第七章失效分析案例分析

13

裂纹未穿透壁厚，大部分剩余壁厚 3 ～ 5mm ，裂纹两端剩余壁
厚较多。说明裂纹起始于外壁，然后沿壁厚向内壁扩展。

在断口上的焊趾部位有条带状黑褐色区域，说明该部分断口
形成时间早于螺栓紧固时法兰开裂时间，估计该断口是焊趾裂纹。
由于焊缝裂纹剩余壁厚较多且处于裂纹末端，所以此处可能不是
法兰开裂源。
• 宏观形貌
蚀坑沿圆周 方向拉长
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
39
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
ห้องสมุดไป่ตู้40
• 化学成分分析

厂方所提供的叶轮片材质为：ZG15Cr12 光谱分析法
轮片各部件的化学成分分析（质量分数，％）
元素 1－A* 1－B* C 0.14 0.13 Cr 10.02 10.27 Ni — — Si 0.06 0.07 Mn 0.19 0.15 P 0.013 0.014 S 0.006 0.007
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 3
• 分析实例
–某天然气管线压气站法兰开裂原因分析
–海水混输泵叶轮片失效分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
4
某天然气管线压气站法兰开裂原因分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
5
1）背景资料
2005年10月，中油六建在安装紧固某压气站2号压气机出口短
节法兰螺栓时，法兰开裂
该法兰生产厂家为上海某高压管件厂，按JB4726-2000《压力
容器用碳素钢和低合金钢锻件》规定的Ⅳ级进行制造、检验 和验收，法兰材质为16Mn
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
6
2）断口宏观形貌分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
7
法兰裂纹距焊缝约
50mm，裂纹长约
第七章
失效案例分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
1
失效分析程序
– 问（调查） – 望（观察） – 闻（探测） – 切（测试） – 模（模拟） – 结（结论）
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
2
–失效分析需要的实验技术
宏观和微观断口分析技术
金相检验技术
无损检验技术 常规成分、微区成分及表面成分分析技术 X射线衍射分析技术 实验应力分析技术 力学性能测试技术 断裂力学测试技术
41
• 无损检测



表面着色探伤法 磁粉检验法 超声波探伤法 未发现有表面裂纹及内部裂纹
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
42
• 金相分析
1—B（ × 50）
1—B（ × 200） 回火索氏体
气孔及夹杂物
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
43
• 硬度测试
盘片样品 1－A 1－B 2－A 2－B 铆钉
• 断口面上有铁的氧化物，说明该裂纹形成时间较早
现代材料学--高分子材料
26
7）金相分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
27
法兰母材金属显微组织形貌
焊缝法兰侧热影响区金属显 微组织形貌
2014-5-2
图11现代材料学 金相组织 --高分子材料
28

母材为珠光体及铁素体，晶粒度为4.5级。晶粒比较 粗大，说明法兰在加工制造时过热
拉伸试样为圆棒试样，试样直径10mm、标距长度50mm冲
击试样为全尺寸夏比V型缺口试样
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
20
法兰材料力学性能结果（第1取样位臵）
拉伸性能 项 目 拉伸强度Rm （MPa） 检测结果 JB47262000 规定 600 屈服强度 Rr0.2（MPa） 315 伸长率A （%） 20 冲击功(0℃) （J） 硬度 HBW10/300 0 181 175 170 121～178
合JB4726-2000规定。
该法兰断裂性质为脆性断裂，裂纹起始于法兰母材外表面。
材料冲击功很低，不到规定值的 30% ，这是法兰脆性开裂的 原因。
法兰母材晶粒度为 4.5 级，晶粒粗大，说明法兰在加工制造
时过热，这是法兰母材冲击功很低的原因。
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 31
结果
0.23
0.50
1.62
0.035
0.051
0.006
0.017
0.015
0.059
0.04
JB4726 -2000
0.13～ 0.19
0.20～ 0.60
1.20～ 1.60
-
≤0.3 0
-
≤0.0 30
≤0.0 20
≤0.3 0
≤0. 25
2014-5-2
•
C含量超标 现代材料学--高分子材料

