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承压设备失效分析分析思路及方法back

承压设备失效分析分析思路及方法

摘要：

从承压设备生产、使用过程及材料、应力、环境等方面阐述了承压设备失效分析的思路，讨论了原始数据获取、材料性能分析、断口分析、环境分析、应力分析、无损检测等失效分析方法。

对目前失效分析存在的问题进行了探讨，指出失效分析数据的整合和共享是失效分析发展的方向。

关键词：

承压设备；失效分析；思路及方法

ThoughtAndMethodsOfPressureEquipmentFailureAnalysis

Abstract:

Inthispaperpressureequipmentfailureanalysiswasexpoundedbypressureequipmentmanufacture,usageaswellasmaterials,stress,environmentetc.Also,failureanalysismethodssuchastheoriginaldataacquisition,materialpropertiesanalysis,fractureanalysis,environmentalanalysis,stressanalysis,nondestructivetestingwerediscussed.Finally,thecurrentproblemsofFailureAnalysiswerediscussed,andnotingthatthedataintegrationandsharingisthedevelopingdirectionoffailureanalysis.

Keyword:

Pressureequipment;failureanalysis;Thoughtandmethod

1失效分析的意义

十八世纪工业革命蒸汽动力机车的使用，承压设备进入人类的生产领域。

承压设备广泛使用给人类带来巨大进步的同时，各种泄漏、着火、爆炸等失效事故逐渐增多，往往带来严重人员伤亡和财产损失。

随着现代工业的发展，生产规模的不断扩大，特种设备的数量迅速增加，特种设备向大型化、高参数、长周期运行的发展趋势愈加明显，一旦发生事故，将造成灾难性的后果。

如1984年12月3日印度中央邦首府博帕尔市的农药厂发生甲基异氰酸酯储罐泄漏，共导致了2500余人丧生，20余万人中毒，造成了人类有史以来最惨重的中毒事件[1]。

因此，设备的安全问题备受关注。

而人类对设备安全的认识，绝大部分来源于对以往事故分析所获得的经验和教训。

对失效现象进行科学、公正和客观的诊断，对人类揭示和认识客观事物的本质，激发和加快科学技术的进步，以便采取措施进行预测和预防，促进和协调国民经济持续的发展以及营造和保证社会的稳定具有重要作用[2]。

2失效分析的思路

根据“海恩法则”：

每一起严重事故的背后，必然有29次轻微事故和300起未遂先兆以及1000起事故隐患[3]。

因此，事故的发生是量的积累的结果，对这些量有不同的分析方法。

2.1按照原理进行分析

任何事故都是有原因的。

失效均是“应力、性能、缺陷和环境”交互作用的结果[4]。

材料本身的化学成分、热处理状态、金相组织、屈服和抗拉强度、低温冲击性能等决定了材料的本质安全状态。

需要强调的是，即使化学成分、金相组织和拉伸性能符合相关的要求，如果材料的热处理过程存在问题，微量有害元素会在材料显微组织的微区聚集，造成材料的冲击性能受到损害，以致发生严重事故[5]。

理想状态下，承压设备仅仅承受工作压力产生的一次薄膜应力。

但是，由于设计、制造及使用等原因，在承压设备结构和几何不连续部位产生应力集中。

另外，使用中产生的缺陷也可能产生局部的应力集中，这些应力集中是承压设备失效的应力根源[6]。

承压设备运行过程中承受的温度、流量、腐蚀介质等是导致设备失效的环境因素。

内外壁、不同部位温度差异过大或温度变化过大造成的温差应力，足以导致材料开裂失效[7]。

材料在高温下会出现与常温不同的力学行为[7]。

材料长期在高温下运行产生沿晶断裂，设备产生明显的蠕变变形，将最终导致设备失效[8]。

材料的腐蚀是承压设备失效的重要原因。

在承压设备设计时，一般都充分考虑了设备工作介质对材料的腐蚀状况，并且都留有裕量，在正常的工作介质浓度下一般都是均匀腐蚀，不会对设备造成较大损伤。

但是，在设备实际使用的过程中，由于承压设备具体细节结构的影响，某些有害微量元素在温度或压力的驱动下向一些间隙处聚集、浓缩，最终达到惊人的浓度，使局部材料腐蚀开裂，最终造成严重事故。

如尽管电厂锅炉给水杂质含量非常低，但杂质还是会在裂纹、缝隙和沟槽等处以热-压力机制产生浓缩[9,10]。

存在温度梯度时，在间隙内会出现汽液两相状态，蒸汽在缝隙内沸腾，由于杂质在水和蒸汽中溶解度的差异，使得缝隙内杂质的浓度比锅炉给水内的杂质浓度高出惊人的几个数量级[11,12]。

