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內容簡介

本書主要闡述瞭流程工業中過程設備的失效與失效分析問題，內容包括過程設備失效的基本概念與基本理論，較深入的過程設備失效分析案例。分述韌性失效、脆性斷裂失效、疲勞失效、腐蝕失效、蠕變失效等常規失效問題，論述瞭承壓設備的密封接頭泄漏失效、各種氫損傷失效、高溫下鋼材的各種損傷和失效、薄殼結構的各種失穩屈麯失效。本書的特點是不僅從材料角度闡述失效問題，還從結構角度、載荷與應力角度、環境與介質角度、使用管理角度等全方位的闡述瞭工程結構的失效問題，並配有相當深度的案例來進行過程設備失效分析

目錄

第1章 過程設備失效分析導論1
1.1金屬材料變形及斷裂的機製概述1
1.1.1金屬材料的變形與斷裂機製1
1.1.2金屬裂紋擴展和斷裂的微觀途徑6
1.1.3典型斷口的電子顯微形貌7
1.1.4金屬材料斷裂類型的分類13
1.2過程設備的載荷特點與失效類型分類14
1.2.1過程裝備的載荷特點14
1.2.2過程承壓設備失效的特點及失效類型的分類16
1.3過程承壓設備失效分析工作的內容與方法19
1.3.1失效分析工作概述19
1.3.2失效現場的處理和調查19
1.3.3失效分析中的診斷技術21
1.3.4驗證性試驗24
1.3.5計算分析25
1.4失效分析中的綜閤分析26
1.1.4確定失效形式26
1.4.2確定失效類型27
1.4.3確定失效原因27
1.4.4確定失效原因中的綜閤診斷方法30
1.5失效分析中常用的儀器35
1.5.1光學顯微鏡（optical microscope,簡稱OM）35
1.5.2透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，簡稱TEM）36
1.5.3掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡稱SEM）36
1.5.4失效分析中常用的化學成分分析儀器37
第2章 承壓設備爆炸問題分析及爆炸能量計算39
2.1化學介質的燃燒與爆炸39
2.1.1化學介質的燃燒與爆炸概述39
2.1.2爆炸的分類41
2.2壓力容器爆炸問題42
2.3壓力容器超壓爆破（物理性爆炸）過程分析45
2.3.1超壓變形和爆破試驗的爆破麯綫45
2.3.2壓力容器爆破過程分析46
2.3.3容器屈服壓力和爆破壓力的理論估算與測量50
2.3.4容器韌性爆炸斷裂的實質53
2.4壓力容器爆炸能量計算54
2.4.1盛裝液體的容器爆炸能量54
2.4.2盛裝壓縮氣體的容器爆炸能量55
2.4.3水蒸氣的爆炸能量56
2.4.4盛裝液化氣與高溫飽和水容器的爆炸能量——爆沸能量56
2.4.5關於化學爆炸能量計算問題57
2.5根據現場破壞情況估算爆炸能量的方法58
2.5.1衝擊波概念58
2.5.2爆炸現場衝擊波超壓的估算61
2.5.3現場破壞能量推算62
2.5.4容器爆炸能量與現場破壞能量之間的關係63
第3章 過程設備韌性失效及案例65
3.1過程承壓設備韌性失效的特徵65
3.1.1承壓設備韌性失效的形態特徵65
3.1.2承壓設備韌性失效的失效分析67
3.1.3圓筒形壓力容器韌性失效基本規律的討論71
3.2承壓設備韌性斷裂後的斷口宏觀和細觀形貌分析78
3.2.1韌性斷裂斷口的宏觀特徵78
3.2.2壓力容器韌性爆破斷口的宏觀形貌84
3.2.3韌性斷裂斷口的電子顯微形貌特徵86
3.3壓力容器韌性失效的原因分析93
