凝汽器钛管断裂性质分析

陈玉喜++单秉昆

摘 要：某电厂凝汽器钛管发生断裂，使用光学显微镜、扫描电子显微镜电镜等手段对断口形貌和微观组织进行观察。经对断裂钛管的检验分析，钛管断口微观上可见明显的疲劳辉纹，表明钛管的断裂性质为疲劳断裂。在断口处的外表面存在较为严重的碰磨痕迹，而钛管本身壁厚较薄，在碰磨处易产生应力集中，导致裂纹萌生。凝汽器运行过程中，在变工况蒸汽冲击振动作用下，裂纹发生疲劳扩展，最终导致断裂失效。

关键词：钛管 疲劳断裂 失效分析

中图分类号：U462.3 文献标识码：A 文章编号：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

某电厂主控室出现凝汽器凝结水泵出口阳电导率高报警，判断为凝汽器海水泄漏。后续进入凝汽器汽侧检查发现钛管断裂一根，该断裂钛管位于凝汽器指尖顶部，材质为Titanium/B338 Gr2，规格为Φ22.225×0.7mm。据现场反馈断裂钛管周围管间存在碰磨现象。为了分析该钛管的断裂性质，对断裂钛管进行了综合试验分析。

1 试验结果

1.1 断口宏观检验

图1为断裂钛管断口的宏观形貌，从图中可以看出断口平齐，没有明显的塑性变形特征，为脆性断裂，且断面碰磨严重。在断口管断面附近外壁发现一处明显的碰磨痕迹，离断口较远处同样发现两处的明显的碰磨痕迹，呈近似180°对称分布。钛管外壁及内壁整体较为光亮，未见明显腐蚀痕迹。

1.2 常规理化检验

在断裂钛管上分别取样进行化学成分、拉伸、压扁、反向压扁、扩口和金相组织检验分析，化学成分及拉伸测试结果见表。

检验结果表明，钛管的化学成分、拉伸性能均符合ASTM B338标准中对相应等级的钛管的要求，压扁、反向压扁和扩口试验后均无肉眼可见裂纹，满足标准要求。

图2为断裂钛管试样母材、焊缝及热影响区金相组织照片，从金相检验照片可以看出，钛管母材的金相组织为细小的等轴α相，焊缝的金相组织为铸态片状+少量针状α相，焊缝及热影响区均未见缺陷。未碰磨处内外壁均较为平整光滑，未见裂纹及腐蚀痕迹。磨损处的减薄百分比约为8.74%。

1.3 断口微观检验

采用TESCAN VEGA TS5136XM扫描电子显微镜对断口形貌进行微观分析，断口宏观形貌、扩展区形貌及外表面碰磨区形貌见图3。

从扫描电镜照片可以看出，钛管断口宏观上较为平整，没有明显的塑性变形，断面各位置微观上可见明显的疲劳辉纹，疲劳辉纹的扩展方向表明，裂纹源位于②和③位置之间。断口处及长管中段外表面碰磨痕迹形貌相似，均为环向磨痕，断口处外表面碰磨痕迹位于断口观察位置的②和③位置之间，与裂纹源位置一致。

2 分析讨论

综上检验结果分析，凝汽器钛管化学成分、拉伸、压扁、反向压扁及扩口性能均满足ASTM B338标准的相关要求，母材及焊缝金相组织均未见异常，表明钛管材质满足标准要求。

发生断裂的凝汽器钛管位于凝汽器管束的最外层，该位置为蒸汽冲击振动最为严重的地方。根据现场反馈的碰磨情况来看，第一层钛管层间碰磨较严重，第一层与第二层钛管间存在碰磨，但相对较轻，第二层与第三层钛管间未发现碰磨痕迹，这也反映了发生断裂的最外层管束振动最为严重。

钛管断裂断口宏观上为脆性断口，微观上可见明显的疲劳辉纹，表明钛管的断裂性质为疲劳断裂。在断口处的外表面存在较为严重的碰磨痕迹，而钛管本身壁厚较薄，在碰磨处易产生应力集中，导致裂纹的萌生。在凝汽器的运行过程中，受变工况蒸汽冲击振动的作用下，裂纹发生疲劳扩展，最终导致断裂失效。

3 结语

通过对凝汽器钛管的宏观检查、理化性能检测及微观分析发现，钛管在冲击振动的作用下发生了疲劳断裂失效，钛管管束间外表面发生的碰磨损伤是导致疲劳断裂的起因。

为了电厂运行稳定安全，预防类似事故的再次发生，建议：（1）对凝汽器钛管进行普查，排除钛管存在摩擦损伤等表面缺陷；（2）对凝汽器钛管间加装防振条；（3）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；（4）加强凝汽器的稳定运行控制，减少变工况运行。

参考文献

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