个适宜的切割面,保护失效的关键部分,尽可能减少机器切削工作量。
∙裂缝表面的宏观检查。
∙显微镜观察可以包括使用光学显微镜和扫描电子显微镜。
∙确定涉及的失效机理。
∙额外的试验可以包括化学分析、抗张强度试验、硬度试验或沙皮尔摆锤单梁冲击试验。
∙确定失效的根本原因。
∙提出建议,避免再次发生类似失效问题。
背景资料
分析的第一部分工作是收集失效部件的所有相关资料,包括图纸、材料规范、操作数据。
此外,收集的资料还应包括目击者叙述的失效事故前后发生的事情和状况。
这些观察资料有助于查明是否反常的操作促成这样的失效事故,或者是否在失效事故后采取了什么行动,如着火后喷水对失效的分析会有影响。
部件的使用史包括:
∙使用时间
∙正常操作条件
∙以前发生过的问题或失效事故
∙部件上的预期载荷
∙反常状况
应当审查以前的检查记录,评价腐蚀造成的壁厚减薄趋势。
并且,应当评价包含了部件状况数据的金相分析报告。
初步检查
最理想的状况是,在大多数情况下,能够在发现失效事故后立刻进行调查,因为证据依然在原位。
这样能够建立起最完整的失效资料,包括失效的位置、方位和周围状况。
此时应当收集关键尺寸、观察结果和目击者的证词。
在进行初步检查的同时,应当对失效事故的相关特征和周围状况进行照相建档。
假如在现场或实验室取样,应当在取样部位贴上标签,假如可能,再照相备案。
调查人员应当确保所取样品能够代表所发生的失效事故的特征,适合进行所要求的分析评价。
无损探伤
与破坏性试验相比,人们总是首先选择无损探伤。
在许多情况下,无法把失效部件拆下来送到实验室分析,主要因为这样的设备进行修补比更换更经济。
在这样的情况下,能够对失效部件进行原位分析,提供尽可能多的信息,而不使设备进一步受到破坏。
对任何失效事故,正常情况下首先要进行肉眼检查,并照相建档,收集损坏的外观信息。
肉眼检查后,可以采用各种技术解释这种失效模式。
这些技术包括:
∙表面沉积物分析
∙现场金相复制(FMR)
∙硬度试验
∙化学分析
∙射线照相(RT)
∙磁粉探伤(MPI)
∙染色渗透剂检验(PT)
在所列七种技术中,最后三种主要用于检测开裂情况以确定损坏的严重程度。
前四种技术用于表达损坏的特征。
表面沉积物分析
失效分析过程中,如果能够确定表面沉积物和氧化物的化学组成,就为确定失效涉及的特定腐蚀机理提供了有价值的信息。
一般,这些沉积物可以刮下来或者用胶黏带从金属表面剥下来。
然后把沉积物储藏起来并贴上标签,防止与环境进一步发生反应。
再用能量色散谱仪(EDS)、微探针分析或X射线荧光(XRF)对这些沉积物进行分析。
现场金相复制(FMR)
用现场金相复制(FMR)技术对失效涉及的部位进行微观结构评价,以识别损坏机理。
进行复制时,部件表面要打磨抛光,逐步达到接近1微米的表面光洁度。
然后,此表面按正常方式蚀刻,增强存在的有关微观结构特征。
此表面用丙酮润湿后,将一片很薄的醋酸纤维片基胶带平贴在抛光的表面上。
复制胶带基本上融入此表面,结果得到此微观结构的一幅阴像“指纹图谱”。
揭下复制带后立刻进行检查,马上得出此失效的结果。
正常情况下用放大倍数1000倍的光学显微镜对复制件进行观测并记录在案。
也能用扫描电子显微镜以更高的倍数和更大的景深对复制件进行评价。
这样能够正确识别破坏机理,如蠕变、氢侵蚀、应力腐蚀开裂。
此外,也能够把熔融不足和孔隙等制造有关的金相组织问题,与使用中的实际问题区分开来。
硬度试验
铁素体合金由于它们的晶体结构特征,处于高温影响下时,它们的硬度会发生改变。
焊接作业和工艺温度的变化能够改变这些合金的硬度。
现场硬度试验能够对这些变化做出定性分析,并且能够确定是否因为温度的变化,或者有些情况下因为缺乏充分的焊后热处理(PWHT),而造成这样的失效。
有几种便携式仪器能够评价设备的材料硬度。
