化工设备失效分析课程实验平台构建

徐书根, 赵延灵, 蒋文春

(中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580)

化工设备失效分析课程实验平台构建

徐书根, 赵延灵, 蒋文春

(中国石油大学(华东) 化学工程学院，山东 青岛 266580)

为了提高过程装备与控制工程学生的研究能力，实现“工程教育专业认证”所要达到通用要求，构建了化工设备失效分析实验平台，介绍了实验平台所包含的实验项目。通过一个工程失效案例，展示了如何利用实验平台完成一个设备失效分析过程。该平台的构建提高了学生对专业知识的理解，培养专业认证所需的研究能力。

化工设备； 失效分析； 实验平台； 工程教育专业认证

过程装备与控制工程专业是以装备为主体,以过程与控制为两翼的“一体两翼”交叉型专业。在学生的培养方案上,利用石油石化行业特色和优势,明确专业实践型和创新型人才培养的目标,在培养过程中加强学生的工程实践能力和创新能力的锻炼[1]。近年来,工程教育专业认证成为工科专业的一种趋势[2]。工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度,也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证以培养目标和毕业出口要求为导向,要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开。在其认证通用标准中所列毕业要求中有关于“研究”方面的规定:能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究,包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。从课程的设置角度上来说,“化工设备失效分析”是能够支撑这一要求的有效课程。主要原因在于“化工设备失效分析”所讲授的内容为针对复杂的化工设备的失效,通过一系列的实验和分析,去寻找失效的原因,并提出相应的预防措施。通过课程学习,使学生掌握失效分析基本思路与手段的运用,熟悉化工装备各类失效的模式、特征和成因,并能给予正确的判断,使之具备处理实际工程失效事故的能力和从事失效分析工作的技能。

从目前的教学情况看,当前材料专业“失效分析”课程中已经有许多开设实验课程的案例[3-8],过程装备与控制工程专业的先修课程“工程材料”中和“材料力学”中也开设了一些材料微观组织性能和力学性能的实验[9-10],但是远远满足不了化工设备失效分析课程面对工程教育专业认证的要求。如果能够在基本理论讲授完毕之后,为学生提供一个真实的工程失效案列,让学生通过初步判断,进行实验方案设计,根据实验结果,最终对失效的模式和原因给出解释,则能显著提高学生的研究能力,达到工程教育专业认证中“研究”的标准。

1 化工设备失效分析课程特点

化工设备发生失效的原因多种多样,随着设备的大型化和运行条件的苛刻,应用材料的种类也越来越多,失效形式错综复杂,给设备失效分析及预防带来了新的挑战。传统的失效分析技术主要依托于材料学科,化工过程设备的失效分析不仅包括金属材料失效分析,还具有它自身的特点。化工设备大多是焊接大型承压设备,因而爆破与强度失效是化工设备失效的首要问题,超压下压力容器的韧性爆破、脆性破坏的解理断裂、拘束度过大引起塑性降低的局部失效、交变载荷下的疲劳失效、含缺陷容器的断裂分析都是化工设备失效分析所需的特有技术。如果考虑到设备在高温或低温下工作,内储介质组成各异,材料与介质的相互作用引起的材料损伤更是千变万化,因而从事化工设备失效分析所需知识面极广,必须有跨学科视野,必须不同学科专家的协同配合,在实践中不断学习总结经验,才能提高失效分析结论的可靠性[11]。

因此,与普通零件的失效分析相比,化工设备失效分析所需要的实验手段和实验技能更为复杂,内部各失效原因和结果之间的对应性也更加复杂,需要丰富的失效基础知识、严密的逻辑推理,加上可靠的实验手段,才能最终得到合理的失效原因。

2 失效分析实验平台构建

构建化工设备失效分析实验平台,以下两个方面必须满足:一是实验场地和实验仪器,目前的光谱仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、万能试验机和摆锤冲击试验机等设备能够满足硬件方面的需求；二是真实的实验样品,在实际失效分析过程中,从现场取回的试样量比较大,一般而言完成分析报告后会有大量的剩余。因此,这些年笔者积累了大量的失效构件实物,能够满足实验课程的需求。根据样品情况及课程需要,主要安排的实验项目为成分检测、金相检测、断口宏观和微观分析,机械性能测试4类实验。

