失效分析案例-课件PPT

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2、失效分析
2.1材料特性 2.2断口形貌
宏观形貌分析 微观形貌分析 2.3结果分析及结论
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2.1 材料特性
1、材料的微观组织 材料显微组织为正常的带状珠光体和等轴细小铁素体。
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2、材料的机械性能
由于材料有明显的带状珠光体，为检测不同位向的性能，分别测 试了材料的纵向和横向母材和焊接接头的常温拉伸性能及焊接接头的 冲击性能（表1）。
塔架下部最大直径为3200mm，整个塔身分为22个筒节，筒 节壁厚随高度增加而变小，下部筒节壁厚26mm为最大，上部筒 节最小壁厚为10mm，筒节由Q345C材料制成，外形见下页图1。
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图1 失效的风电塔架
图2 环焊缝17#的开裂
经过近三年的运行该塔于2010年1月塔身的第17道环焊缝（自上 而下）发生开裂。经宏观观察，裂纹长2500mm，最大张开处张 开50mm（图2）。随后进行抢修及失效分析。
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2.2 断口形貌
1、宏观形貌分析
图4 塔筒内部裂纹宏观形貌照片
失效风电塔架的塔筒内部裂纹宏观形貌： • 裂纹的早期扩展阶段，裂纹扩展平稳，属于慢应变速率条件下的宏
观脆性断裂。（图4上） • 裂纹扩展的末期（即裂纹末端），裂纹起伏台阶特征明显，表明裂
纹扩展进入复杂应力区，但尚未进入失稳快速扩展阶段。（图4下）9
12Biblioteka 2、微观形貌分析抢修焊缝
熔合线
图8 金相试样的扫描电镜照片
（2）断口的扫描电镜分析
失效主裂纹在焊缝的一侧（图 8），金相裂纹两边存在一个约4050μm的变形组织，变形层下有显微 开裂，这些开裂与多次反复挤压变 形有关。
图9 金相试样的高倍扫描电镜照片
由金相试样的高倍扫描电镜照 片（图9），可见金相试样上的脆 性裂纹是断口变形层下的开裂。
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2、微观形貌分析
• 开裂起始于一个深约2mm的焊接 缺陷。断口对表面因后期的持续 碰撞挤压，使断口表面出现一定 深度的挤压变形层，因此实际断 口以滑移形貌为主。
• 未发现脆性解理断裂的形貌特征。
图10 裂纹源扫描电镜照片
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2.3 结果分析
① 塔架用钢的材料组织状态正常，母材常温拉伸与低温冲击试验结果 表明，材料的塑性储备良好，在-40℃以上没有出现冷脆开裂的现 象及风险。
1、宏观形貌分析
图5 塔筒外部裂纹宏观形貌照片
• 在裂纹近中段发现一处调整台阶，即裂纹源，也是重点取样与分析 部位（虚线框所围区域）。
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1、宏观形貌分析
• 裂纹源是一个近表面的焊接 缺陷，随后疲劳扩展，断口 上的海滩花样是疲劳扩展的 依据，扩展区断口上的剪切 唇是塑性断裂的基本特征形 貌。
• 扩展区可见一些焊接缺陷 （气孔等），但没有发现脆 性解理断裂的形貌特征。
• 整个断口在后期的工作条件 下断口持续张合，导致形貌 被破坏，呈现出挤压的宏观 断口形貌特征。
图6 断口宏观形貌
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2、微观形貌分析
图7 裂纹微观形貌照片
（1）断口的金相分析
• 经微观分析发现，裂纹由处于外 壁的裂纹源开裂，穿过焊缝达内 壁抢修焊缝熔池边缘（图7）。
• 断口的近表面层发现存在4050μm深的全屈服变形层变形层与 基体交界面部分出现平直细小的 类似解理裂纹。
风电塔架的失效分析
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失效分析思路
• 调查收集背景资料 • 试样检验分析：材料的化学成分，金相组织，力学性能等 • 深入分析：断口的宏观及微观形貌分析，无损探伤检查等 • 综合分析归纳，确定失效原因 • 结论 • 改进措施
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概况
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失效分析
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改进措施
目录
Contents
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1、概况
某风场某机组的塔架，于2006年建成，2007年二月投入运行， 该塔架为锥形圆筒型塔身，总高47300mm，塔架由上下塔身组 成，上段塔身高25300mm，下段塔身高22000mm，两塔身由内 置法兰组对。
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3、改进措施
① 通过一定措施提高焊缝质量，如材料的选择，焊接工艺等。 ② 焊接完成后对焊缝及周围热影响区进行无损检测：X射线，超
声波。 ③ 定期检查塔架，及时发现问题，解决问题。
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刚才的发言，如 有不当之处请多指
正。谢谢大家！
② 根据宏观分析和微观分析找到了塔架焊缝开裂的裂纹源——近表面 的、深约2mm的焊接缺陷。
③ 裂纹以疲劳方式发展，呈现宏观脆性断裂。 ④ 开裂后断口的持续反复碰撞挤压，使断口近表面处出现深约40-
50μm的变形层，并在变形层与基体的过渡区产生显微裂纹，这种 裂纹类似于磨损疲劳的裂纹。
因此可以认为该风力发电塔架筒体焊缝开裂是由于焊缝近表面存在一个 约2mm深的焊接缺陷，在工作载荷的作用下，由此启裂并发生疲劳开裂破坏。