《Results in Engineering》：Structural Integrity Failure of a Thin-Walled Fire Extinguisher Induced by Localized Under-Coating Corrosion
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综合失效分析（integrated failure analysis）确定了腐蚀诱发的灭火器失效机制。局部涂层下腐蚀（under-coating corrosion）将壁厚减薄至0.05 mm。在新安装的灭火器上也观察到了涂层损伤。结构筛查（structura
综合失效分析（integrated failure analysis）确定了腐蚀诱发的灭火器失效机制。局部涂层下腐蚀（under-coating corrosion）将壁厚减薄至0.05 mm。在新安装的灭火器上也观察到了涂层损伤。结构筛查（structural screening）表明承压能力严重丧失。研究结果强调底部接触涂层损伤应作为检验优先关注项。
一、研究背景与问题提出
便携式灭火器作为常见压力容器设备，其灾难性失效可能在使用、搬运、检查或维护过程中意外发生，对周边人员造成严重伤害。在海洋等腐蚀性环境中服役的薄壁灭火器，其壳体与底部连接区域因反复接触地面，保护涂层易发生局部损伤，进而可能诱发涂层下腐蚀（under-coating corrosion）的萌生与扩展。已有研究分别关注了涂层退化、局部腐蚀发展、穿孔失效及压力容器完整性等问题，但将地面接触涂层损伤、涂层下腐蚀、严重壁厚减薄、腐蚀孔形成、破裂萌生直至壳体与底部完全分离的完整失效路径尚缺乏系统性文献记录。特别是便携式灭火器壳体-底部过渡区域在反复地面接触和海洋环境暴露条件下的失效演化过程，此前研究关注有限。基于此，本研究通过综合失效分析方法，系统调查了一台薄壁灭火器的灾难性失效事件，旨在建立从涂层退化到灾难性容器破裂的完整腐蚀诱发失效路径。
二、研究内容与主要结论
研究人员对一台在海洋环境中服役约三年、在常规加压处理过程中发生壳体与底部完全分离的干粉灭火器进行了系统调查。该灭火器为ANSUL RED LINE手提式干粉灭火器，按制造商技术规范，其为焊接三件式钢制压力容器，由圆柱形壳体、顶部封头和底部封头组成，壳体标称工作压力为200 psi（13.7 bar），水压试验压力为工作压力的三倍（600 psi，41.4 bar），制造商规定其承受压力不低于工作压力的六倍。研究同时对比分析了失效灭火器、因可见腐蚀损伤而被拒收的灭火器以及新安装但底部接触区域已出现局部涂层损伤的灭火器。通过视觉检查、壁厚测绘、金相检验、扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度测试、化学成分分析、X射线衍射（XRD）表征及结构完整性评估等综合手段，研究人员建立了从涂层损伤到灾难性壳体分离的完整失效路径。
三、主要技术方法
研究采用了多种互补的检测与表征技术。壁厚评估结合了超声波测厚（UT）、基于图像截面的测量（ICM）和基于显微镜截面的图像测量（MCIM）三种方法，以适应不同表面条件和腐蚀严重程度。金相检验采用光学显微镜（LOM）评估铁素体-珠光体组织及腐蚀穿透情况。扫描电子显微镜（SEM）用于检查断口形貌和腐蚀特征。化学成分分析采用光电发射光谱法（OES）。显微硬度测试依据ISO 6507-1标准，在壳体-焊缝-底部截面五个位置各进行五次压痕测试。X射线衍射（XRD）分析采用Cu Kα辐射，对严重腐蚀区域收集的腐蚀产物进行物相鉴定。结构完整性评估采用经典薄壁圆柱壳理论计算名义环向和纵向薄膜应力，并使用Barlow关系进行一阶承压能力筛查估算。
四、研究结果
4.1 视觉观察与一般失效特征
失效灭火器在常规处理过程中发生壳体与底部的完全分离。严重局部腐蚀、广泛涂层退化和壁厚损失集中在壳体-底部过渡区域，特别是环向焊缝附近。拒收灭火器在相同底部接触区域表现出实质性涂层劣化和局部腐蚀，但结构保持完整。新安装灭火器未见可见腐蚀或结构损伤，但在底部接触区域多个位置观察到局部涂层劣化。三台灭火器由同一制造商生产，型号和标称设计相同，在同一工业设施中接受相同服务环境和检验维护实践，但服役历史和暴露时长不同。新安装灭火器上即使存在局部涂层损伤，表明常规维护实践未能充分防止该位置保护涂层的劣化。