2.1 成分测试

对于失效分析,首要确认的所用材料是否符合标准规范，确认金属尤其是钢材是否合格,要明确所取样品中的材料成分。钢材的化学成分有相应的国家标准。在拿到实验样品后,可以通过光谱分析进行成分确定。在测试出成分与标准成分比对时,注意钢中的有益添加成分(如Cr、Ni)不要低于标准给出的最低值,而对于有害成分(如P、S)不要高于标准给出的最高值,该样品才能判定符合标准要求。

2.2 金相检测

金属和合金的性能取决于它的成分和组织结构。金相检验是借助光学显微镜或电子显微镜观察与识别金属材料的组成相、组织组成物，以及微观缺陷的数量、大小、形态及分布,从而判断和评定金属材料质量的一种检验方法。

工程材料中的金相检测多为材料在标准热处理状态下的金相,能够与标准金相图谱比对。化工设备在运行若干时间后失效,其金相往往受到运行温度和介质的影响,即为运行金相。因此金相检测可以作为检验材质是否劣化和裂纹微观扩展状态的一种重要手段。

2.3 断口宏观和微观检测

断口能够直接反映断裂的机理和过程,因此断口分析是失效分析的重要手段。断口分析可以分为宏观分析和微观分析两类。通过前期做失效分析留下的大量样品,可以供学生观察脆性断裂与韧性断裂断口上的不同,以及一个典型断口上所留下的裂纹萌生、扩展和瞬断区的形貌。在微观分析层面,则要借助于扫描电子显微镜(SEM)。通过SEM可以直接观察和分析大尺寸试样的原始状况,同时具有高分辨、大景深、多分析功能等特点，断口在失效分析中具有重要位置。

2.4 机械性能检测

机械性能是反应化工设备的一个重要指标,根据实验条件,开设的实验项目主要为常规拉伸和摆锤冲击实验。拉伸实验可以有效评价材料在服役后屈服强度、抗拉强度和延伸率等指标是否符合标准要求。摆锤冲击实验则可以评价压力容器用钢的韧性是否符合标准要求。学生在实验课程中可以直观感受材料机械性能的变化,为失效分析乃至将来的设备设计提供宝贵的经验。

3 案例分析

利用该实验平台,通过一个实例简要说明根据实验条件完成一个化工设备失效分析的研究过程。

3.1 失效案例概述

某公司MTP反应预热器在开工过程中换热管发生泄漏[12]。部分发生泄漏的换热管位置如图1所示,取到的失效换热管样品如图2所示。

3.2 分析思路

作为实验课程,在给学生交代完毕失效案例的基本情况后,针对该换热器开裂的特点,引导学生进行初步分析，泄漏的原因是因为换热管出现了裂纹。根据制造图纸,该换热管为奥氏体不锈钢。材质是不是符合要求？裂纹的微观形态如何？力学性能是否达标？和介质有无关系？

图1 泄漏的换热器换热管位置

图2 换热管

带着上述问题,指导学生制定分析方案:

(1) 进行成分和金相检测,检验材料是否符合标准要求；

(2) 金相裂纹扩展形态分析,观察裂纹的扩展形态符合哪一类断裂的特征；

(3) 断口分析,观测断口形貌以及有无腐蚀产物；

(4) 机械性能测试,检测机械性能是否符合标准要求,是不是强度引起的失效。

3.3 实验数据

学生分工进行实验,得到的结果如下:

(1) 材料成分(见表1)符合标准要求，金相组织也符合奥氏体不锈钢固溶态的形貌,如图3所示，说明材料没有用错。

(2) 发现该管内壁布满了裂纹,裂纹呈树枝状,由内壁向外壁扩展,如图4(a)和(b)所示。裂纹主要为穿晶扩展,呈现出极强的方向性。

表1 换热管化学成分 %

图3 换热管近外表面金相组织

(3) 对未清洗的裂纹面进行能谱检测,结果见图5，可见断口含有Cl和S等危害性元素。

(4) 检测换热管的力学性能,如表2所示,可见换热管屈服强度和抗拉强度均高于标准要求,机械性能没有下降。

图4 换热管裂纹微观形貌

图5 断口能谱检测

表2 换热管力学性能 MPa

3.4 原因分析

由以上分析结果可知,材质和力学性能正常,换热管材质为奥氏体不锈钢,起源于内壁的裂纹呈树枝状穿晶扩展,并且断口上含有Cl和S等元素。由此可以推断,换热管的开裂是与Cl-有关的应力腐蚀开裂。进一步通过调研发现,该换热器中开工蒸气的Cl-含量较高,是该奥氏体不锈钢换热管开裂的根本原因。

