凝汽器钛管断裂失效分析

袁小会，蔡逸飞

（1．武汉软件工程职业学院机械工程学院，湖北 武汉 430205；2．ALSTOM（武汉）工程技术有限公司，湖北 武汉 430060）

0 引 言

钛合金管作为一种优异的耐腐蚀材料被广泛用于恶劣条件下的凝汽器等设备中［1－2］，尤其在临海核电站，以海水作为循环冷却介质的凝汽器，其关键热交换部件的管束材料几乎全部采用钛管［3－5］．长期处于矿物盐侵蚀和海水冲击作用等恶劣工况下，钛管时有发生断裂失效，导致管束泄露，严重影响凝汽器的安全运行．

本文针对国内某核电机组凝汽器定期大修中发现的断裂钛管部件出现的材料失效现象展开分析，通过检查分析断裂钛管的宏观位置结构及对失效材料的微观形貌、材料成分等进行分析，并结合类似设备失效分析的经验，探讨了凝汽器钛管断裂失效的原因，提出了预防和维护措施．

1 凝汽器外观形貌及钛管断裂失效位置检查

图1为凝汽器的外观形貌（图1（a））和内部管板结构（图1（b））示意图．

图2为失效钛管的分布位置示意图，检修过程中发现断裂失效的钛管处于顶端位置（见图2）在水流方向距离进水端管板6 800 mm和8 660 mm处发现两处断裂，同时发现裂纹附近管内壁有积垢存在．使用渗透剂检查，发现裂纹呈圆周方向分布，如图3所示．

图1 凝汽器外观形貌及内部钛管管板布置Fig．1 Condenser external appearance and titanium tubes structure

图2 钛管断裂失效位置Fig．2 Titanium tube fracture defects position

图3 钛管裂纹检查Fig．3 Titanium tube cracks visual inspection

2 钛管材质检验

2．1 化学成分分析

采用等离子体原子发射光谱法、红外碳硫气体分析仪和氮氧氢气体层析仪测定材料中所含Fe、C、N、O、H元素的质量分数，测量结果如表1所示，所检测的钛管中杂质元素的质量分数低于国家标准中规定的值，可见使用的钛管材质符合设计规范．

表1 失效钛管化学成分Table 1 Chemical compositions of the failed titanium tube

2．2 力学性能试验

按照ASME SA370《钢制品力学性能试验方法及定义》对失效钛管进行拉伸试验及扩口、压扁和反压扁测试，试验结果如表2和图4所示．试验结果表明，在役钛管的力学性能符合国家标准 GB／T 3620．1－2007 和 ASTM B338 标 准 的要求．

表2 钛管力学性能Table 1 Tensile properties of the titanium tube

图4 钛管力学性能检查Fig．4 Mechanical Tests of Titanium tube

2．3 金相组织检验

对在役钛管进行了金相组织检验，如图5所示，结果显示材料为典型α相钛显微组织，晶粒分布及大小均匀，未见晶间缺陷，符合钛金属材料的金相组织特征．

图5 钛管金相组织检查Fig．5 Microstructure inspection on Titanium tube

3 断口微观形貌检查

采用扫描电子显微镜（SEM）对断裂处的显微形貌进行观察和分析，如图6所示，可以看到断口的裂纹源于钛管的内壁，逐渐向外扩展．图6（b）中显示管内表面存在裂纹，而在图6（c）中所示的外表面完整．图6（d）更清晰地表征了内表面的微裂纹，证明裂纹萌生于钛管的内壁．

图6 钛管裂纹断口SEM照片Fig．6 SEM morphologies of the cracks on titanium tube

为了进一步分析钛管材料微裂纹产生的原因，对管内壁裂纹源处采样进行微观分析．如图7中虚线所示，发现裂纹附近内表面存在疑似矿物盐等异质结晶现象．

图7 钛管裂纹源晶体SEM照片Fig．7 SEM morphologies of the failed titanium crystal

4 失效机理分析

两处断裂失效钛管的位置均在凝汽器管束的最上层，开裂位置位于钛管长度方向两管板的中间位置（如图2所示），该位置为蒸汽冲击振动最为严重的地方．在机组的调试、运行工况下，尤其是调试阶段，机组的启停、变工况运行均会对凝汽器冷却管造成严重的冲击作用，导致材料的破坏．

凝汽器顶部蒸汽温度最高，进入顶部钛管内部的海水在一定的条件下可能汽化形成液气两相，管内壁局部海水会蒸发析出异质盐分结晶．虽然钛金属的耐腐蚀能力较高，在钛管的局部表面仍然会发生海盐的侵蚀现象．

在凝汽器长期的运行过程中，一方面管束顶部的钛管受变工况蒸汽冲击产生振动，在管板中间处的管束容易产生材料的疲劳失效；另一方面在管内局部高温位置，钛管内壁存在材料的侵蚀．在冲击振动和材料表面侵蚀的双重作用下，钛管局部形成材料的疲劳腐蚀，最终导致断裂失效．

5 结论和建议

通过对凝汽器两处断裂失效钛管的宏观检查和微观表征，分析发现钛管受疲劳腐蚀导致了最终的断裂失效；管材局部受冲击振动作用是材料失效的因素之一，管内壁表面发生的侵蚀是导致材料疲劳破坏的起因．

针对以上分析，提出以下预防和维护措施：（1）加强管材的加工质量控制，消除原始材料缺陷，在运行过程中，重点做好顶部管束的质量监控；（2）凝汽器运行前排空水室顶部的空气，减少启动阶段蒸汽的冲击振动；（3）加强凝汽器的稳定运行控制，减少变工况运行．

致谢

感谢湖北省教育厅科学技术研究项目组对本研究的支持与帮助．

［1］YANG Z G，GONG Y，YUAN J Z．Failure analysis of leakage on titanium tubes within heat exchangers in a nuclear power plant，Part II：Mechanical degradation［J］．Materials and Corrosion，2012，63（1）：18－28．

［2］杨振国．核电装置换热器的失效分析及其解决对策［J］．金属热处理，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）

［3］陈明辉，厉日竹，何晓艳，等．一体化核反应堆套管管束式换热器设计与试验［J］．清华大学学报：自然科学版，2006，46（12）：29－33．CHEN Ming－hui，LI Ri－zhu，HE Xiao－yan，et al．Design and tests of a double－tube bundle heat exchanger for an integrated nuclear reactor［J］．Journal of Tsinghua University （Science and Technology），2006，46（12）：29－33．（in Chinese）

［4］GONG Y，YAO C，YANG Z G，et al．Acidic／Caustic alternating corrosion on carbon steel pipes in heat exchanger of ethylene plan［J］．Materials and Corrosion，2011，62（10）：967－978．

［5］陈锡雄．防止海水腐蚀的措施与效果［J］．电力建设，2001，22（5）：34－36．CHEN Xi－xiong．Measures to protect corrosion of seawater and results［J］．Electric Power Construc－tion，2001，22（5）：34－36．（in Chinese）

［6］GB／T 3620．1－2007钛 及 钛 合 金 牌 号 和 化 学 成 分［S］．北京：中国标准出版社，2007．GB／T 3620．1－2007 Designation and composition of titanium and titanium Alloys ［S］．Beijing：China Standards Publishing House，2007．（in Chinese）

［7］ASME SEC II B SB－338－2001．Standard specification for seamless and welded titanium and titanium alloy tubes for condensers and heat exchangers．ASTM B338－99［S］．2001．