第七章
失效案例分析
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现代材料学--高分子材料
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失效分析程序
– 问（调查） – 望（观察） – 闻（探测） – 切（测试） – 模（模拟） – 结（结论）
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–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
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
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生焊趾裂纹的重要原因 现代材料学--高分子材料
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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
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• 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
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某天然气管线压气站法兰开裂原因分析
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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
2150mm，大约占法 兰周长的三分之二
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裂纹一端扩展 到焊缝熔合线 上约80mm长， 另一端仍距焊
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缝约50mm
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图1
法兰断口宏观形貌
图2 法兰裂纹打开后的断口形貌
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检测结果
545
270
28
5 5 5
157 157 157
JB47262000 规定
450～600
≥275
≥20
≥31
121～178
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•
冲击功不符合要求
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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
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现代材料学--高分子材料 图7 法兰断口检验取样位臵
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2—B 抛光： × 200
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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
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• X射线衍射
800 700 600 500
▼ ▲
2-Corrosion Product ▼ ▲ ■ ● ▼ ▲ ▼-Fe2O3 ▲-Fe3O4 ●-Fe(OH)3 ■-MgO
Intensity
400 300
● ▼ ● ▼ ●▲
200 100 0 20
● ▼
■
30
40
50
60
2-theta
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■
70 80 90
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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
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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
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现代材料学--高分子材料 图6 法兰材料性能试验取样位臵
• 断口面上有铁的氧化物，说明该裂纹形成时间较早
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7）金相分析
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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
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图11现代材料学 金相组织 --高分子材料
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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
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• 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
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• 金相分析
1—B（ × 50）
1—B（ × 200） 回火索氏体
气孔及夹杂物
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• 硬度测试
盘片样品 1－A 1－B 2－A 2－B 铆钉
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• 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。
• 宏观形貌
蚀坑沿圆周 方向拉长
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• 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

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。
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3）化学成分分析
Baird Spectrovac2000 光谱仪、 LECO CS-444 红外
碳硫分析仪
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法兰化学成分（%）
元素 C Si Mn Mo Cr V P S Ni Cu
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
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碳当量
CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.525
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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
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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
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• 海水混输泵叶轮片失效分析
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• 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
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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
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• 扫描电镜观察和能谱分析
1-B 蚀坑
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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。

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
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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

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
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叶轮片编号
法兰盘
正面
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反面
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7 8 9 ≥31
450～600
≥275