4 结论

基于工程教育专业认证中关于培养目标的需求,在化工设备失效分析课程设置中构建支撑通用标准中关于“研究”的实验平台,并通过实例阐述如何通过分析和实验,完成一个失效案例的分析过程。在该过程中既能巩固学生课堂上学习的理论知识,又能通过实验提高动手能力,并在原因综合分析的过程中锻炼逻辑思维能力。实践证明,该实验平台和实验模式起到了较好的教学效果。

References)

[1] 徐书根,赵延灵,王振波,等. 卓越计划背景下过程装备与控制工程专业压力容器实验课程改革初探[J]. 实验技术与管理,2015,32(8):179-182.

[2] 楼建明,鲍淑娣,傅越千. 面向工程教育专业认证, 加强工程训练中心建设[J]. 实验室研究与探索, 2013,32(11):340-343，421.

[3] 康学勤, 孙智.《失效分析》课程教学与实验环节的改革[J]. 教育教学论坛, 2014(40):273-275.

[4] 康学勤,孙智,任耀剑. 工科高校课程多模式教学的构建与实施：以《失效分析》课程为例 [J]. 新课程研究旬刊, 2015(3):21-22.

[5] 曹国剑,王丽萍,康福伟,等.《失效分析》实践教学的感悟[J]. 教育教学论坛,2013(38):108-109.

[6] 龚志华,定巍,王宝峰. 材料失效分析课程中的实践教学应用[J]. 科技资讯,2015(16):150-151.

[7] 张有凤,孙剑桥. 材料失效分析实验教学模式的探索[J]. 教育教学论坛, 2014(1):238-239.

[8] 张有凤,孙剑桥, 李崇桂, 等. 材料失效分析教学方法的研究与改革初探[J]. 上海工程技术大学教育研究, 2014(2):16-18.

[9] 涂浩, 王建华, 刘亚, 等.《工程材料》实验教学改革与实践[J]. 高校实验室工作研究, 2013(3):7-8.

[10] 樊湘芳, 叶江. 《机械工程材料》实验教学探讨[J]. 高校实验室工作研究, 2009(4): 6.

[11] 王志文, 徐宏, 关凯书, 等. 化工设备失效原理与案例分析[M]. 上海: 华东理工大学出版社, 2010.

[12] Xu Shugen, Wang Chong, Wang Weiqiang. Failure analysis of stress corrosion cracking in heat exchanger tubes during start-up operation [J]. Engineering Failure Analysis, 2015,51:1-8.

Construction on experimental platform for Failure Analysis of Chemical Engineering Equipment course

Xu Shugen, Zhao Yanling, Jiang Wenchun

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to improve the students’ research ability of Process Equipment and Control Engineering major and achieve the general requirements of “Engineering education professional certification,” the experimental platform for the Failure Analysis of Chemical Engineering Equipment is established, and the experimental projects of the platform are introduced. Through an engineering failure case, how to use the experimental platform to complete the process of the equipment failure analysis is demonstrated. The establishment of this platform improves the students’ understanding of professional knowledge and cultivates their research ability required by the professional certification.

chemical engineering equipment; failure analysis; experimental platform; engineering education professional certification

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.022

2016-08-05 修改日期：2016-10-28

全国工程专业学位研究生教育自选研究课题(2016-ZX-283);中国石油大学(华东)研究性课程教学改革项目(YK-201405);中国石油大学(华东)常规教学研究与改革项目(JY-B201605)

徐书根(1983— )，男，山东郓城，工学博士，副教授，主要从事机械结构完整性评价与失效分析.

E-mail：xsg123@163.com

TQ05;G484

B

1002-4956(2017)2-0080-04