失效分析案例

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1、風 電 塔 架 的 失 效 分 析 失 效 分 析 思 路 調 查 收 集 背 景 資 料 試 樣 檢 驗 分 析 ： 材 料 的 化 學 成 分 ， 金 相 組 織 ， 力 學 性 能 等 深 入 分 析 ： 斷 口 的 宏 觀 及 微 觀 形 貌 分 析 ， 無 損 探 傷 檢 查 等 綜 合 分 析 歸 納 ， 確 定 失 效 原 因 結 論 改 進 措 施 目 錄3 改 進 措 施2 失 效 分 析1 概 況 Contents 1、 概 況 某 風 場 某 機 組 的 塔 架 ， 于 2006年 建 成 ， 2007年 二 月 投 入 運行 ， 該 塔 架 為 錐 形 圓 筒 型 塔

2、身 ， 總 高 47300mm， 塔 架 由 上 下 塔身 組 成 ， 上 段 塔 身 高 25300mm， 下 段 塔 身 高 22000mm， 兩 塔 身由 內 置 法 蘭 組 對 。 塔 架 下 部 最 大 直 徑 為 3200mm， 整 個 塔 身 分 為 22個 筒 節(jié) ，筒 節(jié) 壁 厚 隨 高 度 增 加 而 變 小 ， 下 部 筒 節(jié) 壁 厚 26mm為 最 大 ， 上 部筒 節(jié) 最 小 壁 厚 為 10mm， 筒 節(jié) 由 Q345C材 料 制 成 ， 外 形 見 下 頁 圖1。 圖 1 失 效 的 風 電 塔 架經 過 近 三 年 的 運 行 該 塔 于 2010年 1月 塔

3、身 的 第 17道 環(huán) 焊 縫 （ 自 上而 下 ） 發(fā) 生 開 裂 。 經 宏 觀 觀 察 ， 裂 紋 長 2500mm， 最 大 張 開 處 張開 50mm（ 圖 2） 。 隨 后 進 行 搶 修 及 失 效 分 析 。 圖 2 環(huán) 焊 縫 17#的 開 裂 2、 失 效 分 析2.1材 料 特 性2.2斷 口 形 貌 宏 觀 形 貌 分 析 微 觀 形 貌 分 析2.3結 果 分 析 及 結 論 2.1 材 料 特 性1、 材 料 的 微 觀 組 織 材 料 顯 微 組 織 為 正 常 的 帶 狀 珠 光 體 和 等 軸 細 小 鐵 素 體 。 2、 材 料 的 機 械 性 能 由 于

4、材 料 有 明 顯 的 帶 狀 珠 光 體 ， 為 檢 測 不 同 位 向 的 性 能 ， 分 別測 試 了 材 料 的 縱 向 和 橫 向 母 材 和 焊 接 接 頭 的 常 溫 拉 伸 性 能 及 焊 接 接 頭的 沖 擊 性 能 （ 表 1） 。 2.2 斷 口 形 貌 失 效 風 電 塔 架 的 塔 筒 內 部 裂 紋 宏 觀 形 貌 ： 裂 紋 的 早 期 擴 展 階 段 ， 裂 紋 擴 展 平 穩(wěn) ， 屬 于 慢 應 變 速 率 條 件 下 的 宏觀 脆 性 斷 裂 。 （ 圖 4上 ） 裂 紋 擴 展 的 末 期 （ 即 裂 紋 末 端 ） ， 裂 紋 起 伏 臺 階 特 征 明

5、 顯 ， 表 明 裂紋 擴 展 進 入 復 雜 應 力 區(qū) ， 但 尚 未 進 入 失 穩(wěn) 快 速 擴 展 階 段 。 （ 圖 4下 ）圖 4 塔 筒 內 部 裂 紋 宏 觀 形 貌 照 片 1、 宏 觀 形 貌 分 析 在 裂 紋 近 中 段 發(fā) 現 一 處 調 整 臺 階 ， 即 裂 紋 源 ， 也 是 重 點 取 樣 與 分 析部 位 （ 虛 線 框 所 圍 區(qū) 域 ） 。圖 5 塔 筒 外 部 裂 紋 宏 觀 形 貌 照 片 1、 宏 觀 形 貌 分 析 裂 紋 源 是 一 個 近 表 面 的 焊 接缺 陷 ， 隨 后 疲 勞 擴 展 ， 斷 口上 的 海 灘 花 樣 是 疲 勞 擴

