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内容简介

本书主要阐述了流程工业中过程设备的失效与失效分析问题，内容包括过程设备失效的基本概念与基本理论，较深入的过程设备失效分析案例。分述韧性失效、脆性断裂失效、疲劳失效、腐蚀失效、蠕变失效等常规失效问题，论述了承压设备的密封接头泄漏失效、各种氢损伤失效、高温下钢材的各种损伤和失效、薄壳结构的各种失稳屈曲失效。本书的特点是不仅从材料角度阐述失效问题，还从结构角度、载荷与应力角度、环境与介质角度、使用管理角度等全方位的阐述了工程结构的失效问题，并配有相当深度的案例来进行过程设备失效分析

目录

第1章 过程设备失效分析导论1
1.1金属材料变形及断裂的机制概述1
1.1.1金属材料的变形与断裂机制1
1.1.2金属裂纹扩展和断裂的微观途径6
1.1.3典型断口的电子显微形貌7
1.1.4金属材料断裂类型的分类13
1.2过程设备的载荷特点与失效类型分类14
1.2.1过程装备的载荷特点14
1.2.2过程承压设备失效的特点及失效类型的分类16
1.3过程承压设备失效分析工作的内容与方法19
1.3.1失效分析工作概述19
1.3.2失效现场的处理和调查19
1.3.3失效分析中的诊断技术21
1.3.4验证性试验24
1.3.5计算分析25
1.4失效分析中的综合分析26
1.1.4确定失效形式26
1.4.2确定失效类型27
1.4.3确定失效原因27
1.4.4确定失效原因中的综合诊断方法30
1.5失效分析中常用的仪器35
1.5.1光学显微镜（optical microscope,简称OM）35
1.5.2透射电子显微镜（transmission electron microscope，简称TEM）36
1.5.3扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）36
1.5.4失效分析中常用的化学成分分析仪器37
第2章 承压设备爆炸问题分析及爆炸能量计算39
2.1化学介质的燃烧与爆炸39
2.1.1化学介质的燃烧与爆炸概述39
2.1.2爆炸的分类41
2.2压力容器爆炸问题42
2.3压力容器超压爆破（物理性爆炸）过程分析45
2.3.1超压变形和爆破试验的爆破曲线45
2.3.2压力容器爆破过程分析46
2.3.3容器屈服压力和爆破压力的理论估算与测量50
2.3.4容器韧性爆炸断裂的实质53
2.4压力容器爆炸能量计算54
2.4.1盛装液体的容器爆炸能量54
2.4.2盛装压缩气体的容器爆炸能量55
2.4.3水蒸气的爆炸能量56
2.4.4盛装液化气与高温饱和水容器的爆炸能量——爆沸能量56
2.4.5关于化学爆炸能量计算问题57
2.5根据现场破坏情况估算爆炸能量的方法58
2.5.1冲击波概念58
2.5.2爆炸现场冲击波超压的估算61
2.5.3现场破坏能量推算62
2.5.4容器爆炸能量与现场破坏能量之间的关系63
第3章 过程设备韧性失效及案例65
3.1过程承压设备韧性失效的特征65
3.1.1承压设备韧性失效的形态特征65
3.1.2承压设备韧性失效的失效分析67
3.1.3圆筒形压力容器韧性失效基本规律的讨论71
3.2承压设备韧性断裂后的断口宏观和细观形貌分析78
3.2.1韧性断裂断口的宏观特征78
3.2.2压力容器韧性爆破断口的宏观形貌84
3.2.3韧性断裂断口的电子显微形貌特征86
3.3压力容器韧性失效的原因分析93
3.3.1压力超载——超压93
3.3.2温度超载——超温94
3.3.3腐蚀减薄——应力（应变）超载97
3.4压力容器韧性失效的预防99
3.4.1防止超载或防止超装99
3.4.2防止超温99
3.4.3防止壁厚减薄101
3.5案例101
3.5.1低压蒸汽管道超压爆炸事故分析101
3.5.2年产30万吨氨合成塔开工加热炉炉管爆炸事故分析108
3.5.3吉林某禽业“6.3”冷冻设备火灾爆炸事故分析120
3.5.4四氢呋喃装置大型列管式固定床反应器超温失效案例简介132
第4章 过程设备脆性断裂失效及案例134
4.1过程承压设备脆断失效的定义及特征134
4.1.1化工承压设备脆断失效的定义134
4.1.2承压设备脆断失效的特征134
4.1.3承压设备脆断失效的类型135
4.2因材料脆性而导致的承压设备的脆断135