又如多层包扎尿素合成塔盲层普遍采用点焊结构，所检漏蒸汽的冷凝液将进入盲层和第一强度层板之间的间隙，在此间隙的焊趾处凝聚，在内外壁温差的作用下，在汽液分界面处不断沸腾，形成浓缩膜，经过长期不断浓缩，将形成碱性很强的液体，最终将导致焊缝部位开裂[12,13]。

因此，承压设备失效是材料、应力和环境共同作用的结果。

对承压设备的失效分析，最终将在原理上从这三个方面体现出来，并可能从操作压力、温度及操作介质等参数得到分析的线索。

2.2按照过程进行分析

承压设备失效以后从设计、材料选择、制造、安装、使用及管理等环节逐个进行分析。

由于设计上考虑不周密或认识水平的限制，构件或装备在使用过程中的失效时有发生，其中结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。

如对某高压空冷器的爆管管束进行分析[14]，发现爆管原因是由于空冷器结构不合理，造成介质对管束内壁冲刷腐蚀过大，管壁逐渐减薄而最终导致失效。

承压设备的使用性能应是服役条件下力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性的最佳组合。

分析材料的力学性能是否满足强度要求，考察材料是否与工作时的环境、介质及其它具体条件相适应，化学成分与介质是否具有相容性。

如1998年2月，某小氮肥厂氨合成塔底部副线管道异径管发生爆炸起火，火焰喷入5m外的操作室中，造成数名操作工严重烧伤[15]。

经检查发现该线管道材质为20钢，长时间处在临氢工作状态，使管道材料发生氢腐蚀，最终强度不足发生爆炸。

国内其他企业也发生过因材料与工作介质、操作温度不相容而发生的类似事故，并在化工系统产生了很大影响[16-19]。

承压设备材料在机加工、下料、切割、组对、焊接、冲压成型、热处理等过程中，若工艺规范制订不合理，则设备或配件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。

如机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度，在组对过程中出现错边等。

焊接过程中会产生裂纹、未熔合、未焊透、咬边、夹渣、气孔等焊接缺陷。

这些材料不连续或几何上的不连续状态，将使这些部位产生较大的应力集中，这些部位在交变载荷的作用下容易产生疲劳裂纹，若在腐蚀性介质的作用下容易产生应力腐蚀开裂或疲劳与腐蚀共同作用下的应力腐蚀疲劳开裂[20-22]。

值得注意的是，对于某些特殊结构的设备，即使设计或部件制造时都没有问题，在部件组对焊接时会与设计存在偏差，将产生很大的应力集中。

如多层包扎容器，设计是按照单层厚壁容器进行设计的，设计时没有考虑制造过程中层板实际上会产生装配间隙，从而导致在承压状态下环焊缝等拘束部位会产生很大的应力集中，形成设备失效的应力源[23]。

承压设备在安装过程中如果对设备约束过大，如卧式容器的滑动支座受阻，固定管板式换热器换热器管轴向没有补偿或补偿过小等，限制了设备在工作压力和温度作用下一定方向上的自由伸长，将在局部产生较大的应力集中[24]。

企业是承压设备安全的责任主体，承压设备的合规操作是安全的保证。

生产过程中，部分企业为提高产量，提高设备运行参数，超压、超温运行时有发生；另外，现场操作人员对设备的危险性不够了解，未经培训并持证上岗，或工作中缺乏经验主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是产生事故的根源。

在检验过程中经常发现大型厚壁容器内外温差较大，而冷却速度过快的情况。

这将造成厚壁容器壁温分布极不均匀，造成较大温差应力，对设备形成较大热冲击[25,26]。

据美国国家锅炉压力容器检查协会对锅炉、压力容器事故统计[27]，1992年至2002年的11年间，发生锅炉、压力容器的23338宗事故，83％是因为人为疏忽和缺乏有关知识（如低水位、不适当的安装、修理和维护）造成。