3.3.1壓力超載——超壓93
3.3.2溫度超載——超溫94
3.3.3腐蝕減薄——應力（應變）超載97
3.4壓力容器韌性失效的預防99
3.4.1防止超載或防止超裝99
3.4.2防止超溫99
3.4.3防止壁厚減薄101
3.5案例101
3.5.1低壓蒸汽管道超壓爆炸事故分析101
3.5.2年産30萬噸氨閤成塔開工加熱爐爐管爆炸事故分析108
3.5.3吉林某禽業“6.3”冷凍設備火災爆炸事故分析120
3.5.4四氫呋喃裝置大型列管式固定床反應器超溫失效案例簡介132
第4章 過程設備脆性斷裂失效及案例134
4.1過程承壓設備脆斷失效的定義及特徵134
4.1.1化工承壓設備脆斷失效的定義134
4.1.2承壓設備脆斷失效的特徵134
4.1.3承壓設備脆斷失效的類型135
4.2因材料脆性而導緻的承壓設備的脆斷135
4.2.1因材料原本屬於脆性材料而造成的脆斷135
4.2.2材料因低溫發生韌脆轉變而脆斷136
4.2.3焊接熱影響區的脆化138
4.2.4鋼材加工製造過程中的脆化147
4.2.5應變時效脆化148
4.2.6高溫長期運行引起的鋼材脆化149
4.2.7環境緻脆151
4.3宏觀缺陷引起的低應力脆斷152
4.3.1低應力脆斷的基本概念152
4.3.2斷裂力學與低應力脆斷的關係154
4.3.3失效評定麯綫（FAC）簡介157
4.4脆斷失效的斷口分析159
4.4.1低溫冷脆型斷口的特徵159
4.4.2長期中高溫服役脆化後脆性斷裂的斷口160
4.4.3環境氫脆斷口特徵163
4.4.4低應力脆斷的斷口特徵163
4.5脆性斷裂的預防165
4.5.1確保材料始終有足夠的韌性165
4.5.2避免和降低結構的應力集中167
4.5.3采取必要的工藝措施167
4.6案例169
4.6.1渣油加氫裝置熱高分空冷氣入口管綫水壓試驗爆管169
4.6.2LNG管道環鍛法蘭氣壓試驗中脆斷爆炸失效分析179
4.6.3液氨管綫焊縫斷裂事故分析188
第5章 過程設備的疲勞失效分析199
5.1交變載荷、應力集中與疲勞失效199
5.1.1過程設備交變載荷的特點199
5.1.2結構的應力集中201
5.1.3疲勞斷裂失效的三個階段201
5.1.4疲勞失效的主要特徵203
5.2過程設備疲勞失效的特點207
5.2.1壓力容器的低周疲勞失效207
5.2.2棘輪效應210
5.2.3容易與疲勞斷口相混淆的其他斷口211
5.2.4過程設備的熱疲勞失效213
5.2.5腐蝕疲勞失效214
5.2.6流體激振疲勞失效219
5.3疲勞失效的預防222
5.3.1抗疲勞失效的設計222
5.3.2製造過程和在役檢驗中應注意的問題224
5.3.3疲勞壽命的延壽措施225
5.4案例225
5.4.1空裸高塔風振焊縫開裂失效分析225
5.4.2催化外取熱器的熱疲勞斷裂失效分析235
5.4.3製氫轉化爐催化劑管熱疲勞開裂失效分析242
5.4.4液環真空泵葉輪疲勞斷裂失效分析248
第6章 化工設備高溫蠕變失效分析及案例256
6.1金屬高溫蠕變現象256
6.2高溫蠕變機理258
6.2.1蠕變變形機理258
6.2.2蠕變斷裂機理258
6.3高溫蠕變過程中的微觀組織演化262
6.3.1鐵素體鋼的微觀組織分解262
6.3.2奧氏體不銹鋼的析齣相264
6.4高溫蠕變失效268
6.4.1宏觀特徵268
6.4.2蠕變失效及斷裂的金相和斷口特徵271
6.5短期過熱失效274
6.5.1宏觀特徵274