断口没有塑性变形现象，断口表面呈结晶状形貌，是典型的
脆性断口。
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 14
3）化学成分分析
Baird Spectrovac2000 光谱仪、 LECO CS-444 红外
碳硫分析仪
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
15
法兰化学成分（%）
元素 C Si Mn Mo Cr V P S Ni Cu
16
4)
无损探伤
• 超声及磁粉方法检测法兰，除原来已经存在的裂纹外，没
有发现其它缺陷
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
17
5）力学性能试验
取样
裂纹 酸蚀试样 拉伸、冲击及硬度试 样第2取样位臵 酸蚀试样 拉伸、冲击及硬度 试样第1取样位臵
2014-5-2
现代材料学--高分子材料 图6 法兰材料性能试验取样位臵
图 3 法 兰 裂 纹 端 部 断 口 形 貌
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 11
图 4 法 兰 裂 纹 中 部 断 口 形 貌
12
20 m
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
图5
法 兰 裂 纹 焊 缝 熔 合 线 部 位 断 口 形 貌
焊趾裂纹
2014-5-2
现代材料学--高分子材料

使用期间出现漏水，增压达不到额定的压力，叶轮片表面磨
损严重

进口压力为 500kPa ，出口压力为 9000kPa ，功率为 200W ，工 作温度为65～70℃。装臵汽蚀余量 3m 现代材料学--高分子材料
37
2014-5-2
叶轮片编号
法兰盘
正面
2014-5-2
反面
现代材料学--高分子材料
38
18

第1取样位臵
法兰厚度最厚处距外边缘20mm以内沿切向取一个拉伸试
样、一个硬度试样和三个冲击试样
拉伸试样为圆棒试样，试样直径10mm、标距长度50mm
冲击试样为全尺寸夏比V型缺口试样
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
19

第2取样位臵
一个拉伸试样、一个硬度试样和三个冲击试样进行试验
法兰开裂性质为脆性断裂，裂纹起始于法兰母材外
表面，材料冲击功过低是法兰脆性开裂的原因
法兰存在焊趾氢致裂纹，法兰材料碳当量偏高是产
2014-5-2
生焊趾裂纹的重要原因 现代材料学--高分子材料
34

知识点
断口宏观、微观分析 无损检测
化学成分分析
金相观察
力学性能试验
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
7 8 9 ≥31
450～600
≥275
≥20
2014-5-2
•
冲击功不符合要求 现代材料学--高分子材料
21
法兰材料力学性能结果（第2取样位臵）
拉伸性能 项 目
拉伸强度Rm （MPa） 屈服强度Rr0.2 （MPa） 伸长率A （ %） 冲 击 (20℃) （J） 功 硬度 HBW10/30 0

焊缝热影响区内有马氏体组织，显微硬度为HV400
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
29

取低倍组织检验试块，经过酸蚀检验没有发现 明显的枝晶组织，没有发现缺陷，说明该法兰
经锻造制成
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
30
8）综合分析
该法兰材料强度符合 JB4726-2000 规定，但材料冲击功不符

法兰碳当量偏高，是焊缝热影响区出现马氏 体组织的重要原因
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
33
9）结论
法兰材料碳含量不符合JB4726-2000规定，其它元
素含量符合JB4726-2000规定；法兰材料冲击功不 符合JB4726-2000规定，其它材料力学性能符合 JB4726-2000规定
35
• 海水混输泵叶轮片失效分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
36
• 失效背景

某油田某井增压泵自平台安装后，调试时使用的是海水介质，
投产后早期一直输送海水和原油的混合物。输送海水和原油
混合介质,通过海底管线至中心平台

机采井口压力按工程要求为 1.5MPa 设计。井口温度最低为 51℃。最大注气量为8km3/d，最大注气压力为7MPa
在法兰焊缝侧焊趾发现氢致裂纹，焊缝热影响区
存在马氏体组织，其显微硬度达到HV400，这是产
生焊趾氢致裂纹的重要原因。
该法兰碳含量不符合JB4726-2000要求，超过规定
值的上限，其它合金元素如Mn处于规定值的上限
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
32