人为疏忽和缺乏有关知识也与其中69％的受伤事故和60％的死亡事故有关。

可见，承压设备的使用中，人的因素非常重要。

若操作不当，将降低设备的使用寿命，并可能成为事故的根源。

3失效分析的方法

3.1现场保护和证据的获取

发生较大失效事故以后，由于现场灭火、消毒、人员抢救等原因，往往使现场最原始的信息受到一定破坏。

首先应采取现场保护措施，切断电源、防止明火产生的二次污染和爆炸。

采用照相或摄像的方式保存现场建筑物、设备损坏情况，记录设备断口宏观形貌。

记录现场压力表的最终指向情况，安全阀的开启情况，各种操作、截止阀门的启闭情况。

拍摄现场记录仪表的工作状态和现场工作记录。

封存所有有关的设备设计、制造、检验、维修改造、操作等原始记录。

从安全阀的指向状态、能否归零和安全阀内部弹簧管的受损情况可以判断设备破坏前是否超压。

从周围建筑物破坏的范围、面积、距离、破坏程度等可以估算出爆炸时TNT当量，从而可进一步估算出设备内部介质的充装量[28]。

需要注意的是，随着科学技术的进步，很多企业的设备已经采用DCS系统进行数据采集和集中控制，DCS系统中的温度、压力、流量等设备操作参数是设备失效前的真实数值，必须及时加以封存，以防人为破坏。

已经发生过多次相关责任人员为逃脱责任，私自篡改或者删除原始运行记录的情况。

获取现场笔录。

现场笔录一般由公安机关负责。

现场笔录一般包含了事故发生前和事故发生时的设备状况和人员活动情况。

如事故前的设备运行情况，操作温度、压力等参数的变化情况，现场处理方式等，从而判断现场是否发生二次爆炸。

从现场着火情况，可大体判断爆炸时设备内部介质的储量等情况。

3.2材料常规性能检验

对设备材料的化学成分、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等性能参数进行检测。

检查材料的金相显微组织和硬度分布。

对设备各部位之间的几何参数和装配间隙进行测量，辅助判断对失效的影响。

3.3断口分析

任何断裂在断面上总要留下一些反映断裂过程及断裂机制的痕迹。

这些痕迹有时能够非常清楚地、详细而完整地记录下构件在断裂前和断裂过程中的许多细节，从而有助于断裂原因的确定和预防措施的提出[29]。

利用放大镜、体视显微镜等设备对断口进行宏观形貌检查。

从断口是否齐平判断是否有脆性断裂的可能。

观察人字纹走向，从人字纹的走向指向判断裂纹源所处的位置。

从裂纹源颜色的变化情况，观察断口腐蚀情况，采集裂纹源处的腐蚀产物。

利用扫描电镜对断裂机理分析归类，明确断裂类型，其次是对裂纹源位置和扩展方向的判定，确定金属材料韧窝断裂、解理断裂、滑移分离、准解理断裂、疲劳断裂及环境断裂等主要断裂机理[30,31]。

韧窝断裂主要分析韧窝的形状、大小、数量、第二相粒子及夹杂物等。

其微观形貌为：

正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝及卵形韧窝和沿晶韧窝等。

解理断裂的微观形貌特征为：

解理台阶、河流、舌状花样、扇形花样、鱼骨花样等。

通过断口局部的X射线特征能谱分析，可以确定该部位的化学成分，从而进一步判断引起失效的腐蚀介质成分。

3.4环境分析

承压设备失效与所处的环境具有密切的关系，因此必须考虑整个工艺系统中环境介质对承压设备的影响。

应注意采集断口附近的腐蚀产物、结晶产物、垢样等，特别注意结构原因造成的间隙等部位产生的介质浓缩。

对微区内的化学成分采用俄歇电子能谱分析或电子探针x射线显微分析。

如部分尿素生产企业采用将蒸汽及其冷凝液汇集到膨胀槽，然后再去尿塔作检漏蒸汽使用的二次蒸汽检漏。

与膨胀槽相连的一段分解加热器一旦泄漏，尿液中的各种成分就会被带入尿塔层板间隙，引起尿塔层板的强烈腐蚀开裂。

另外，失效分析时应该将与承压设备接触的环境介质都当成工作介质来对待。

如在多层包扎尿素合成塔设计文件中，检漏蒸汽并不作为工作介质，但在实际运行过程中，检漏蒸汽却以一定的压力和温度在层板之间流动，成为事实上的工作介质。

发生失效的尿塔两检漏孔间环焊缝裂纹缝隙中的成分电子探针分析[32]：

层板缝隙测点中K+含4.90%和17.95%，Na+含6.97%和16.11%；裂纹缝隙中Na+最高5.07%；K+最高2.59%，尿塔底部塔段筒节透气孔排出残留物检出Na+22.1%，K+0.12%等离子，以上介质只能来自蒸汽系统。