4.2 壁厚分布与腐蚀测绘
壁厚测量在底部圆周多个位置进行。新灭火器壳体和底部厚度分别约为2.40 mm和5.50 mm，分布相对均匀。拒收灭火器壳体厚度保持约2.40 mm，而底部厚度在2.00至4.00 mm间空间变化。失效灭火器在B-C和C-D区域表现出严重且高度不均匀的残余壁厚。B-C区域残余壳体厚度范围为0.22至0.26 mm，C-D区域在点1、2、3处分别降至0.30、0.18和约0.05 mm。相对于标称壳体厚度2.40 mm，最小残余厚度约0.05 mm对应标称厚度的约2.1%，局部壁厚减薄约97.9%。五个截面样本中，截面S5包含最小残余韧带，厚度约0.05 mm，位于距破裂边缘约10 mm处。腐蚀损伤高度局部化而非圆周均匀分布，主要集中在B-C区域，C-D区域也存在局部减薄。最小厚度值一致地位于壳体-底部过渡区域附近，与涂层退化和局部腐蚀的视觉集中区域相吻合。
4.3 金相检验
金相检验显示所检截面主要为铁素体-珠光体组织，与低碳钢一致，未发现可独立解释失效的冶金异常或制造相关不连续。严重局部腐蚀集中在壳体-底部过渡区域，退化从外表面向内延伸穿过壳体壁，导致大量材料损失和显著局部减薄。腐蚀产物和氧化层存在于受损区域，与服役期间渐进腐蚀一致。焊缝过渡区域观察到特别广泛的劣化，比邻近母材区域更严重，归因于局部涂层损伤、湿气滞留和壳体-底部连接附近几何不连续性的综合影响。拒收灭火器表现出较轻的腐蚀损伤和氧化，新安装灭火器尽管存在轻微涂层损伤但无腐蚀证据。
4.4 表面形貌与腐蚀产物表征
SEM检查显示广泛的腐蚀影响区域，具有粗糙、多孔和分层形态，层状腐蚀产物延伸穿过壁厚的实质部分。在B-C区域，环向焊缝区域出现广泛腐蚀诱发退化，与相邻完整区域相比明显。壳体-底部界面处腐蚀产物填充了焊缝过渡间隙。未观察到显著塑性变形，如颈缩或广泛塑性流动，支持渐进腐蚀辅助材料损失为主要退化机制而非韧性过载机制的解释。XRD分析鉴定腐蚀产物为针铁矿[FeO(OH)]，同时检测到α-Fe（铁素体）基体衍射。实验峰在21.13°、33.18°和36.58°分别对应针铁矿（110）、（130）和（111）反射，44.69°和82.33°对应α-Fe的（110）和（211）反射。针铁矿的鉴定与碳钢在潮湿和海洋条件下环境暴露期间腐蚀产物形成一致。
4.5 化学成分分析
失效灭火器壳体的碳、锰、磷和硫浓度分别为0.09%、0.37%、0.004%和0.007%，均在EN 10130 DC03参考限值内。DC03因其拉延质量特性与灭火器壳体成形要求相关而被选为参考材料，但该选择是基于工程的材料假设而非确认的钢级鉴定。测量成分也与DC01兼容，两种钢级具有相同的270 MPa规定下限抗拉强度。
4.6 硬度分布
五个位置的显微硬度平均值分别为141.2 ± 4.7、174.9 ± 5.4、222.4 ± 8.8、212.2 ± 11.4和178.0 ± 4.3 HV0.2。焊缝影响区域硬度高于相邻母材区域，与焊接局部热效应一致。未发现异常高硬度值或孤立硬度异常，表明异常硬化不是失效的主导因素。
4.7 结构完整性评估
基于原始几何（外径180 mm，初始壁厚2.40 mm），径厚比D/t = 75，远高于常规薄壁判据（D/t ≥ 20），支持采用薄膜理论作为一阶工程评估。在标称壁厚2.40 mm下，计算的名义环向和纵向薄膜应力在文档化工作压力下相对较低。随残余壁厚减小，计算应力因对厚度的反比依赖而急剧增加。在最小测量厚度约0.05 mm处，计算应力远超候选EN 10130钢级的参考屈服/证明强度范围。Barlow关系筛查估计显示，在最小壁厚处，计算的承压能力指示值相对于文档化工作压力严重下降，表明腐蚀诱发的壁厚减薄已将该区域残余承压能力降低至远低于正常运行条件所需的水平。
五、讨论与结论
综合证据表明，失效机制为：反复地面接触导致壳体-底部过渡区域局部涂层损伤，使钢表面暴露于环境；涂层下腐蚀随后沿下壳体圆周传播，产生广泛壁厚减薄和局部穿孔；当残余壁厚降至约0.05至0.30 mm时，局部承压能力大幅降低，使腐蚀的壳体-底部过渡在加压服役条件下极易破裂，最终导致破裂萌生和环向壳体分离。研究首次建立了从涂层损伤到灾难性壳体分离的完整腐蚀诱发失效路径，强调了底部接触涂层损伤应作为检验优先关注项。该发现对压力容器完整性管理和维护实践具有重要工程意义，特别是对在腐蚀性环境中服役的薄壁承压系统。
