结构失效分析主要针对工程结构，旨在识别和解释结构在各种载荷和环境条件下失效的原因。
设备的失效和结构及受力密切相关，由于设计、制造安装等问题，可能导致设备的结构不合理，比如尺寸突变过渡部位圆角过小而导致应力集中，可能产出疲劳或者其他类型的裂纹；管道系统的支撑不合理导致管道工作应力过大而产生过早失效。对于这些失效，需要理解设计、制造和使用过程，根据结构特点进行受力分析，找到失效的根本原因。
结构失效分析通常包括以下步骤：
①确定研究对象和目标：明确要分析的结构的类型、材料、尺寸和所承受的载荷类型等。
②分析结构的失效模式和失效机理。
③建立力学模型：根据结构的实际情况，建立适当的力学模型，包括考虑结构的几何形状、材料属性、边界条件、载荷情况等。
④应用应力分析方法：应用应力分析方法，例如有限元分析、疲劳分析等，计算结构在各种载荷情况下的应力分布情况，并找出可能存在的应力集中区域。
⑤确定失效模式和原因：根据计算结果，结合结构的实际情况，确定可能存在的失效模式和原因，例如屈曲、疲劳破坏、高温蠕变断裂等。
⑥提出改进措施：根据失效分析的结果，提出针对性的改进措施，例如改进设计、选用更好的材料、优化工艺等，以提高结构的可靠性和安全性。
案例分析
高温蒸汽管线旁路支管发生开裂。主管和支管的介质均为高温蒸汽，主管操作温度540℃，支管操作温度300℃。材质为12Cr1MoVG。开裂位置在支管台与支管连接处的环焊缝熔合线上，如图 1.1和图 1.2所示，宏观上呈环向裂纹形貌。
开裂机理
经过对裂纹的金相和断口分析，判断该裂纹为应力松弛开裂，焊缝位置温度接近500℃，属于应力松弛开裂的敏感温度范围。
受力分析
该管道尺寸很小，焊接残余应力有限，服役中之所以产生了应力松弛开裂，可能焊缝位置工作应力过高所致。为此对该管线建立受力模型并计算升温后焊缝处的热应力。
为了让分析结果准确，模型中包含了失效部位上下游的部分管线和支架，如图 2.1所示。
图 2.1 分析模型
升温前后管道的变形情况如图 2.2所示，管道整体发生了较大的热变形。由于支管的两端均被主管固定死，支管的温度相对主管较低，
热膨胀量较小，升温后支管受到较大的轴向拉应力（热应力）
提取旁路出入口的应力达到420MPa，可以看到总体应力水平较高，已经超出许用值，容易发生开裂。
改进措施
考虑到同一装置中旁路支管长度较短的管线未发生开裂，为进一步分析旁路支管长度对开裂部位的影响，将图 2.1模型中的支管长度缩短至3.1米，其他参数不变，如图 2.4所示。
图 2.4 旁路支管缩短后的计算模型
总体应力水平大幅降低，只有原来数值的40%，应力降低到150MPa，ASME B31.3的许用应力为302MPa并且符合设计要求。
1)本例支管台与支管连接处的应力较高，容易发生开裂。原因是旁路支管较长，两端被主管固定死，当主管和支管温差较大时，支管的热变形无处释放，容易产生较大的应力，进而发生开裂。
结论
焊缝发生开裂的机理为高温应力松弛，产生应力松弛开裂的原因为旁路支管结构设计不合理，导致工作热应力过高。缩小旁路管线长度、或者在旁路管线上设置π型膨胀节，吸收多过的热变形，可以避免再次出现类似的裂纹。