碳当量
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.525
48
• 电化学分析

电解质溶液：混输泵实际工作介质—海水 实验装臵：CHI电化学工作站 三电极体系
参比电极：甘汞电极 辅助电极：石墨电极
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
49
• 2－A的腐蚀电位高于2－B • 2－A的钝化区要比2－B宽 • Cr含量的增加有助于钝化
2014-5-2
23
图8 法兰母材断口微观形貌 • 裂纹端部、中部断口微观形貌：解理+少量沿晶
2014-5-2
• 脆性断口
现代材料学--高分子材料
24
图9 法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）微观形貌
2014-5-2
• 晶间断裂形貌 现代材料学--高分子材料
25
图10 法兰焊趾断口（黑褐色条带区域）x射线能谱分析
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
45
2—B 抛光： × 200
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
46
2—B 的内表面蚀坑
2—B 的内表面腐蚀产物
2－B内表面腐蚀产物的能谱分析 含有Ca、O、Fe、Mg、K等元素
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 47
• X射线衍射
800 700 600 500
2150mm，大约占法 兰周长的三分之二
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 8
裂纹一端扩展 到焊缝熔合线 上约80mm长， 另一端仍距焊
2014-5-2 现代材料学--高分子材料
缝约50mm
9
图1
法兰断口宏观形貌
图2 法兰裂纹打开后的断口形貌
2014-5-2 现代材料学--高分子材料 10

2014-5-2
2014-5-2
第1点（HRB） 86.3 90.1 89.1 87.4 101.2
第2点（HRB） 86.5 91.2 88.7 88.0 102.0
第3点（HRB） 86.7 90.4 89.3 88.2 102.5
44
现代材料学--高分子材料
• 扫描电镜观察和能谱分析
1-B 蚀坑
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
50
• 腐蚀机理分析

腐蚀产物：黄褐色鳞片状腐蚀产物是Fe2O3•3H2O , 橙黄色腐 蚀产物是FeOOH 以及Fe3O4
一方面，泵轴及叶轮将受到介质的电化学腐蚀。
金相组织的不均匀， 铸造缺陷与基体之间电极电位的差别也构成腐蚀电池。


另一方面，从动态上分析，工作状态时叶轮将受到液滴的冲 蚀和气蚀即从液滴冲蚀及气蚀的角度分析其腐蚀磨损。 综合，叶片的腐蚀是电化学腐蚀和磨蚀磨损交互作用的结果。
检测结果
545
270
28
5 5 5
157 157 157
JB47262000 规定
450～600
≥275
≥20
≥31
121～178
2014-5-2
•
冲击功不符合要求
现代材料学--高分子材料
22
6）断口微观形貌电镜分析
电镜3
电镜2 裂纹 金相1
焊缝
金相3
金相2
电镜1
2014-5-2
现代材料学--高分子材料 图7 法兰断口检验取样位臵
2－A*
2－B* 法兰盘* 铆钉*
0.15
0.12 0.34 0.072
10.35
9.11 — 26.64
—
— — 16.91
0.08
0.05 0.51 0.27
0.16
0.10 0.57 2.16
0.014
0.014 0.024 0.024
0.005
0.005 0.013 0.014
Cr < 12.5% 法兰盘为35钢，属于中碳钢 2014-5-2 现代材料学--高分子材料 铆钉为25CrNi17不锈钢
▼ ▲
2-Corrosion Product ▼ ▲ ■ ● ▼ ▲ ▼-Fe2O3 ▲-Fe3O4 ●-Fe(OH)3 ■-MgO
Intensity
400 300
● ▼ ● ▼ ●▲
200 100 0 20
● ▼
■
30
40
50
60
2-theta
2014-5-2
现代材料学--高分子材料
■
70 80 90