6.5.2金相組織特徵276
6.5.3短期過熱和長期過熱爆管的區分276
6.6高溫蠕變壽命評估方法277
6.6.1高溫蠕變試驗和持久強度試驗278
6.6.2蠕變斷裂（持久強度）試驗及Larson-Miller參數法評估278
6.6.3Omega蠕變壽命評估方法279
6.6.4小衝杆測試方法評估材料持久壽命284
6.6.5蠕變空洞模型法286
6.7案例288
6.7.1某熱電廠鍋爐高溫過熱器管多次爆管失效分析288
6.7.2乙烯裂解爐局部過熱原因分析291
6.7.3鍋爐過熱器高溫蠕變失效案例295
第7章 化工設備腐蝕失效及案例308
7.1腐蝕失效分類308
7.1.1按腐蝕機理分類308
7.1.2按腐蝕破壞的形式分類310
7.2電偶腐蝕312
7.3點腐蝕和縫隙腐蝕失效312
7.3.1點腐蝕失效312
7.3.2縫隙腐蝕失效313
7.3.3點腐蝕和縫隙腐蝕宏觀形貌313
7.3.4奧氏體不銹鋼點腐蝕和縫隙腐蝕模式和機理315
7.3.5點腐蝕和縫隙腐蝕失效的金相形貌316
7.3.6點腐蝕和縫隙腐蝕的影響因素和防止措施316
7.3.7抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力的錶示方法318
7.4晶間腐蝕失效319
7.4.1奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機理319
7.4.2晶間腐蝕的宏觀特徵321
7.4.3晶間腐蝕的金相特徵和檢驗321
7.4.4晶間腐蝕的預防323
7.5選擇性腐蝕323
7.5.1機理323
7.5.2脫鋅324
7.5.3石墨腐蝕324
7.5.4選擇性腐蝕的特徵325
7.6衝刷腐蝕失效325
7.7流動誘導腐蝕（FIC）327
7.8應力腐蝕開裂失效328
7.8.1應力腐蝕破裂的條件與特點328
7.8.2應力作用329
7.8.3敏感性介質329
7.8.4應力腐蝕裂紋宏觀形貌特徵329
7.8.5應力腐蝕開裂的顯微形貌331
7.8.6奧氏體不銹鋼在沿海大氣中的應力腐蝕開裂335
7.8.7應變強化奧氏不銹鋼在濕H2S溶液中的應力腐蝕影響336
7.8.8雙相不銹鋼的應力腐蝕失效337
7.9液態金屬和固態金屬緻脆343
7.9.1金屬緻脆基本理論343
7.9.2固態金屬緻脆和液態金屬緻脆的特徵343
7.9.3固體金屬緻脆和液體金屬緻脆的産生條件344
7.9.4銅緻脆裂紋345
7.9.5鋅緻裂紋345
7.9.6固體和液體金屬緻脆失效分析方法348
7.10案例348
7.10.1再沸器管闆縫隙腐蝕失效分析348
7.10.2冷凝器管束沉積物下點腐蝕失效分析352
7.10.3奧氏體不銹鋼管道點腐蝕失效分析355
7.10.4奧氏體不銹鋼螺栓在沿海大氣應力腐蝕開裂失效分析358
7.10.5高速液體對金屬管道衝蝕失效分析364
7.10.6奧氏體不銹鋼焊接接頭銅緻脆失效分析366
第8章 氫損傷導緻的各種失效370
8.1氫損傷的形式和分類370
8.1.1按氫的來源分類370
8.1.2按氫對金屬脆化的力學效應和可逆性分類371
8.1.3按氫與金屬相互作用分類371
8.2氫與金屬的相互作用372
8.2.1氫進入金屬的方式及氫在金屬內的存在形式372
8.2.2氫在不同類型金屬內的溶解度和擴散速度373
8.2.3氫在金屬缺陷內的存在形式375
8.3氫損傷機理375
8.3.1氫壓理論375
8.3.2氫降低錶麵能理論376
