凝汽器鈦管斷裂性質分析

陳玉喜++單秉昆

摘 要：某電廠凝汽器鈦管發生斷裂，使用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡電鏡等手段對斷口形貌和微觀組織進行觀察。經對斷裂鈦管的檢驗分析，鈦管斷口微觀上可見明顯的疲勞輝紋，表明鈦管的斷裂性質為疲勞斷裂。在斷口處的外表面存在較為嚴重的碰磨痕跡，而鈦管本身壁厚較薄，在碰磨處易產生應力集中，導致裂紋萌生。凝汽器運行過程中，在變工況蒸汽沖擊振動作用下，裂紋發生疲勞擴展，最終導致斷裂失效。

關鍵詞：鈦管 疲勞斷裂 失效分析

中圖分類號：U462.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0070-02

Analysis of the Fracture Properties of Titanium Tube for Condenser

CHEN Yuxi

（Liaoning Hongyanhe Nuclear Power Company，LTD）

Abstract：The titanium tube for condenser was broken in a Power Plant.The microstructure was observed by optical microscope and SEM.The inclusion in the specimens was identified by microscope.Inspection on ruptured titanium tube indicated that the titanium tube is fatigue fracture，the obvious striations on the microscopic fracture。More rubbing serious traces exist in the outer surface of the fracture，and titanium tube wall is thin，prone to stress concentration at rubbing，leading to crack initiation.During operation，The condenser is influenced by the steam generated by the shock and vibration under variable conditions，The steam generate impact making condenser vibration，then the crack is extended，eventually leading to fracture failure.

Key Words：titanium tube，fatigue fracture，failure analysis

某電廠主控室出現凝汽器凝結水泵出口陽電導率高報警，判斷為凝汽器海水泄漏。后續進入凝汽器汽側檢查發現鈦管斷裂一根，該斷裂鈦管位于凝汽器指尖頂部，材質為Titanium/B338 Gr2，規格為Φ22.225×0.7mm。據現場反饋斷裂鈦管周圍管間存在碰磨現象。為了分析該鈦管的斷裂性質，對斷裂鈦管進行了綜合試驗分析。

1 試驗結果

1.1 斷口宏觀檢驗

圖1為斷裂鈦管斷口的宏觀形貌，從圖中可以看出斷口平齊，沒有明顯的塑性變形特征，為脆性斷裂，且斷面碰磨嚴重。在斷口管斷面附近外壁發現一處明顯的碰磨痕跡，離斷口較遠處同樣發現兩處的明顯的碰磨痕跡，呈近似180°對稱分布。鈦管外壁及內壁整體較為光亮，未見明顯腐蝕痕跡。

1.2 常規理化檢驗

在斷裂鈦管上分別取樣進行化學成分、拉伸、壓扁、反向壓扁、擴口和金相組織檢驗分析，化學成分及拉伸測試結果見表。

檢驗結果表明，鈦管的化學成分、拉伸性能均符合ASTM B338標準中對相應等級的鈦管的要求，壓扁、反向壓扁和擴口試驗后均無肉眼可見裂紋，滿足標準要求。

圖2為斷裂鈦管試樣母材、焊縫及熱影響區金相組織照片，從金相檢驗照片可以看出，鈦管母材的金相組織為細小的等軸α相，焊縫的金相組織為鑄態片狀+少量針狀α相，焊縫及熱影響區均未見缺陷。未碰磨處內外壁均較為平整光滑，未見裂紋及腐蝕痕跡。磨損處的減薄百分比約為8.74%。

1.3 斷口微觀檢驗

采用TESCAN VEGA TS5136XM掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行微觀分析，斷口宏觀形貌、擴展區形貌及外表面碰磨區形貌見圖3。

從掃描電鏡照片可以看出，鈦管斷口宏觀上較為平整，沒有明顯的塑性變形，斷面各位置微觀上可見明顯的疲勞輝紋，疲勞輝紋的擴展方向表明，裂紋源位于②和③位置之間。斷口處及長管中段外表面碰磨痕跡形貌相似，均為環向磨痕，斷口處外表面碰磨痕跡位于斷口觀察位置的②和③位置之間，與裂紋源位置一致。

2 分析討論

綜上檢驗結果分析，凝汽器鈦管化學成分、拉伸、壓扁、反向壓扁及擴口性能均滿足ASTM B338標準的相關要求，母材及焊縫金相組織均未見異常，表明鈦管材質滿足標準要求。

發生斷裂的凝汽器鈦管位于凝汽器管束的最外層，該位置為蒸汽沖擊振動最為嚴重的地方。根據現場反饋的碰磨情況來看，第一層鈦管層間碰磨較嚴重，第一層與第二層鈦管間存在碰磨，但相對較輕，第二層與第三層鈦管間未發現碰磨痕跡，這也反映了發生斷裂的最外層管束振動最為嚴重。

鈦管斷裂斷口宏觀上為脆性斷口，微觀上可見明顯的疲勞輝紋，表明鈦管的斷裂性質為疲勞斷裂。在斷口處的外表面存在較為嚴重的碰磨痕跡，而鈦管本身壁厚較薄，在碰磨處易產生應力集中，導致裂紋的萌生。在凝汽器的運行過程中，受變工況蒸汽沖擊振動的作用下，裂紋發生疲勞擴展，最終導致斷裂失效。

3 結語

通過對凝汽器鈦管的宏觀檢查、理化性能檢測及微觀分析發現，鈦管在沖擊振動的作用下發生了疲勞斷裂失效，鈦管管束間外表面發生的碰磨損傷是導致疲勞斷裂的起因。

為了電廠運行穩定安全，預防類似事故的再次發生，建議：（1）對凝汽器鈦管進行普查，排除鈦管存在摩擦損傷等表面缺陷；（2）對凝汽器鈦管間加裝防振條；（3）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；（4）加強凝汽器的穩定運行控制，減少變工況運行。

參考文獻

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