失效案例分析.docx

信息具体内容事故名称高压止回阀断裂失效分析事故时间2012年事故地点中国多地产品制造商信息（包括名称、地址等）不明失效设备氢氮压缩机失效部件高压止回阀上流腔体应用环境含氢量大于50%的变换气系统失效形式低应力高周疲劳断裂失效机理晶粒粗大导致冲击功值下降，脆性大失效材料类型阀体材料35号钢失效材料信息（包括成分、力学性能等）设备名称工作温度工作压力工艺介质材质高压止回阀上流腔体170℃32MPa氢气/氮气35号钢事故概览近年来，随着国民经济发展，阀门行业发展迅速，阀门失效影响着系统的正常运行，一旦阀门失效便失去了对系统和反应的控制，后果不堪设想。且作为动设备，阀门收到的载荷随时间变化，易引起疲劳损伤和疲劳失效。分析方法/测试项目首先进行断口宏观特征分析，判断材料特性和裂纹发展过程；其次分析化学成分，检验材料力学性能，检查材料是否符合标准要求；进行金相和微观特征分析，判断热处理方式记金属性能。分析结果1断口宏观特性图1阀体的宏观断口形貌图2阀体裂纹扩展示意阀体的宏观断口可以分为平齐光整区和粗糙区两个部分，平整区为裂纹的疲劳扩展区，表面基本光滑，疲劳扩展速率较低，表现低应力高周疲劳扩展特征；但是到了裂纹扩展区后期，断口表面逐渐粗糙并开始出现放射状台阶，裂纹扩展速度逐渐加快，出现韧性撕裂台阶，其主要原因是由于断裂部位有效承载面积逐渐缩小、应力逐渐加大所致。粗糙区为最终瞬断区，断口呈结晶状，表明材料呈脆性特征，该区面积不足整个断口的10%，表明止回阀工作应力远低于其抗拉强度，止回阀强度设计余量充裕，断口属于宏观脆性断口。疲劳裂纹在阀体外表面台阶处形成并扩展至接近阀体内表面时，裂纹扩展方向从原先垂直于阀体轴线方向转为沿着与轴线45°方向扩展。其原因可能是随着阀体有效壁厚的减薄，材料显示出一定的塑性，发生剪切断裂。疲劳断裂的萌生之处位于阀体台阶处，存在应力集中，而应力集中是诱发疲劳裂纹形成的重要因素之一。同时，由于裂纹均沿着台阶处发展，可以确认疲劳裂纹源生成于止回阀体台阶的外表面。阀体材料化学成分分析在裂纹源区附近取样并进行化学成分分析，分析结果（见表1）表明：阀体材料成分符合GB/T 699-2008《优质碳素结构钢》种规定的35号钢的成分要求，可以确定该阀体材料为35号钢；阀体断口表面腐蚀产物主要是氟元素和少量铁、钙、钠等金属元素，氟元素系阀体断裂后由灭火剂带入。表1阀体材料成分分析结果元素CSiMnP成分0.350.310.610.01标准成分0.32~0.390.17~0.370.50~0.80≤0.035元素SCrMoAl成分0.0080.050.010.03标准成分≤0.035≤0.25≤0.3≤0.25力学性能试验阀体材料力学性能测试结果表明：阀体材料的抗拉强度和塑性基本符合要求，但是均接近标准下限要求，其中屈服强度还略低于标准要求；阀体内层和外层材料性能差别不大，内层强度略高于外层，可能是加工处理造成的；阀体材料的冲击吸收功值远低于标准要求，显然，该阀体材料晶粒粗大是导致其冲击吸收功值下降的重要原因，也是导致阀体发生早期疲劳断裂的根本原因。金相分析阀体材料的金相显微组织分析表明:阀体材料的金相显微组织为铁素体+珠光体+少量脆性夹杂物，材料晶粒度等级为3级，属于粗晶粒，说明该阀体在正火处理过程中产生了个过热；35号钢的正火温度为870℃，而该阀体为900℃(原始正火处理工艺记录见图3) ，导致阀体材料发生过热现象；图3上流腔阀体正火处理工艺记录阀体组织中存在少量脆性夹杂物及其脱落后留下的黑色孔洞，其中阀体内层组织中夹杂物数量较多。夹杂物的存在会进一步降低阀体材料的抗疲劳强度。图4阀体断口微观形貌（裂纹扩展区）断口围观特征分析阀体原始断口裂纹扩展区的微观形貌见图4。微观断口表面布满腐蚀产物，虽然疲劳辉纹已被严重腐蚀而不可见，但是微观断口在疲劳断裂过程中发生相互撞击而形成的平整区可以表明断口的疲劳断裂性质。阀体材料冲击试样断口微观形貌见图5，6。可以看出，阀体内外层材料冲击断口微观形貌均具有准解纹理断口特征，表明阀体材料具有很高的脆性。同时还在阀体内层材料冲击断口上观察到一些微观孔洞，其尺寸跟金相照片中的夹杂物尺寸相当，系由阀体材料中脆性夹杂物在冲击断裂后脱落所致。图5内层材料试样断口形貌图6外层试样断口形貌研究人员及其单位刘斌，许安俊江苏省特种设备安全监督检验研究院扬州分院扬州联合化工机械有限公司事故的文献出处Sun Bin, Xu An-jun. Fracture Failure Analysis of High Pressure Check Valve, China Academic Journal Electronic Publishing House, 2012, 129, 63-68.事故分析中引用的文献（格式按研究室