4.2.1因材料原本属于脆性材料而造成的脆断135
4.2.2材料因低温发生韧脆转变而脆断136
4.2.3焊接热影响区的脆化138
4.2.4钢材加工制造过程中的脆化147
4.2.5应变时效脆化148
4.2.6高温长期运行引起的钢材脆化149
4.2.7环境致脆151
4.3宏观缺陷引起的低应力脆断152
4.3.1低应力脆断的基本概念152
4.3.2断裂力学与低应力脆断的关系154
4.3.3失效评定曲线（FAC）简介157
4.4脆断失效的断口分析159
4.4.1低温冷脆型断口的特征159
4.4.2长期中高温服役脆化后脆性断裂的断口160
4.4.3环境氢脆断口特征163
4.4.4低应力脆断的断口特征163
4.5脆性断裂的预防165
4.5.1确保材料始终有足够的韧性165
4.5.2避免和降低结构的应力集中167
4.5.3采取必要的工艺措施167
4.6案例169
4.6.1渣油加氢装置热高分空冷气入口管线水压试验爆管169
4.6.2LNG管道环锻法兰气压试验中脆断爆炸失效分析179
4.6.3液氨管线焊缝断裂事故分析188
第5章 过程设备的疲劳失效分析199
5.1交变载荷、应力集中与疲劳失效199
5.1.1过程设备交变载荷的特点199
5.1.2结构的应力集中201
5.1.3疲劳断裂失效的三个阶段201
5.1.4疲劳失效的主要特征203
5.2过程设备疲劳失效的特点207
5.2.1压力容器的低周疲劳失效207
5.2.2棘轮效应210
5.2.3容易与疲劳断口相混淆的其他断口211
5.2.4过程设备的热疲劳失效213
5.2.5腐蚀疲劳失效214
5.2.6流体激振疲劳失效219
5.3疲劳失效的预防222
5.3.1抗疲劳失效的设计222
5.3.2制造过程和在役检验中应注意的问题224
5.3.3疲劳寿命的延寿措施225
5.4案例225
5.4.1空裸高塔风振焊缝开裂失效分析225
5.4.2催化外取热器的热疲劳断裂失效分析235
5.4.3制氢转化炉催化剂管热疲劳开裂失效分析242
5.4.4液环真空泵叶轮疲劳断裂失效分析248
第6章 化工设备高温蠕变失效分析及案例256
6.1金属高温蠕变现象256
6.2高温蠕变机理258
6.2.1蠕变变形机理258
6.2.2蠕变断裂机理258
6.3高温蠕变过程中的微观组织演化262
6.3.1铁素体钢的微观组织分解262
6.3.2奥氏体不锈钢的析出相264
6.4高温蠕变失效268
6.4.1宏观特征268
6.4.2蠕变失效及断裂的金相和断口特征271
6.5短期过热失效274
6.5.1宏观特征274
6.5.2金相组织特征276
6.5.3短期过热和长期过热爆管的区分276
6.6高温蠕变寿命评估方法277
6.6.1高温蠕变试验和持久强度试验278
6.6.2蠕变断裂（持久强度）试验及Larson-Miller参数法评估278
6.6.3Omega蠕变寿命评估方法279
6.6.4小冲杆测试方法评估材料持久寿命284
6.6.5蠕变空洞模型法286
6.7案例288
6.7.1某热电厂锅炉高温过热器管多次爆管失效分析288
6.7.2乙烯裂解炉局部过热原因分析291
6.7.3锅炉过热器高温蠕变失效案例295
第7章 化工设备腐蚀失效及案例308
7.1腐蚀失效分类308
7.1.1按腐蚀机理分类308
7.1.2按腐蚀破坏的形式分类310
7.2电偶腐蚀312
7.3点腐蚀和缝隙腐蚀失效312
7.3.1点腐蚀失效312
7.3.2缝隙腐蚀失效313
7.3.3点腐蚀和缝隙腐蚀宏观形貌313
7.3.4奥氏体不锈钢点腐蚀和缝隙腐蚀模式和机理315
7.3.5点腐蚀和缝隙腐蚀失效的金相形貌316
7.3.6点腐蚀和缝隙腐蚀的影响因素和防止措施316
7.3.7抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力的表示方法318
7.4晶间腐蚀失效319
7.4.1奥氏体不锈钢晶间腐蚀机理319
7.4.2晶间腐蚀的宏观特征321
7.4.3晶间腐蚀的金相特征和检验321
7.4.4晶间腐蚀的预防323
7.5选择性腐蚀323
7.5.1机理323
7.5.2脱锌324
7.5.3石墨腐蚀324
7.5.4选择性腐蚀的特征325
7.6冲刷腐蚀失效325
7.7流动诱导腐蚀（FIC）327
