凝汽器鈦管斷裂失效分析

袁小會，蔡逸飛

（1．武漢軟件工程職業(yè)學院機械工程學院，湖北 武漢 430205；2．ALSTOM（武漢）工程技術有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引 言

鈦合金管作為一種優(yōu)異的耐腐蝕材料被廣泛用于惡劣條件下的凝汽器等設備中［1－2］，尤其在臨海核電站，以海水作為循環(huán)冷卻介質(zhì)的凝汽器，其關鍵熱交換部件的管束材料幾乎全部采用鈦管［3－5］．長期處于礦物鹽侵蝕和海水沖擊作用等惡劣工況下，鈦管時有發(fā)生斷裂失效，導致管束泄露，嚴重影響凝汽器的安全運行．

本文針對國內(nèi)某核電機組凝汽器定期大修中發(fā)現(xiàn)的斷裂鈦管部件出現(xiàn)的材料失效現(xiàn)象展開分析，通過檢查分析斷裂鈦管的宏觀位置結構及對失效材料的微觀形貌、材料成分等進行分析，并結合類似設備失效分析的經(jīng)驗，探討了凝汽器鈦管斷裂失效的原因，提出了預防和維護措施．

1 凝汽器外觀形貌及鈦管斷裂失效位置檢查

圖1為凝汽器的外觀形貌（圖1（a））和內(nèi)部管板結構（圖1（b））示意圖．

圖2為失效鈦管的分布位置示意圖，檢修過程中發(fā)現(xiàn)斷裂失效的鈦管處于頂端位置（見圖2）在水流方向距離進水端管板6 800 mm和8 660 mm處發(fā)現(xiàn)兩處斷裂，同時發(fā)現(xiàn)裂紋附近管內(nèi)壁有積垢存在．使用滲透劑檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋呈圓周方向分布，如圖3所示．

圖1 凝汽器外觀形貌及內(nèi)部鈦管管板布置Fig．1 Condenser external appearance and titanium tubes structure

圖2 鈦管斷裂失效位置Fig．2 Titanium tube fracture defects position

圖3 鈦管裂紋檢查Fig．3 Titanium tube cracks visual inspection

2 鈦管材質(zhì)檢驗

2．1 化學成分分析

采用等離子體原子發(fā)射光譜法、紅外碳硫氣體分析儀和氮氧氫氣體層析儀測定材料中所含F(xiàn)e、C、N、O、H元素的質(zhì)量分數(shù)，測量結果如表1所示，所檢測的鈦管中雜質(zhì)元素的質(zhì)量分數(shù)低于國家標準中規(guī)定的值，可見使用的鈦管材質(zhì)符合設計規(guī)范．

表1 失效鈦管化學成分Table 1 Chemical compositions of the failed titanium tube

2．2 力學性能試驗

按照ASME SA370《鋼制品力學性能試驗方法及定義》對失效鈦管進行拉伸試驗及擴口、壓扁和反壓扁測試，試驗結果如表2和圖4所示．試驗結果表明，在役鈦管的力學性能符合國家標準 GB／T 3620．1－2007 和 ASTM B338 標 準 的要求．

表2 鈦管力學性能Table 1 Tensile properties of the titanium tube

圖4 鈦管力學性能檢查Fig．4 Mechanical Tests of Titanium tube

2．3 金相組織檢驗

對在役鈦管進行了金相組織檢驗，如圖5所示，結果顯示材料為典型α相鈦顯微組織，晶粒分布及大小均勻，未見晶間缺陷，符合鈦金屬材料的金相組織特征．

圖5 鈦管金相組織檢查Fig．5 Microstructure inspection on Titanium tube

3 斷口微觀形貌檢查

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對斷裂處的顯微形貌進行觀察和分析，如圖6所示，可以看到斷口的裂紋源于鈦管的內(nèi)壁，逐漸向外擴展．圖6（b）中顯示管內(nèi)表面存在裂紋，而在圖6（c）中所示的外表面完整．圖6（d）更清晰地表征了內(nèi)表面的微裂紋，證明裂紋萌生于鈦管的內(nèi)壁．

圖6 鈦管裂紋斷口SEM照片F(xiàn)ig．6 SEM morphologies of the cracks on titanium tube

為了進一步分析鈦管材料微裂紋產(chǎn)生的原因，對管內(nèi)壁裂紋源處采樣進行微觀分析．如圖7中虛線所示，發(fā)現(xiàn)裂紋附近內(nèi)表面存在疑似礦物鹽等異質(zhì)結晶現(xiàn)象．

圖7 鈦管裂紋源晶體SEM照片F(xiàn)ig．7 SEM morphologies of the failed titanium crystal

4 失效機理分析

兩處斷裂失效鈦管的位置均在凝汽器管束的最上層，開裂位置位于鈦管長度方向兩管板的中間位置（如圖2所示），該位置為蒸汽沖擊振動最為嚴重的地方．在機組的調(diào)試、運行工況下，尤其是調(diào)試階段，機組的啟停、變工況運行均會對凝汽器冷卻管造成嚴重的沖擊作用，導致材料的破壞．

凝汽器頂部蒸汽溫度最高，進入頂部鈦管內(nèi)部的海水在一定的條件下可能汽化形成液氣兩相，管內(nèi)壁局部海水會蒸發(fā)析出異質(zhì)鹽分結晶．雖然鈦金屬的耐腐蝕能力較高，在鈦管的局部表面仍然會發(fā)生海鹽的侵蝕現(xiàn)象．

在凝汽器長期的運行過程中，一方面管束頂部的鈦管受變工況蒸汽沖擊產(chǎn)生振動，在管板中間處的管束容易產(chǎn)生材料的疲勞失效；另一方面在管內(nèi)局部高溫位置，鈦管內(nèi)壁存在材料的侵蝕．在沖擊振動和材料表面侵蝕的雙重作用下，鈦管局部形成材料的疲勞腐蝕，最終導致斷裂失效．

5 結論和建議

通過對凝汽器兩處斷裂失效鈦管的宏觀檢查和微觀表征，分析發(fā)現(xiàn)鈦管受疲勞腐蝕導致了最終的斷裂失效；管材局部受沖擊振動作用是材料失效的因素之一，管內(nèi)壁表面發(fā)生的侵蝕是導致材料疲勞破壞的起因．

針對以上分析，提出以下預防和維護措施：（1）加強管材的加工質(zhì)量控制，消除原始材料缺陷，在運行過程中，重點做好頂部管束的質(zhì)量監(jiān)控；（2）凝汽器運行前排空水室頂部的空氣，減少啟動階段蒸汽的沖擊振動；（3）加強凝汽器的穩(wěn)定運行控制，減少變工況運行．

致謝

感謝湖北省教育廳科學技術研究項目組對本研究的支持與幫助．

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