以上环境分析充分说明，承压设备失效以后，环境中腐蚀性介质的浓缩作用应重点关注，并根据工艺介质的流向逆向查找腐蚀性介质的来源。

3.5应力分析

承压设备首先发生失效的部位一般是残余应力较大的部位。

利用金属磁记忆、x射线应力应变仪等设备检测承压设备的残余应力，可以估算设备在失效之前的应力状况。

金属磁记忆技术具有早期缺陷诊断功能，可检测出明显应力集中的危险源，能从宏观力学及微观机理角度对设备进行综合性能评定发失效分析[33]。

对于有些设备，自身结构复杂，发生破坏时很难找到造成失效的真正原因。

利用有限元分析技术，对实际设备失效分析进行指导，可以辅助确定失效零部件的真正原因及失效机理。

通过有限元分析找到的薄弱部位有针对性地提出改进措施，并可通过实验验证改进措施及分析结果的有效性[6,34]。

3.6无损检测

恰当地选用各种检测仪器,可以验证失效分析诊断思路的正确性,并能推动分析不断深入[35]。

利用无损检测技术对承压设备中的危害缺陷进行精确检测和测量，是对承压设备安全性评估的重要内容。

对于裂纹等危险性缺陷，可采用涡流检测方法进行表面和近表面检测，采用超声相控阵或TOFD超声成像方法进行内部埋藏缺陷的检测[36]。

利用声发射方法可检测设备在承压状态下的活动性缺陷。

4失效分析中存在的问题

目前的立法多以处罚为目的，而缺乏科学性[37]。

一起安全事故发生后，先追究人员的责任，进行处罚，而非排查原因，这样就不利于企业积极上报事故。

小的事故可能隐含了发生更大事故的可能，不能从科学技术角度从根本上杜绝同类事故的发生，从长期来看，很可能会起到反作用，无法做到良性循环。

失效分析是一门综合性的学科，涉及机械设计、材料学、无损检测、断裂力学、腐蚀科学、断口学、工艺学、概率统计及系统工程等多门学科。

进行失效分析需要多学科人员的共同参与，充分论证才能得出科学的结论。

需要参与人员具备“医生的思路，侦探的技巧”。

目前，大部分失效分析往往就事论事，分析完成后没有进一步对社会上类似问题做进一步的研究，形成对社会有推广价值的检测手段和防范措施，形成社会共享的体系。

因此，失效分析在深度和广度上还有待提高。

国外大型企业与保险保险公司都有战略合作关系，失效分析的结果直接决定了保险公司保费的多少。

因此，从自身利益考虑，保险公司对于失效分析的投入较大，对失效原因的分析非常关注，更加倾向于将失效分析的结果用于指导企业的生产活动，从而客观上达到了降低事故率，提高社会效益的目的。

目前，欧美等发达国家已经将失效分析的结果形成数据库，开展了基于风险的检验（RBI）工作，这进一步降低了企业的运行成本[38,39]。

国内的失效分析费用一般都由业主承担，完成以后也只用于解决企业内部的问题，难以形成规模化、社会化效应。

5结语

失效分析是一门综合性的学科，只有将各种分析手段取得的结果进行综合分析，才能得出科学的结论。

随着科学技术的进步，新的失效分析理论和检测手段不断涌现，失效分析的思路及方法也不断改进。

若将全社会失效分析的结果进行整合，分类形成数据库，并实现网络共享，能更大地推动社会的进步，更好地实现平安社会的建设目标。

参考文献

[1]魏承毓.人类近百年重大灾难事件的回顾与反思[J].疾病控制杂志.2001,5（4）:

289-293.

[2]钟群鹏.失效分析与安全[J].理化检验：

物理分册.2005,41（5）:

217-221.

[3]梁诚子.“海恩法则”与我国公共安全环境的创新——从突发事件的应急处理看建立国家长效预警机制的紧迫性[J].现代经济：

现代物业中旬刊.2009,8（5）:

26-27.

[4]钟群鹏，傅国如，张峥，等.机电装备失效研究的内涵及其科学问题探讨[J].机械工程学报.2003,39（10）:

13-20.

[5]王威强，李爱菊，陈鹭滨，等.20钢高压管脆断分析[J].机械强度.2004,26（6）:

683-690.

[6]宋明大，王威强，赵亚凡，等.多层包扎尿素合成塔应力状况分析[J].机械强度.2008,30

（1）:

93-100.

[7]陈嘉南，巩建鸣，凌祥，等.裂解炉下集气锥形接管失效分析[J].南京工业大学学报：

自然科学版.2004,26（4）:

87-90.

[8]巴发海，李晋，龚应时.氨分解反应炉炉胆失效分析[J].机械工程材料.2007,31（4）:

77-81.

[9]M.MPJF.ADetailedModelOfLocalizedConcentrationProcessesInPorousDepositsOfSG'S[C].Monterey,CA,NACE:

1991.