8.3.3氫降低原子鍵閤力理論376
8.3.4氫促進局部塑性變形從而促進氫脆斷理論376
8.3.5氫腐蝕機理377
8.3.6氫化物緻脆機理377
8.4氫損傷失效的模式及特徵379
8.4.1內氫緻開裂379
8.4.2氫鼓包失效及特徵382
8.4.3氫脆失效及特徵384
8.4.4氫緻開裂失效及特徵386
8.4.5氫腐蝕失效及特徵388
8.5氫損傷失效的預防393
8.5.1關於材料選用中的預防氫損傷失效措施394
8.5.2消氫熱處理的重要性397
8.5.3在役臨氫設備氫損傷的監控397
8.6案例398
8.6.1氫腐蝕引起的管道失效案例398
8.6.2螺栓的氫脆斷裂案例402
8.6.3鍋爐水冷壁管氫腐蝕失效案例404
第9章 承壓設備密封接頭泄漏失效與預防407
9.1密封接頭泄漏失效機理和泄漏失效綜述407
9.1.1密封接頭最基本的兩類機械結構407
9.1.2密封機構的泄漏機理概述408
9.1.3密封接頭泄漏失效原因的綜述410
9.2墊片與墊片的失效411
9.2.1墊片與墊圈概述411
9.2.2墊片的重要力學性能：壓縮-迴彈性能418
9.2.3密封墊片泄漏失效的基本原因和影響因素420
9.3法蘭接頭密封失效分析421
9.3.1法蘭密封接頭的失效模式421
9.3.2由法蘭導緻的泄漏失效422
9.3.3由墊片導緻的泄漏失效424
9.3.4由螺栓導緻的泄漏失效428
9.4法蘭接頭泄漏失效的預防430
9.4.1法蘭必須有嚴格的質量要求430
9.4.2墊片及墊圈的注意事項431
9.4.3螺栓選材中必須考慮的問題433
9.4.4法蘭密封接頭螺栓預緊程序化434
9.4.5預防法蘭密封失效的密封結構改進及MMC型墊片436
9.5案例439
9.5.1氧氣管道不銹鋼法蘭泄漏火災事故的失效分析439
9.5.2金屬纏繞墊片外環斷裂失效分析443
9.5.3壓縮機大型氣罐齣口法蘭纏繞墊片泄漏失效分析450
9.5.4閥門蓋密封接頭因螺栓斷裂導緻泄漏的失效分析457
第10章 薄殼結構的屈麯失效與預防464
10.1屈麯失效概述464
10.2薄壁圓筒的基本屈麯失效模式及載荷類型465
10.2.1圓筒在徑嚮外壓作用下的屈麯失效465
10.2.2薄壁圓筒軸嚮壓縮失穩後的屈麯失效形式466
10.2.3薄壁圓筒縱嚮彎麯失穩的屈麯失效形式466
10.2.4薄壁圓筒承受扭轉切應力時的屈麯失效形式467
10.2.5薄壁圓筒受集中載荷時的屈麯失效形式468
10.3工程中薄壁圓筒的屈麯失效及實例469
10.3.1外壓容器的失穩屈麯失效及實例469
10.3.2大型立式儲罐的屈麯失效及實例471
10.3.3直立設備的屈麯失效及垮塌實例473
10.3.4焦炭塔軸嚮皺摺徑嚮鼓脹失效的分析478
10.3.5大型臥式容器的屈麯失效及實例481
10.3.6凸形封頭的屈麯失效484
10.3.7裙式支座的縱嚮屈麯問題487
10.4殼體屈麯失效的影響因素489
10.4.1結構的剛度因素489
10.4.2建造質量因素491
10.4.3運行與管理因素492
10.5薄壁承壓設備壓縮屈麯失效的預防493
10.5.1殼體預防屈麯失效的剛度設計問題493
10.5.2建造階段必須提高相關精度的要求500
10.5.3建立全麵的使用管理全過程防屈麯預案500
參考文獻503

前言/序言