假如只需要测量基底金属的硬度,可以用一台布氏硬度测试仪。
但有时因为压痕的大小超过了热影响区(HAZ)的宽度,所以无法用此仪器测量热影响区的硬度。
假如怀疑铁素体合金有应力腐蚀开裂的症状,如硫化物应力开裂或碱致开裂,可以测量焊缝和热影响区的硬度值,就可以说明焊后热处理的效果如何。
一般来讲,当这些焊接部位的硬度超过200BHN(布氏硬度值)时,就会增加应力腐蚀开裂的易发性。
经过焊后热处理的铁素体材料,硬度一般低于200BHN。
如果设备因为直接烧火或其他反常工艺条件而被过度加热时,用硬度试验能够描绘该部位受热影响的状况。
根据加热或冷却方案的不同,材料可能会硬化、软化或保持原状。
化学分析
光谱分析(PMI)最近已经成为装置中的重要事项,特别针对使用了错误材料而发生失效的问题。
例如,如果把碳钢错误地用在本该使用高合金材料的部位,结果材料会过早失效。
作为确定失效原因分析的一部分,能够进行原位化学分析。
有两类设备可以用来进行光谱分析。
它们是光发射谱(OES)和X射线荧光(XRF)。
两者比较,X射线荧光仪比较小巧,内装低能级放射性同位素。
同位素的使用必须得到许可,每隔几年要更换一次。
采用特殊探针,它能够用于最高温度800F。
由于光发射谱仪是用电火花激发电子的,所以它不需要放射源。
光发射谱仪器能够在最高750F的温度下使用,用于检测较重的合金元素。
在低温下,光发射谱也能够测定碳、磷、铝、硫、硅的含量。
磁粉探伤(MPI)
在进行失效分析中,可以用磁粉探伤确定部件表面发现的任何损伤的损坏范围。
此技术用在铁磁性材料上,如碳钢和铬-钼钢,用于检测表面断裂不连续性。
不能磁化的材料上无法用此技术进行测试,如奥氏体不锈钢、铜、黄铜、钛、铝或铅。
其工作原理是在手持磁轭的两极之间感生交流电或直流电磁场,并且在试件上喷撒干的或溶体状的磁粉。
表面上的不连续性会断开感生磁场并造成磁通泄漏。
铁粉会沿着这个磁通泄漏区域堆积起来,使检验人员很容易看清存在的任何不连续性,如果采用荧光粉时要用黑光检查。
磁粉探伤的两种基本方法是湿法和干法。
湿法
磁粉悬浮在油里或水里。
因为它们是黑色或红色所以能够看见,或者它们是荧光的。
荧光粉可以在(近紫外线)黑光下检查,对细裂纹更敏感。
已经证实,湿磁粉探伤(WFMT)是检测应力腐蚀开裂最有效的方法,具有最佳灵敏度。
在塔器和容器探伤时,这种方法特别有用,因为采用黑光作为光源可以照亮裂纹。
干法
采用干法磁粉探伤时,没有任何液体载体。
可以采用黑色、红色或白色干磁粉,与受检测的部件形成鲜明对比。
因为磁粉探伤需要电源,所以并非总是实际可行的。
表面准备除去氧化皮和污物对磁粉探伤的成功是很重要的。
紧缩的和较浅的裂纹一般是看不出来的,除非用喷砂清理或用钢丝刷轮清理或者打磨表面到光亮。
虽然磁粉探伤通常用于表面探伤,但是,它也常用于检测表面以下较浅的缺陷。
因此,必须特别仔细解释测试结果。
染色渗透剂检查(PT)
虽然此技术原本主要用于非铁磁性材料,但实际上也常用于铁磁性材料。
这是一种比较简单的检查方法,只要在测试件上喷上红色染色液。
由于毛细作用,任何表面断开的不连续部分会填满这种染色液。
经过一段时间后,用布擦掉工件表面的染色液,再喷一种白色显影液。
显影液会勾画出不连续部位内含的染色液,这样用肉眼能够看清存在的缺陷。
为了有效进行渗透剂检查,表面必须干净,没有氧化皮。
此外,必须使染料有充足的渗透时间。
渗透时间受温度影响很大。
应当指出,在检测紧缩的裂纹或者裂纹中还有氧化皮时,如发生碳酸盐应力腐蚀开裂时,染色渗透剂检查没有磁粉探伤那样灵敏。
因此,使用铁磁性材料时,建议尽可能采用磁粉探伤。
解体切片
在许多情况下,特别是部件已经失效而需要及时更换时,可以进行破坏性解体切片,以便制备样品进行微观结构和断面显微观察分析。