[10]EngelhardtGRMacdonaldDDMillettPJEA.Transportprocessesinsteamgeneratorcrevices-I.Generalcorrosionmodel[J].CorrosionScience

.1999,41:

2165-2190.

[11]刘清方.工业蒸汽锅炉安全技术[M].北京:

中国劳动出版社,1993.

[12]窦照英.承压设备失效分析与处理[M].北京:

化学工业出版社,2002.

[13]宋明大，王威强，陈鹭滨，等.多层包扎尿素合成塔应力腐蚀裂纹成因分析[J].石油化工高等学校学报.2007,20

（2）:

73-76.

[14]于江林，孟庆武.高压空冷器管束爆管的失效分析[J].化工机械.2009（5）:

489-490.

[15]韦文竣，韦界波，兰飞，等.氨合成塔底部副线管道异径管失效分析[J].中国特种设备安全.2007,23

（2）:

47-49.

[16]林清宇，林靖宇，林榕端，等.氨合成塔冷气副线异径管爆裂事故分析[J].压力容器.2007,24（5）:

58-59,31页.

[17]江国栋.氨合成塔20钢异径管爆破原因的分析[J].安全与健康.2003（11S）:

32.

[18]陈鹭滨，王威强，等.φ1m氨合成塔20钢异径管失效分析[J].机械工程材料.2002,26（4）:

40-42.

[19]陈曙光.氨合成塔出口异径管爆炸事故分析[J].锅炉压力容器安全技术.1999

（2）:

39-40.

[20]胡青君，韩芸.不锈钢阀缸的失效分析[J].热处理.2007,22

（1）:

57-59.

[21]何卫忠，蔡永江.高温再热器管异种钢焊接接头失效分析[J].水利电力机械.2006,28（6）:

47-49,58页.

[22]陈凤，刘桐生，桑芝富，等.双壳程U型管换热器管子与管板连接失效分析[J].石油化工设备.2004,33（4）:

11-14.

[23]宋明大.多层包扎尿素合成塔检验与剩余寿命评估方法研究[D].山东大学,2008.

[24]丁伯民.对ASMEⅧ-2（2007）——压力容器建造另一规则的介绍与分析[J].压力容器.2008,25

（1）:

50-55.

[25]贠英伟，何朋立，王帅，等.厚壁圆筒热冲击作用下的应力场[J].华北水利水电学院学报.2007,28（4）:

37-40.

[26]李宝斌，李瑞丽.载热体设备的热冲击和防止夹套层破裂的措施[J].承德石油高等专科学校学报.2007,9

（2）:

42-44.

[27]梁广炽，李家骥，胡军.美国特种设备安全管理[M].北京:

中国计量出版社,2006.

[28]宋明大，王威强，曹怀祥.一起液化石油气汽车罐车爆炸失效分析[C].北京：

机械工业出版社,2006.

[29]廖景娱，刘正义.金属构件失效分析[M].北京:

化学工业出版社,2003.

[30]李硕.扫描电镜（SEM）在失效分析中的应用[J].甘肃科技纵横.2005,34（3）:

41.

[31]许宏飞.SEM在失效分析方面应用案例[J].兵器材料科学与工程.2009,32（4）:

104-108.

[32]陈宪禧，王威强，朱衍勇，等.平阴鲁西化工第三化肥厂有限公司尿素合成塔失效分析报告[R].北京:

钢铁研究总院,2005.

[33]张亦良，朱蕴卿，张振海.鼓风机叶轮快速断裂的检测及失效分析[J].安全与环境学报.2007,7

（1）:

132-136.

[34]潘建华，范志超，陈学东，等.压力管线开裂失效分析有限元计算[J].化工设备与管道.2008,45（6）:

67-70.

[35]徐传江，骆红云，李丽锋.检测仪器在金属结构件失效分析及预测预防中的应用[J].金属热处理.2007（z1）:

440-442.

[36]徐书根，王威强，宋明大，等.2.25Cr1Mo钢试块缺陷的超声TOFD检测[J].无损检测.2007（11）:

627-629.

[37]杜宜凝.火眼金睛把脉“失效”蛛丝马迹探查“究竟”——访我国著名失效分析与预测预防专家钟群鹏院士[J].科学中国人.2009（5）:

42-47.

[38]陈登丰.在役承压设备基于风险的检验和工程适用性评估技术的发展[J].中国特种设备安全.2006,22（11）:

4-12.

[39]王印培，陈进，孙晓明，等.基于风险的检验在我国石化设备中的应用研究[J].理化检验：

物理分册.2005（z1）:

42-45.