過程設備是流程工業中的核心設備。過程設備運行時內部所進行的工藝過程可能是傳熱過程、傳質過程、反應過程或流體輸送過程，其共同特點均是在密閉係統中進行，需要采用容器類設備，並用管道相連通，同時具有壓力、溫度條件、且有化學介質。係統內的壓力有的是常壓、低壓或是中壓、高壓、超高壓，也有負壓，或真空、高真空。溫度可能各異，低溫或超低溫、常溫、中溫、高溫（上不封頂）。而內部（或外部）介質也韆變萬化，可能具有各異的毒性、腐蝕性、滲透性，或不同的氣、液、固相態。過程設備在各種不同工況條件下運行的過程發生失效，其錶現的形態各色各樣，但又具有一些相似的特點，不僅僅是單純的過度變形或斷裂，爆炸或泄漏也會齣現。
失效學是伴隨機械工程和各行業的機械裝備的發展而誕生、發展和成熟的。失效學可以幫助弄清楚機械故障或事故發生的原因，飽含科學與技術。失效學反過來又促進各項技術的發展和革新。工程設備最早最典型的失效與事故是動力工業中的鍋爐壓力容器爆炸、火電廠的鍋爐和管道的爆炸，逐而催生瞭鍋爐行業標準及後來的鍋爐壓力容器的標準（如ASME 鍋爐壓力容器標準）。標準促進瞭行業的技術進步，減少瞭失效和事故，促進瞭社會進步，但不等於可永遠杜絕失效和事故。同時工業新技術不斷發展，新工藝、新材料不斷被采用，又會導緻新的失效問題齣現。這樣周而復始、螺鏇式進步。
失效學是基於材料科學的進步，清楚瞭金屬和非金屬材料的變形與斷裂機製，加上各種現代技術、儀器的進步，從而已經形成瞭完整的失效學。傳統的失效學著作中是從材料科學齣發，清晰地闡述金屬材料的各種類型變形與斷裂的機製，如脆斷中的解理斷裂；塑性變形最終導緻微孔聚集型的韌性斷裂；在交變載荷作用下由錶麵材料晶格滑移形成擠齣嵌入的疲勞裂紋萌生機製加上後續的疲勞裂紋尖端塑性區張開-閉閤滑移擴展機製直至斷裂；高溫下晶界成為薄弱區時形成蠕變裂紋的蠕變斷裂機製；環境導緻的金屬電化學腐蝕或化學腐蝕導緻的金屬失效機製，加上宏觀斷口學及微觀/細觀斷口學形貌分析及斷口理化分析的斷口學，從而構成瞭近代的失效學體係。有深厚材料科學基礎又兼備豐富工程實踐經驗的學者專傢可以順理成章的擔當起工程失效分析專傢，國內外均如此。由這樣的專傢學者撰寫的失效學專著，大部分具備這樣的結構：金屬晶體結構學簡述；脆斷、韌性變形與斷裂、疲勞裂紋的萌生-擴展-斷裂、蠕變空洞的萌生到蠕變斷裂等幾類斷裂問題的金屬學機製及各自的斷口宏觀及細觀或微觀形貌；金相與斷口圖像學；現代斷口觀測儀器及斷口微區化學組分分析檢測儀器；失效分析中的邏輯思維及現代係統工程方法等。有的還涉及腐蝕失效的論述。各種版本內容有深有淺，次序有異，基本是由材料科學學者撰寫。
近代經濟規模的迅速擴張，工業門類增多，産業規模及裝置大型化，當今的失效及其導緻的事故非但不見減少，而災難性事故此起彼伏。造成的失效事故損失、傷亡和環境傷害有時達到史前例的程度。迴顧一些重大事故往往是很綜閤性的，不再是僅由材料單一原因所導緻，有時涉及消防、危險化學品管理，有時涉及承壓設備的爆炸，既有焊接結構的缺陷，也有危險化學品的燃燒爆炸。這當中既有材料問題，也有結構設計、建造、監理、檢驗檢測或使用管理的問題。失效原因少數是因對常見問題缺少認識，多數是由於各環節的管控不嚴，極少數是由於低級的知而釀成大禍。當今的工程失效分析工作有的是相當綜閤性的，不再是單純材料專傢可以單獨完成的，常需要多學科專傢共同承擔失效分析的任務。
筆者在自身的失效分析工程實踐中深深體會到，在一本有限篇幅的失效分析專著中是法闡明失效分析中方方麵麵的問題，既有理論又有工程問題，既能深入又綜閤得十分完美。筆者隻能根據自身的專業基礎，以及長期從事過程設備的教學

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