電站凝汽器鈦管斷裂原因分析

鞏秀芳 ， 王天劍 ， 劉昌奎 ， 王芬玲 ， 裴玉冰

（1. 東方汽輪機(jī)有限公司 材料研究中心，四川 德陽 618000；2. 長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽 618000；3. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

凝汽器是發(fā)電站中最重要的輔助設(shè)備之一，其工作性能對發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全與經(jīng)濟(jì)性有著很大的影響[1-2]。目前，發(fā)電站使用的主要是表面式凝汽器，通過在冷凝管的內(nèi)側(cè)通冷卻水，使得汽輪機(jī)中排入凝汽器的蒸汽獲得冷卻，并在排汽口處建立并維護(hù)要求的真空[3-4]。一旦凝汽器冷凝管發(fā)生泄漏，將會導(dǎo)致凝結(jié)水含鹽量升高，引起汽輪機(jī)結(jié)垢等問題，從而造成大量的零部件腐蝕[5-6]，嚴(yán)重危害機(jī)組的運(yùn)行安全。由于鈦對海水具有極好的耐蝕性，同時鈦焊管具有制造相對簡便、厚度均勻、傳熱效果較好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)大功率的沿海電站基本上都采用薄壁鈦焊管作為凝汽器換熱管。

鈦雖然具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕能力，但在復(fù)雜的運(yùn)行工況以及介質(zhì)作用下，多種因素的復(fù)合作用仍會導(dǎo)致鈦管發(fā)生氫脆、腐蝕、磨損等失效問題[7-12]，其中尤其以異物沖刷磨損和氫脆較多。為了減少鈦管的失效，主要通過加強(qiáng)冷凝水的質(zhì)量、控制冷卻水流速、對冷凝管實(shí)施陰極保護(hù)等措施來進(jìn)行防護(hù)。國內(nèi)目前關(guān)于鈦管在凝汽器中異常振動導(dǎo)致的斷裂失效問題發(fā)生很少，但隨著我國發(fā)電機(jī)組的功率越來越大，運(yùn)行工況也越來越復(fù)雜，鈦冷凝管受到的應(yīng)力也越來越復(fù)雜，鈦管異常振動問題將不可避免地發(fā)生，因此，需要對這類問題開展研究以防止突發(fā)的失效導(dǎo)致機(jī)組受損。

電站汽輪機(jī)在空載試驗(yàn)后重新并網(wǎng)升功率的過程中，二次測水的Na含量上升，經(jīng)查漏發(fā)現(xiàn)凝汽器中一根壁厚為0.5 mm的鈦管發(fā)生斷裂，導(dǎo)致冷卻水泄漏。本次斷裂事故在該電站汽輪機(jī)試驗(yàn)中尚屬首例。通過對凝汽器鈦管進(jìn)行宏觀檢查、斷口分析、材質(zhì)檢查等，對鈦管的斷裂原因進(jìn)行分析，并提出改善措施，以預(yù)防事故的再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

電站凝汽器冷凝部分由14 000多根長度為16.5 m的鈦管及其固定管板組成。冷凝管為有縫焊接鈦管，材料牌號為ASTM B338 Gr.2，管外徑為25 mm，分壁厚為0.7 mm的沖刷側(cè)鈦管和壁厚為0.5 mm的非沖刷側(cè)鈦管兩種。發(fā)生斷裂的鈦管壁厚為0.5 mm，位于沖刷側(cè)鈦管的下方第1排。鈦管的斷裂位置位于第10、11塊支撐板之間（以進(jìn)水端開始計(jì)算），斷口距進(jìn)水端管板表面約7.52 m。在對鈦管進(jìn)行宏觀檢查時發(fā)現(xiàn)，在第7～12塊支撐板之間，每2塊之間的鈦管表面均存在肉眼可見的磨痕，并且磨損程度向兩端逐漸減輕。斷裂鈦管的示意圖見圖1。仔細(xì)觀察斷口附近磨痕的宏觀形貌，能夠看到磨痕都是垂直于鈦管長度方向（圖2）。為便于分析，將斷口兩側(cè)的鈦管切割取下，將斷口兩側(cè)分成a、b試樣加以標(biāo)識（圖3）。

圖 1 斷裂鈦管的位置和磨損情況示意圖Fig.1 Fracture location and abrasion status of titanium tube

圖 2 磨痕形貌Fig.2 Abrasion morphology

圖 3 切割取下的斷裂鈦管宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fractured titanium tube

1.2 理化檢驗(yàn)

在斷裂鈦管上取樣，按照ASTM B338 Gr.2的要求對其進(jìn)行理化檢驗(yàn)，化學(xué)成分符合技術(shù)要求，金相組織為正常的等軸α組織。為全面比對斷裂鈦管的力學(xué)性能，從斷裂鈦管兩側(cè)另外拔2只0.5 mm鈦管（未斷裂管-1、未斷裂管-2）取樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。3只鈦管的拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。由結(jié)果可知，斷裂鈦管試驗(yàn)結(jié)果雖然滿足規(guī)范要求，但其強(qiáng)度明顯低于另外取樣的2只未斷裂鈦管。