7.8应力腐蚀开裂失效328
7.8.1应力腐蚀破裂的条件与特点328
7.8.2应力作用329
7.8.3敏感性介质329
7.8.4应力腐蚀裂纹宏观形貌特征329
7.8.5应力腐蚀开裂的显微形貌331
7.8.6奥氏体不锈钢在沿海大气中的应力腐蚀开裂335
7.8.7应变强化奥氏不锈钢在湿H2S溶液中的应力腐蚀影响336
7.8.8双相不锈钢的应力腐蚀失效337
7.9液态金属和固态金属致脆343
7.9.1金属致脆基本理论343
7.9.2固态金属致脆和液态金属致脆的特征343
7.9.3固体金属致脆和液体金属致脆的产生条件344
7.9.4铜致脆裂纹345
7.9.5锌致裂纹345
7.9.6固体和液体金属致脆失效分析方法348
7.10案例348
7.10.1再沸器管板缝隙腐蚀失效分析348
7.10.2冷凝器管束沉积物下点腐蚀失效分析352
7.10.3奥氏体不锈钢管道点腐蚀失效分析355
7.10.4奥氏体不锈钢螺栓在沿海大气应力腐蚀开裂失效分析358
7.10.5高速液体对金属管道冲蚀失效分析364
7.10.6奥氏体不锈钢焊接接头铜致脆失效分析366
第8章 氢损伤导致的各种失效370
8.1氢损伤的形式和分类370
8.1.1按氢的来源分类370
8.1.2按氢对金属脆化的力学效应和可逆性分类371
8.1.3按氢与金属相互作用分类371
8.2氢与金属的相互作用372
8.2.1氢进入金属的方式及氢在金属内的存在形式372
8.2.2氢在不同类型金属内的溶解度和扩散速度373
8.2.3氢在金属缺陷内的存在形式375
8.3氢损伤机理375
8.3.1氢压理论375
8.3.2氢降低表面能理论376
8.3.3氢降低原子键合力理论376
8.3.4氢促进局部塑性变形从而促进氢脆断理论376
8.3.5氢腐蚀机理377
8.3.6氢化物致脆机理377
8.4氢损伤失效的模式及特征379
8.4.1内氢致开裂379
8.4.2氢鼓包失效及特征382
8.4.3氢脆失效及特征384
8.4.4氢致开裂失效及特征386
8.4.5氢腐蚀失效及特征388
8.5氢损伤失效的预防393
8.5.1关于材料选用中的预防氢损伤失效措施394
8.5.2消氢热处理的重要性397
8.5.3在役临氢设备氢损伤的监控397
8.6案例398
8.6.1氢腐蚀引起的管道失效案例398
8.6.2螺栓的氢脆断裂案例402
8.6.3锅炉水冷壁管氢腐蚀失效案例404
第9章 承压设备密封接头泄漏失效与预防407
9.1密封接头泄漏失效机理和泄漏失效综述407
9.1.1密封接头最基本的两类机械结构407
9.1.2密封机构的泄漏机理概述408
9.1.3密封接头泄漏失效原因的综述410
9.2垫片与垫片的失效411
9.2.1垫片与垫圈概述411
9.2.2垫片的重要力学性能：压缩-回弹性能418
9.2.3密封垫片泄漏失效的基本原因和影响因素420
9.3法兰接头密封失效分析421
9.3.1法兰密封接头的失效模式421
9.3.2由法兰导致的泄漏失效422
9.3.3由垫片导致的泄漏失效424
9.3.4由螺栓导致的泄漏失效428
9.4法兰接头泄漏失效的预防430
9.4.1法兰必须有严格的质量要求430
9.4.2垫片及垫圈的注意事项431
9.4.3螺栓选材中必须考虑的问题433
9.4.4法兰密封接头螺栓预紧程序化434
9.4.5预防法兰密封失效的密封结构改进及MMC型垫片436
9.5案例439
9.5.1氧气管道不锈钢法兰泄漏火灾事故的失效分析439
9.5.2金属缠绕垫片外环断裂失效分析443
9.5.3压缩机大型气罐出口法兰缠绕垫片泄漏失效分析450
9.5.4阀门盖密封接头因螺栓断裂导致泄漏的失效分析457
第10章 薄壳结构的屈曲失效与预防464
10.1屈曲失效概述464
10.2薄壁圆筒的基本屈曲失效模式及载荷类型465
10.2.1圆筒在径向外压作用下的屈曲失效465
10.2.2薄壁圆筒轴向压缩失稳后的屈曲失效形式466
10.2.3薄壁圆筒纵向弯曲失稳的屈曲失效形式466
10.2.4薄壁圆筒承受扭转切应力时的屈曲失效形式467
10.2.5薄壁圆筒受集中载荷时的屈曲失效形式468
10.3工程中薄壁圆筒的屈曲失效及实例469
10.3.1外压容器的失稳屈曲失效及实例469
10.3.2大型立式储罐的屈曲失效及实例471
10.3.3直立设备的屈曲失效及垮塌实例473