6、展 的依 據 ， 擴 展 區(qū) 斷 口 上 的 剪 切唇 是 塑 性 斷 裂 的 基 本 特 征 形貌 。 擴 展 區(qū) 可 見 一 些 焊 接 缺 陷（ 氣 孔 等 ） ， 但 沒 有 發(fā) 現 脆性 解 理 斷 裂 的 形 貌 特 征 。 整 個 斷 口 在 后 期 的 工 作 條 件下 斷 口 持 續(xù) 張 合 ， 導 致 形 貌被 破 壞 ， 呈 現 出 擠 壓 的 宏 觀斷 口 形 貌 特 征 。 圖 6 斷 口 宏 觀 形 貌 1、 宏 觀 形 貌 分 析 2、 微 觀 形 貌 分 析 （ 1） 斷 口 的 金 相 分 析 經 微 觀 分 析 發(fā) 現 ， 裂 紋 由 處 于 外壁 的 裂

7、紋 源 開 裂 ， 穿 過 焊 縫 達 內壁 搶 修 焊 縫 熔 池 邊 緣 （ 圖 7） 。 斷 口 的 近 表 面 層 發(fā) 現 存 在 40-50m深 的 全 屈 服 變 形 層 變 形 層 與 基 體 交 界 面 部 分 出 現 平 直 細 小 的類 似 解 理 裂 紋 。圖 7 裂 紋 微 觀 形 貌 照 片 （ 2） 斷 口 的 掃 描 電 鏡 分 析2、 微 觀 形 貌 分 析圖 8 金 相 試 樣 的 掃 描 電 鏡 照 片 失 效 主 裂 紋 在 焊 縫 的 一 側 （ 圖8） ， 金 相 裂 紋 兩 邊 存 在 一 個 約 40-50m的 變 形 組 織 ， 變 形 層 下

8、有 顯 微開 裂 ， 這 些 開 裂 與 多 次 反 復 擠 壓 變形 有 關 。搶 修 焊 縫 由 金 相 試 樣 的 高 倍 掃 描 電 鏡 照 片 （ 圖 9） ， 可 見 金 相 試 樣 上 的脆 性 裂 紋 是 斷 口 變 形 層 下 的 開 裂 。圖 9 金 相 試 樣 的 高 倍 掃 描 電 鏡 照 片熔 合 線 2、 微 觀 形 貌 分 析 圖 10 裂 紋 源 掃 描 電 鏡 照 片 開 裂 起 始 于 一 個 深 約 2mm的 焊 接缺 陷 。 斷 口 對 表 面 因 后 期 的 持 續(xù)碰 撞 擠 壓 ， 使 斷 口 表 面 出 現 一 定深 度 的 擠 壓 變 形 層 ，

9、 因 此 實 際 斷口 以 滑 移 形 貌 為 主 。 未 發(fā) 現 脆 性 解 理 斷 裂 的 形 貌 特 征 。 塔 架 用 鋼 的 材 料 組 織 狀 態(tài) 正 常 ， 母 材 常 溫 拉 伸 與 低 溫 沖 擊 試 驗 結 果表 明 ， 材 料 的 塑 性 儲 備 良 好 ， 在 -40 以 上 沒 有 出 現 冷 脆 開 裂 的 現象 及 風 險 。 根 據 宏 觀 分 析 和 微 觀 分 析 找 到 了 塔 架 焊 縫 開 裂 的 裂 紋 源 近 表 面的 、 深 約 2mm的 焊 接 缺 陷 。 裂 紋 以 疲 勞 方 式 發(fā) 展 ， 呈 現 宏 觀 脆 性 斷 裂 。 開 裂 后

10、斷 口 的 持 續(xù) 反 復 碰 撞 擠 壓 ， 使 斷 口 近 表 面 處 出 現 深 約 40-50m的 變 形 層 ， 并 在 變 形 層 與 基 體 的 過 渡 區(qū) 產 生 顯 微 裂 紋 ， 這 種裂 紋 類 似 于 磨 損 疲 勞 的 裂 紋 。2.3 結 果 分 析 因 此 可 以 認 為 該 風 力 發(fā) 電 塔 架 筒 體 焊 縫 開 裂 是 由 于 焊 縫 近 表 面 存 在 一個 約 2mm深 的 焊 接 缺 陷 ， 在 工 作 載 荷 的 作 用 下 ， 由 此 啟 裂 并 發(fā) 生 疲 勞 開 裂 破壞 。 3、 改 進 措 施 通 過 一 定 措 施 提 高 焊 縫 質 量 ， 如 材 料 的 選 擇 ， 焊 接 工 藝 等 。 焊 接 完 成 后 對 焊 縫 及 周 圍 熱 影 響 區(qū) 進 行 無 損 檢 測 ： X射 線 ， 超聲 波 。 定 期 檢 查 塔 架 ， 及 時 發(fā) 現 問 題 ， 解 決 問 題 。