袁小會(huì)，蔡逸飛

（1．武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．ALSTOM（武漢）工程技術(shù)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(shè)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(guān)鍵熱交換部件的管束材料幾乎全部采用鈦管［3－5］．長(zhǎng)期處于礦物鹽侵蝕和海水沖擊作用等惡劣工況下，鈦管時(shí)有發(fā)生斷裂失效，導(dǎo)致管束泄露，嚴(yán)重影響凝汽器的安全運(yùn)行．

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某核電機(jī)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(kāi)分析，通過(guò)檢查分析斷裂鈦管的宏觀位置結(jié)構(gòu)及對(duì)失效材料的微觀形貌、材料成分等進(jìn)行分析，并結(jié)合類似設(shè)備失效分析的經(jīng)驗(yàn)，探討了凝汽器鈦管斷裂失效的原因，提出了預(yù)防和維護(hù)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(jié)構(gòu)（圖1（b））示意圖．

圖2為失效鈦管的分布位置示意圖，檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)斷裂失效的鈦管處于頂端位置（見(jiàn)圖2）在水流方向距離進(jìn)水端管板6 800 mm和8 660 mm處發(fā)現(xiàn)兩處斷裂，同時(shí)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(yàn)

2．1 化學(xué)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(cè)定材料中所含F(xiàn)e、C、N、O、H元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)量結(jié)果如表1所示，所檢測(cè)的鈦管中雜質(zhì)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值，可見(jiàn)使用的鈦管材質(zhì)符合設(shè)計(jì)規(guī)范．

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

2．2 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照ASME SA370《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法及定義》對(duì)失效鈦管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及擴(kuò)口、壓扁和反壓扁測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示．試驗(yàn)結(jié)果表明，在役鈦管的力學(xué)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB／T 3620．1－2007 和 ASTM B338 標(biāo) 準(zhǔn) 的要求．

表2 鈦管力學(xué)性能Table 1 Tensile properties of the titanium tube

圖4 鈦管力學(xué)性能檢查Fig．4 Mechanical Tests of Titanium tube

2．3 金相組織檢驗(yàn)

對(duì)在役鈦管進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn)，如圖5所示，結(jié)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(jiàn)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(duì)斷裂處的顯微形貌進(jìn)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(kuò)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(jìn)一步分析鈦管材料微裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)管內(nèi)壁裂紋源處采樣進(jìn)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(jié)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(jī)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(kāi)裂位置位于鈦管長(zhǎng)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(dòng)最為嚴(yán)重的地方．在機(jī)組的調(diào)試、運(yùn)行工況下，尤其是調(diào)試階段，機(jī)組的啟停、變工況運(yùn)行均會(huì)對(duì)凝汽器冷卻管造成嚴(yán)重的沖擊作用，導(dǎo)致材料的破壞．

凝汽器頂部蒸汽溫度最高，進(jìn)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(huì)蒸發(fā)析出異質(zhì)鹽分結(jié)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(huì)發(fā)生海鹽的侵蝕現(xiàn)象．

在凝汽器長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)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(dòng)，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(dòng)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(dǎo)致斷裂失效．

5 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)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(dǎo)致了最終的斷裂失效；管材局部受沖擊振動(dòng)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(dǎo)致材料疲勞破壞的起因．

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

致謝

感謝湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目組對(duì)本研究的支持與幫助．

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［2］楊振國(guó)．核電裝置換熱器的失效分析及其解決對(duì)策［J］．金屬熱處理，2007，32（zl）：28－35．YANG Zhen－Guo．Failure analysis and countermeasure of heat exchangers in nuclear power facility［J］．Heat Treatment of Metals，2007，32（zl）：28－35．（in Chinese）

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