解体切片前,应当制定失效分析程序,因为一旦部件被解体切片,其他试验,如测量部件尺寸,就无法准确进行。
用火炬切割可以粗略地解体切片,只要切口位置离此部件的任何关键部分,如裂缝,至少保持6英寸距离,因为高温会改变微观结构,而无法得出正确的解释。
最终切片时要用带锯、切割砂轮或金刚石刀片圆锯非常精准地切割。
使用带锯时可以用或不用冷却液,如果表面或裂缝沉积物要进行化学分析时,建议用干法切割。
取下样品后,要抛光或蚀刻为进行微观结构分析做准备,或者裂缝表面可以制备,接受进一步宏观分析和微观分析。
裂缝表面的宏观检查
通常,开始用肉眼或用低倍数立体显微镜观察裂缝的结构。
裂缝模式在它们的裂缝表面有特征图形,使研究人员能够分辨出某种失效机理。
例如,疲劳失效一般在表面有蛤壳图形或海滩印记,不仅说明了可能的破坏机理,而且也说明了开裂起始点所在位置。
过载失效在表面也有自己的特征图形,可以帮助研究人员找到裂缝的起始点。
正常情况下,开始要用35mm或宝丽莱MP-4一次成像照相机,在低放大倍数下,对裂缝照相存档。
微观检查
有些情况下,有必要对穿壁微观结构或者裂缝表面进行微观检查来确定失效的原因。
大多数微观结构检查用放大倍数10x至1000x的光学显微镜。
正常情况下,要将此微观结构总的状况与受检合金的标准微观结构进行比较,确定是否存在过度加热的证据。
存在开裂或其他损坏情况时,要检查确定裂缝是晶间生长还是穿晶生长模式。
根据失效模式,能够识别许多损坏类型,如应力腐蚀开裂(SCC)。
扫描电子显微镜比光学显微镜的能力强得多,也可以采用。
许多情况下,它是失效分析最重要的部分,因为它能够最终确认发生失效的破坏机理。
许多情况下,有裂缝的表面被一层氧化皮或沉积物覆盖。
正如上文提及的,假如认为这些表面沉积物有助于深入分析失效的破坏机理,就可以用能量色散谱仪(EDS)或X射线衍射技术进行化学分析。
认为能量色散谱仪是一种半定量方法,可以对元素进行分析和量化,但是,这些数据一般无法按实验室标准进行比较。
因此,此技术一般不用于确切的材料鉴别。
存在沉积物或氧化产物时,应当除去这些沉积物后,再用能量色散谱仪检测,这样才能够用扫描电子显微镜检查下面的金属。
清理裂缝表面时,能够用电化学技术和胶带剥离沉积物。
检查时可以采用低到15x-20x的放大倍数和高达5000x-10000x的放大倍数。
要检查裂缝特点,如有可能,要查明裂缝是从什么地方开始发生的。
和宏观特点一样,从微观特点如条纹、河流图形、劈裂、延性表面波纹断裂图形等,能够深入了解部件的失效情况。
这些特征有助于确定此部件是因延性还是脆性而失效的,或者此失效是否还会继续发生,如随着疲劳、应力腐蚀开裂或蠕变而继续发展。
裂缝外观
延性断裂
部件上发生的多数过载失效是以延性模式发生的。
这种失效类型正常涉及塑性变形,通常伴随有断面收缩。
在部件这样塑性伸长过程中,内包颗粒会发生微观结构性开裂,产生微孔。
用扫描电子显微镜进行断面显微观察分析,一般就可以揭示样品中的那些各向等大的表面波纹,受到过载张力时它们会失效。
假如失效是从剪切型载荷开始的,这些表面波纹会表现为长孔,并且在配合面上的孔隙会指向相反方向。
假如失效是撕扯造成的,配合面上的长孔成镜像对映体。
脆性断裂
脆性断裂能够以穿晶模式或晶间模式发生。
在铁素体合金中穿晶劈裂是涉及脆性断裂最常见的机理。
这种裂缝不难诊断。
在多数铁素体合金中,这种裂缝生长产生一个很亮的反光小平面,所以过去把这些失效描述为结晶。
在微观结构上,穿晶劈裂的最大特征是存在河流印记图形,其是劈裂台阶构成的,说明了局部的生长方向。
正常情况下,晶间脆性断裂能够容易识别,虽然判断失效的根本原因可能比较困难。
促成晶间开裂路径的破坏机理包括:
∙疲劳
∙应力腐蚀开裂
∙液态金属致脆(LME)
∙氢脆
∙高温氢侵蚀(HTHA)
