鈦管外壁異常減薄原因分析

在中國的沿海電站，鈦管作為一種優良的耐水性材料，通常用于熱交換器、冷凝裝置和其他設備。然而，與其他設備相比，鈦管通常在蒸汽、侵蝕磨損和復合侵蝕等應用上遇到磨損和侵蝕磨損的交互作用。如果鈦管損壞或泄漏，這將對設備乃至整個設備的安全運行產生重大影響。本文主要針對秦山三期核電機組1#機組已運行8年的凝汽器內個別鈦管出現外壁局部異常減薄的現象開展失效分析.首先對凝汽器內鈦管所處位置進行了現場檢查,然后對減薄鈦管采用了一系列方法對損傷區的宏微觀形貌、微區成分、組織結構等進行了測試與分析.最后,結合我們以前對一些重大設備的失效分析取得的經驗和成果[10,11,12,13,14,15,16,17],確定了異常減薄失效的根本原因,并根據實際情況,提出了相應的預防措施.1原因分析.凝汽器外形如圖1(a)所示,內部管板排列結構如圖1(b)所示.管側為海水,殼側為冷凝水和水蒸氣.在現場檢測中發現鈦管的異常減薄主要出現在管板排列的外側.同時,發現支撐板附近的鈦管有明顯的銹蝕物沉積,見圖1(c).本文將針對鈦管異常減薄的典型樣品進行原因分析.2材料測試2.1雜質元素測試采用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)測定Fe含量,紅外碳硫氣體分析儀測定C含量,氮氧氫氣體層析儀測定N、O、H含量,測試結果見表1,在役鈦管中雜質元素含量的比兩標準規定的上限數據要低很多,可見鈦管材質基本符合設計規范所要求的標準.2.2力學性能測試對在役鈦管進行了金相組織檢驗,見圖2.可以看出其為典型的α相鈦顯微組織,晶粒分布均勻,大小勻稱,晶界清晰,沒有可見的缺陷,符合純鈦材料的金相組織特征.對在役鈦管進行了拉伸試驗,測試及其式樣加工按ASMESA370《鋼制品力學性能試驗方法及定義》標準執行.表2為拉伸測試結果.其屈服強度、拉伸強度和延伸率等性能均符合標準.采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜(EDS)對拉伸斷口的顯微形貌進行觀察和分析.斷口具有剪切韌帶和韌窩孔,呈明顯的韌性斷裂特征,說明斷裂前經歷了充分的塑性變形,見圖3(a).進一步放大后見圖3(b),韌窩孔內基本上沒有夾雜物,表明材料的微觀結構良好.因此,可以認定在役鈦管的力學性能保持良好,不存在任何的劣化現象.3撐板接觸處的黑色沉積物幾乎所有1#機組的缺陷管底部及在支撐板接觸處均有可刮落的黑色沉積物.為查明這種沉積物的屬性,對其進行熱重分析(TGA)和紅外分析(FTIR).3.1沉積物的質量損失由熱重分析法對沉積物分析可知,當溫度從室溫升至800℃的過程中,黑色沉積物的質量共損失了約7.7%.在200℃以下,沉積物的質量損失主要是水分氣化;在200℃到700℃之間,其質量損失主要是有機物成分.因此,沉積物主要是高沸點的無機物.3.2鐵fe3o4圖4為用FTIR檢測的黑色沉積物紅外光譜波譜圖.結果表明在563cm-1處有四氧化三鐵(Fe3O4)的強特征吸收峰,說明混合物中主要成分是Fe3O4,其形成原因是碳鋼支撐板在停機期間由于空氣進入發生了銹蝕,而后銹蝕物流掛沉積于支撐板鏜孔處及管壁的底部.4分析薄帶的形狀4.1管b磨損區對具有典型管壁減薄特征的管A和管B的磨損減薄區進行了宏觀上的觀察,見圖5.管A磨損區是沿著整個環向呈360°分布的,表面光滑發亮呈銀白色,磨損寬度為10mm左右.另外,沿著管子環向有很明顯的較粗的磨損條存在(圖5(a)),該位置恰好處在支撐板鏜孔邊緣接觸處,顯然是一種選擇性的局部接觸磨損.管B的磨損區主要集中于一側范圍,另一側無明顯的磨損區痕跡.磨損區光滑呈銀色,磨損程度較輕.