10.3.4焦炭塔轴向皱折径向鼓胀失效的分析478
10.3.5大型卧式容器的屈曲失效及实例481
10.3.6凸形封头的屈曲失效484
10.3.7裙式支座的纵向屈曲问题487
10.4壳体屈曲失效的影响因素489
10.4.1结构的刚度因素489
10.4.2建造质量因素491
10.4.3运行与管理因素492
10.5薄壁承压设备压缩屈曲失效的预防493
10.5.1壳体预防屈曲失效的刚度设计问题493
10.5.2建造阶段必须提高相关精度的要求500
10.5.3建立全面的使用管理全过程防屈曲预案500
参考文献503

前言/序言

过程设备是流程工业中的核心设备。过程设备运行时内部所进行的工艺过程可能是传热过程、传质过程、反应过程或流体输送过程，其共同特点均是在密闭系统中进行，需要采用容器类设备，并用管道相连通，同时具有压力、温度条件、且有化学介质。系统内的压力有的是常压、低压或是中压、高压、超高压，也有负压，或真空、高真空。温度可能各异，低温或超低温、常温、中温、高温（上不封顶）。而内部（或外部）介质也千变万化，可能具有各异的毒性、腐蚀性、渗透性，或不同的气、液、固相态。过程设备在各种不同工况条件下运行的过程发生失效，其表现的形态各色各样，但又具有一些相似的特点，不仅仅是单纯的过度变形或断裂，爆炸或泄漏也会出现。
失效学是伴随机械工程和各行业的机械装备的发展而诞生、发展和成熟的。失效学可以帮助弄清楚机械故障或事故发生的原因，饱含科学与技术。失效学反过来又促进各项技术的发展和革新。工程设备最早最典型的失效与事故是动力工业中的锅炉压力容器爆炸、火电厂的锅炉和管道的爆炸，逐而催生了锅炉行业标准及后来的锅炉压力容器的标准（如ASME 锅炉压力容器标准）。标准促进了行业的技术进步，减少了失效和事故，促进了社会进步，但不等于可永远杜绝失效和事故。同时工业新技术不断发展，新工艺、新材料不断被采用，又会导致新的失效问题出现。这样周而复始、螺旋式进步。
失效学是基于材料科学的进步，清楚了金属和非金属材料的变形与断裂机制，加上各种现代技术、仪器的进步，从而已经形成了完整的失效学。传统的失效学著作中是从材料科学出发，清晰地阐述金属材料的各种类型变形与断裂的机制，如脆断中的解理断裂；塑性变形最终导致微孔聚集型的韧性断裂；在交变载荷作用下由表面材料晶格滑移形成挤出嵌入的疲劳裂纹萌生机制加上后续的疲劳裂纹尖端塑性区张开-闭合滑移扩展机制直至断裂；高温下晶界成为薄弱区时形成蠕变裂纹的蠕变断裂机制；环境导致的金属电化学腐蚀或化学腐蚀导致的金属失效机制，加上宏观断口学及微观/细观断口学形貌分析及断口理化分析的断口学，从而构成了近代的失效学体系。有深厚材料科学基础又兼备丰富工程实践经验的学者专家可以顺理成章的担当起工程失效分析专家，国内外均如此。由这样的专家学者撰写的失效学专著，大部分具备这样的结构：金属晶体结构学简述；脆断、韧性变形与断裂、疲劳裂纹的萌生-扩展-断裂、蠕变空洞的萌生到蠕变断裂等几类断裂问题的金属学机制及各自的断口宏观及细观或微观形貌；金相与断口图像学；现代断口观测仪器及断口微区化学组分分析检测仪器；失效分析中的逻辑思维及现代系统工程方法等。有的还涉及腐蚀失效的论述。各种版本内容有深有浅，次序有异，基本是由材料科学学者撰写。
近代经济规模的迅速扩张，工业门类增多，产业规模及装置大型化，当今的失效及其导致的事故非但不见减少，而灾难性事故此起彼伏。造成的失效事故损失、伤亡和环境伤害有时达到史前例的程度。回顾一些重大事故往往是很综合性的，不再是仅由材料单一原因所导致，有时涉及消防、危险化学品管理，有时涉及承压设备的爆炸，既有焊接结构的缺陷，也有危险化学品的燃烧爆炸。这当中既有材料问题，也有结构设计、建造、监理、检验检测或使用管理的问题。失效原因少数是因对常见问题缺少认识，多数是由于各环节的管控不严，极少数是由于低级的知而酿成大祸。当今的工程失效分析工作有的是相当综合性的，不再是单纯材料专家可以单独完成的，常需要多学科专家共同承担失效分析的任务。
笔者在自身的失效分析工程实践中深深体会到，在一本有限篇幅的失效分析专著中是法阐明失效分析中方方面面的问题，既有理论又有工程问题，既能深入又综合得十分完美。笔者只能根据自身的专业基础，以及长期从事过程设备的教学

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