∙蠕变
疲劳断裂
用显微镜观察时,疲劳断裂的表面特征是存在条纹。
每一条纹代表单次应力作用。
应当指出,并非每次应力作用都会产生条纹。
此外,没有条纹并不排除疲劳作为破坏机理的可能性。
应力腐蚀
应力腐蚀开裂其性质或者是晶间的或者是穿晶的。
当应力腐蚀开裂以穿晶模式发展时,所产生的断面显微观察特点是不尽相同的,从劈裂到条纹,特征范围很宽。
当应力腐蚀开裂以晶间模式发展时,裂缝通常有个“冰糖”外观,虽然这种现象常常会与高强钢中与氢有关的机理混淆。
蠕变断裂失效
蠕变有关的失效,正常可以观察到发生实际失效前有变形或应变的特征,而在微观结构上,特征是存在晶间孔隙和细裂纹。
正常情况下,对蠕变失效不需要进行断面显微观察分析,因为用微观结构分析或表面复制技术就能够正确识别这种机理。
额外的试验和分析
机械试验
在上文讨论无损探伤时,已经提到化学试验和硬度试验是实验室里常用的方法。
虽然化学分析的精度近似等于现场采用的同类技术,但在实验室条件下得出的硬度试验数据比现场测量结果更可靠。
能够得出表面硬度以及穿过样品壁的或者跨越焊缝的以及硬化层的显微硬度。
能够进行实验室试验确定部件是否缺乏应有的强度或韧性,导致部件失效。
也能够进行腐蚀试验帮助理解部件对特定环境的耐受能力。
断裂机理的应用
为预测部件的断裂强度,或者为估计导致失效的应力类型或大小,需要评价以下因素:
∙外加载荷
∙估计存在的应力集中情况
∙部件的断裂韧性
应力强度KI表示在裂缝尖或缺口处的应力大小。
断裂韧性KIC是部件不发生断裂而能够承受的应力强度最大值。
应力强度总的表达式如下:
KI=aY
式中,是公称外加应力,a是裂缝长度。
对一定裂缝长度,当应力等于零时,应力强度等于零,并且,应力强度与外加应力及裂缝长度的平方根成线性增加关系。
这种方法也用于评价疲劳破坏,估算最终失效前部件受到的疲劳作用次数。
对许多工程合金,裂缝传播速度da/dN能够表达为应力循环作用期间裂缝受到的强度范围ΔKI的函数。
da/dN=CΔKIm
假如已经知道材料的韧性,根据已知的最终过载前的裂缝的长度,能够得出有关部件上引起的载荷大小的线索。
能够保守估计出韧性,进行初步计算。
假如有必要,可以通过材料测试进一步确定材料的韧性。
根本原因分析
确定失效的根本原因是失效分析中最难的了。
某种失效机理可能是另一种失效机理的结果,或者是因为材料或制造产生的非连续性造成的。
调查的目的是要分析收集的所有相关数据,并决定造成失效的各种影响原因的先后顺序。
原因分析是失效调查中最重要的工作。
根据金相分析和其他来源的数据所得信息进行加工的系统方法可以达到:
∙识别问题
∙识别造成这些问题的因素
∙制定纠正这些问题所必要的纠正措施
如果不能采取科学有序的分析方法,就会对问题做出胡乱的猜测,因此无法找到失效的真正原因,所以也很难解决问题。
根据失效问题的复杂程度,可以直截了当地确定根本原因,也可以循迹调查整个过程并仔细检查有关数据,最终发现失效的根本原因。
事实上,即使发现管子内部腐蚀,未必说明失效的根本原因就是腐蚀。
失效的根本原因可能与工艺的化学变化有关,或者是因为设计或者安装了不适当的材料。
建议
一旦收集并分析了所有数据,并且已经识别出失效的根本原因,建议要采取措施防止同样问题再次发生。
可以提出的建议包括:
∙改变材料
∙改变工艺条件(温度、压力或化学)
∙改变检查方法或间隔时间
∙改变设计
∙更换部件
应当记住,所提出的所有建议应当是实际可行的。
假如装置无法改变某些参数,如降低工艺温度或减少工艺流体中的硫含量,那么提出这样的建议是不合适的。
因此,应当仔细考虑选择最实际可行的和经济的解决方法,防止或推迟类似失效事故的发生。
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