但在磨損區存在著肉眼可觀察到的不規則彎曲“S”形犁溝槽(圖5(b)).該槽上方邊緣長度約為10mm,平行于軸向,縱向長度約為7mm.4.2抗磨粒體能譜分析圖6為管A進行SEM觀察的微觀形貌.宏觀上磨損區表面較為光滑(圖6(a)).放大后可以發現磨損區具有沿著軸向整齊分布的、很細的、平行分布的磨損劃痕線(圖6(b)),這是管外壁沿軸線與鏜孔之間由于熱應力作用發生微震動而產生的;而環向有顏色較深的條狀沉積物(圖6(c)).對條狀沉積物放大并進行能譜分析(圖6(c)),其主要元素為Ti,O,Fe,且三者原子比約為TiFe19O29,可推測沉積物主要為在鈦管表面上沉積的鐵氧化物,包括支撐板鏜孔內鈦管與碳鋼板接觸磨損后所產生的磨屑混合物,以及支撐板其他位置流掛到鏜孔內的沉積銹蝕物.圖7為管B進行SEM觀察的微觀形貌.宏觀上磨損區表面較為光滑(圖7(a)),可以清晰地看到因異物顆粒發生三體磨損而形成的犁溝槽(圖7(b)).同樣在磨損區發現具有方向性的磨損劃痕與條狀沉積物(圖7(c)).對條狀沉積物進行能譜分析,其主要元素為Ti,O,Fe,且三者原子比與管A相同均為TiFe19O29,因此推測沉積物亦為在鈦表面上沉積的鐵氧化物,與管A類似,也是由支撐板鏜孔內接觸磨損產生的磨屑混合物以及從支撐板表面流掛到鏜孔內的銹蝕沉積物組成.4.3態及其形貌為了進一步觀察犁溝槽的形貌特征,采用了三維體式顯微鏡對鈦管B表面磨損區進行了觀察.犁溝槽的形貌與附近的磨損劃痕形貌完全不同(圖8(a)),應是一個硬顆粒在鈦管表面附著之后,隨鈦管的微震動發生不規則移動,在鈦管表面產生粘著磨損而形成的犁溝槽.其寬度大約在255～285μm之間(見圖8(b)).5管b磨損減薄機理分析對管A、B的磨損區進行了觀察和表征分析后,兩管分別進行失效機理分析與討論.管A的磨損是沿著整個環向進行的,不是僅僅在底部的磨損.這種特殊的磨損現象主要是支撐板鏜孔內徑和軸線加工存在偏差所引起;磨損產生的異物被堆積在鏜孔壁上,加之支撐板上銹蝕物經流掛沉積在鏜孔內使管子局部填高,進一步導致管子位置局部偏置.在蒸汽和水流的波動作用下,鈦管在鏜孔內出現了不規則震動而引起非均勻接觸磨損,并隨沉積物位置的改變,管子沿環向出現不同位置的接觸磨損.因此,管A的磨損減薄主要是由原鏜孔內徑偏心及沉積的磨損物和銹蝕物使管子隨機偏置,發生了由不規則震動磨損所引起的壁厚異常減薄.管B的磨損區域集中在一側,其原因主要在于鏜孔加工質量有偏差.另外,也有支撐板上銹蝕物流掛進入鏜孔內,使鏜孔內部凹凸不平,從而鈦管在運行中因接觸磨損而發生選擇性的局部磨損減薄.同時,檢修時有異物顆粒帶入凝汽器殼側或安裝時就遺留了這類顆粒,在氣流作用下個別顆粒被帶入鏜孔內,從而在鈦管表面引起三體接觸磨損,產生了不規則的犁溝槽.因此,管B的磨損減薄主要是鏜孔加工有偏差及支撐板上銹蝕物流掛鏜孔內,導致鏜孔表面凹凸不平而發生選擇性的局部磨損減薄,此外還存在因顆粒進入發生三體接觸磨損而形成的特殊的犁溝槽.根據失效機理分析與討論得出以下3條結論.(1)凝汽器管管材為TA1級α相工業純鈦管,材質的化學成分、金相組織、顯微結構、力學性能等均符合要求,材質評定合格.(2)凝汽器內支撐板安裝時存在部分鏜孔表面加工不良與內部孔徑不均勻等,這是導致有些鈦管外壁異常減薄的主要原因,另一原因是支撐板表面生成的銹蝕物流掛到鏜孔內引起鏜孔表面凹凸不平,在兩者的共同作用下,鈦管在運行中與鏜孔不平整表面因接觸震動而引發局部的接觸磨損.(3)檢修時有異物顆粒帶入了殼側或安裝時遺留了異物顆粒,在氣流作用下個別顆粒被沉積在鏜孔內,從而對鈦管外壁產生了三體接觸磨損.針對以上的結論,提出以下措施和對策.(1)凡是引起管壁減薄嚴重的支撐板鏜孔,在以后停機檢修時對其盡可能地打磨平