表 1 鈦管的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Tensile test results of titanium tubes at room temperature

1.3 斷口分析

由于a、b試樣斷面磨損較為嚴(yán)重，采用掃描電鏡放大觀察，僅在斷面局部區(qū)域可見原始斷裂特征，裂紋起源位置已無法通過斷口上的宏觀特征進(jìn)行判斷。在b試樣焊縫右側(cè)的局部可見典型的疲勞條帶，條帶細(xì)密，方向一致，與管壁呈一定角度。在b試樣的變形區(qū)域，局部可見韌窩斷裂特征，為最終斷裂區(qū)（圖4）。a試樣斷面特征與b試樣形貌特征類似，但在靠近焊縫的左側(cè)（對應(yīng)于b試樣斷面右側(cè)），可見明顯的由鈦管外表面向內(nèi)表面延伸的裂紋擴(kuò)展棱線（圖5）。

2 分析與討論

圖 4 b斷口試樣局部區(qū)域SEM形貌Fig.4 SEM morphology of b# fracture surface

圖 5 a斷口試樣焊縫左側(cè)局部可見區(qū)域微觀形貌Fig.5 SEM morphology of a# fracture surface at the left side of weld

通過對斷裂鈦管a、b試樣的微觀觀察發(fā)現(xiàn)，斷口上存在明顯的細(xì)密的疲勞條帶，可以確定鈦管開裂性質(zhì)為高周疲勞。由于a、b試樣斷口表面磨損嚴(yán)重，僅局部區(qū)域可見原始斷裂特征，已無法直接判斷裂紋起源位置。但是，在a試樣斷面上靠近焊縫的左側(cè)，即對應(yīng)于b試樣斷面右側(cè)，可見明顯的由鈦管外表面向內(nèi)表面延伸的裂紋擴(kuò)展棱線；另外，在遠(yuǎn)離焊縫的位置，可見疲勞條帶總體上呈由管外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展的方向。根據(jù)上述兩點(diǎn)判斷，疲勞裂紋起源于鈦管外表面，裂紋起源位置應(yīng)是在焊縫處。鈦管斷口上發(fā)現(xiàn)的韌窩位于焊縫相對的變形區(qū)域，說明該區(qū)域?yàn)榘喂芩伦詈筮^載斷裂區(qū)域。

根據(jù)以上分析可以認(rèn)為，鈦管裂紋首先在鈦管焊縫處的外表面萌生，并向兩側(cè)和鈦管內(nèi)表面擴(kuò)展。鈦管斷口表面發(fā)現(xiàn)的疲勞條帶十分細(xì)密，說明鈦管在裂紋萌生后，其裂紋擴(kuò)展是在非大應(yīng)力的振動應(yīng)力下所致。

在機(jī)組運(yùn)行過程中，完成了做功的濕蒸汽會以很高的速度來沖刷凝汽器鈦管，兩個支撐板之間的鈦管會以支撐板為支點(diǎn)發(fā)生不同程度的振動，而支撐板之間的距離相對較大，則對鈦管振動的約束力較小，也會導(dǎo)致鈦管在高速濕蒸汽的沖刷時振幅偏大。

從宏觀檢查可知：一方面，在鈦管上存在相鄰鈦管之間相互碰磨導(dǎo)致的規(guī)律性磨痕，焊縫和磨痕的位置基本垂直，而磨痕方向垂直于管軸向，說明鈦管存在與磨痕方向一致的振動；另一方面，在這個方向的振動，正好導(dǎo)致焊縫及與焊縫對應(yīng)部位受到周期性的彎曲振動應(yīng)力，并且鈦管的外表面受到最大的拉應(yīng)力。鈦管焊縫強(qiáng)度雖然與基體相差不大，但由于焊接導(dǎo)致組織不均勻，其塑性一般會下降，并且焊縫處存在幾何不連續(xù)性導(dǎo)致應(yīng)力集中，疲勞性能相對基體較差，因此，裂紋首先在焊縫處萌生。另外，從斷裂鈦管取樣的拉伸性能分析，其強(qiáng)度雖然滿足技術(shù)要求，但明顯低于附近2只比對的0.5 mm鈦管的強(qiáng)度，因此，該凝汽器鈦管首先發(fā)生了斷裂。

3 改進(jìn)措施

由于凝汽器的設(shè)計(jì)已經(jīng)定型，通過降低支撐板之間的間距來減輕鈦管的振動已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)，因此，為防止高速沖刷汽流造成該位置附近的0.5 mm鈦管過大的振幅，采用了在凝汽器冷凝管上方安裝汽流防沖板的方式來預(yù)先降低高速沖刷汽流對鈦管的沖擊速度，從而達(dá)到了減輕鈦管振動的目的，使后續(xù)鈦管再未發(fā)生類似斷裂失效問題。

4 結(jié)論

1）鈦管斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂，裂紋起源于鈦管焊縫外表面處。

2）疲勞裂紋的產(chǎn)生主要與鈦管振幅過大并由此產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力有關(guān)。

3）在凝汽器冷凝管上方增加防沖板，能夠防止類似事故再次發(fā)生。