失效分析案例.ppt

风电塔架的失效分析 第一页，共16页。 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 第二页，共16页。 目录 3 改进措施 2 失效分析 1 概况 Contents 第三页，共16页。 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。 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。 第四页，共16页。 图1 失效的风电塔架 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。 图2 环焊缝17#的开裂 第五页，共16页。 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 第六页，共16页。 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。 第七页，共16页。 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）。 第八页，共16页。 2.2 断口形貌 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） 图4 塔筒内部裂纹宏观形貌照片 1、宏观形貌分析 第九页，共16页。 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）。 图5 塔筒外部裂纹宏观形貌照片 1、宏观形貌分析 第十页，共16页。 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 1、宏观形貌分析 第十一页，共16页。 2、微观形貌分析 （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40-50μm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。 图7 裂纹微观形貌照片 第十二页，共16页。 （2）断口的扫描电镜分析 2、微观形貌分析 图8 金相试样的扫描电镜照片 失效主裂纹在焊缝的一侧（图8），金相裂纹两边存在一个约40-50μm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。 抢修焊缝 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。 图9 金相试样的高倍扫描电镜照片 熔合线 第十三页，共16页。 2、微观形貌分析 图10 裂纹源扫描电镜照片 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。 第十四页，共16页。 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。 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。 裂纹以疲劳方式发展，呈现宏观脆性断裂。 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。 2.3 结果分析 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。 第十五页，共16页。 3、改进措施 通过一定措施提高焊缝质量，如材料的选择，焊接