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，以海水作為循環冷卻介質的凝汽器，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．

本文針對國內某核電機組凝汽器定期大修中發現的斷裂鈦管部件出現的材料失效現象展開分析，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，檢修過程中發現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處發現兩處斷裂，同時發現裂紋附近管內壁有積垢存在．使用滲透劑檢查，發現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 鈦管材質檢驗

2．1 化學成分分析

采用等離子體原子發射光譜法、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Fe、C、N、O、H元素的質量分數，測量結果如表1所示，所檢測的鈦管中雜質元素的質量分數低于國家標準中規定的值，可見使用的鈦管材質符合設計規范．

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壁，逐漸向外擴展．圖6（b）中顯示管內表面存在裂紋，而在圖6（c）中所示的外表面完整．圖6（d）更清晰地表征了內表面的微裂紋，證明裂紋萌生于鈦管的內壁．

圖6 鈦管裂紋斷口SEM照片Fig．6 SEM morphologies of the cracks on titanium tube

為了進一步分析鈦管材料微裂紋產生的原因，對管內壁裂紋源處采樣進行微觀分析．如圖7中虛線所示，發現裂紋附近內表面存在疑似礦物鹽等異質結晶現象．

圖7 鈦管裂紋源晶體SEM照片Fig．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．在機組的調試、運行工況下，尤其是調試階段，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，進入頂部鈦管內部的海水在一定的條件下可能汽化形成液氣兩相，管內壁局部海水會蒸發析出異質鹽分結晶．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生海鹽的侵蝕現象．

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生振動，在管板中間處的管束容易產生材料的疲勞失效；另一方面在管內局部高溫位置，鈦管內壁存在材料的侵蝕．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，分析發現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，管內壁表面發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量監控；（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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