钛管外壁异常减薄原因分析

钛管外壁异常减薄原因分析

在中国的沿海电站，钛管作为一种优良的耐水性材料，通常用于热交换器、冷凝装置和其他设备。然而，与其他设备相比，钛管通常在蒸汽、侵蚀磨损和复合侵蚀等应用上遇到磨损和侵蚀磨损的交互作用。如果钛管损坏或泄漏，这将对设备乃至整个设备的安全运行产生重大影响。本文主要针对秦山三期核电机组1#机组已运行8年的凝汽器内个别钛管出现外壁局部异常减薄的现象开展失效分析.首先对凝汽器内钛管所处位置进行了现场检查,然后对减薄钛管采用了一系列方法对损伤区的宏微观形貌、微区成分、组织结构等进行了测试与分析.最后,结合我们以前对一些重大设备的失效分析取得的经验和成果[10,11,12,13,14,15,16,17],确定了异常减薄失效的根本原因,并根据实际情况,提出了相应的预防措施.1原因分析.凝汽器外形如图1(a)所示,内部管板排列结构如图1(b)所示.管侧为海水,壳侧为冷凝水和水蒸气.在现场检测中发现钛管的异常减薄主要出现在管板排列的外侧.同时,发现支撑板附近的钛管有明显的锈蚀物沉积,见图1(c).本文将针对钛管异常减薄的典型样品进行原因分析.2材料测试2.1杂质元素测试采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定Fe含量,红外碳硫气体分析仪测定C含量,氮氧氢气体层析仪测定N、O、H含量,测试结果见表1,在役钛管中杂质元素含量的比两标准规定的上限数据要低很多,可见钛管材质基本符合设计规范所要求的标准.2.2力学性能测试对在役钛管进行了金相组织检验,见图2.可以看出其为典型的α相钛显微组织,晶粒分布均匀,大小匀称,晶界清晰,没有可见的缺陷,符合纯钛材料的金相组织特征.对在役钛管进行了拉伸试验,测试及其式样加工按ASMESA370《钢制品力学性能试验方法及定义》标准执行.表2为拉伸测试结果.其屈服强度、拉伸强度和延伸率等性能均符合标准.采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)对拉伸断口的显微形貌进行观察和分析.断口具有剪切韧带和韧窝孔,呈明显的韧性断裂特征,说明断裂前经历了充分的塑性变形,见图3(a).进一步放大后见图3(b),韧窝孔内基本上没有夹杂物,表明材料的微观结构良好.因此,可以认定在役钛管的力学性能保持良好,不存在任何的劣化现象.3撑板接触处的黑色沉积物几乎所有1#机组的缺陷管底部及在支撑板接触处均有可刮落的黑色沉积物.为查明这种沉积物的属性,对其进行热重分析(TGA)和红外分析(FTIR).3.1沉积物的质量损失由热重分析法对沉积物分析可知,当温度从室温升至800℃的过程中,黑色沉积物的质量共损失了约7.7%.在200℃以下,沉积物的质量损失主要是水分气化;在200℃到700℃之间,其质量损失主要是有机物成分.因此,沉积物主要是高沸点的无机物.3.2铁fe3o4图4为用FTIR检测的黑色沉积物红外光谱波谱图.结果表明在563cm-1处有四氧化三铁(Fe3O4)的强特征吸收峰,说明混合物中主要成分是Fe3O4,其形成原因是碳钢支撑板在停机期间由于空气进入发生了锈蚀,而后锈蚀物流挂沉积于支撑板镗孔处及管壁的底部.4分析薄带的形状4.1管b磨损区对具有典型管壁减薄特征的管A和管B的磨损减薄区进行了宏观上的观察,见图5.管A磨损区是沿着整个环向呈360°分布的,表面光滑发亮呈银白色,磨损宽度为10mm左右.另外,沿着管子环向有很明显的较粗的磨损条存在(图5(a)),该位置恰好处在支撑板镗孔边缘接触处,显然是一种选择性的局部接触磨损.管B的磨损区主要集中于一侧范围,另一侧无明显的磨损区痕迹.磨损区光滑呈银色,磨损程度较轻.但在磨损区存在着肉眼可观察到的不规则弯曲“S”形犁沟槽(图5(b)).该槽上方边缘长度约为10mm,平行于轴向,纵向长度约为7mm.4.2抗磨粒体能谱分析图6为管A进行SEM观察的微观形貌.宏观上磨损区表面较为光滑(图6(a)).放大后可以发现磨损区具有沿着轴向整齐分布的、很细的、平行分布的磨损划痕线(图6(b)),这是管外壁沿轴线与镗孔之间由于热应力作用发生微震动而产生的;而环向有颜色较深的条状沉积物(图6(c)).对条状沉积物放大并进行能谱分析(图6(c)),其主要元素为Ti,O,Fe,且三者原子比约为TiFe19O29,可推测沉积物主要为在钛管表面上沉积的铁氧化物,包括支撑板镗孔内钛管与碳钢板接触磨损后所产生的磨屑混合物,以及支撑板其他位置流挂到镗孔内的沉积锈蚀物.图7为管B进行SEM观察的微观形貌.宏观上磨损区表面较为光滑(图7(a)),可以清晰地看到因异物颗粒发生三体磨损而形成的犁沟槽(图7(b)).同样在磨损区发现具有方向性的磨损划痕与条状沉积物(图7(c)).对条状沉积物进行能谱分析,其主要元素为Ti,O,Fe,且三者原子比与管A相同均为TiFe19O29,因此推测沉积物亦为在钛表面上沉积的铁氧化物,与管A类似,也是由支撑板镗孔内接触磨损产生的磨屑混合物以及从支撑板表面流挂到镗孔内的锈蚀沉积物组成.4.3态及其形貌为了进一步观察犁沟槽的形貌特征,采用了三维体式显微镜对钛管B表面磨损区进行了观察.犁沟槽的形貌与附近的磨损划痕形貌完全不同(图8(a)),应是一个硬颗粒在钛管表面附着之后,随钛管的微震动发生不规则移动,在钛管表面产生粘着磨损而形成的犁沟槽.其宽度大约在255～285μm之间(见图8(b)).5管b磨损减薄机理分析对管A、B的磨损区进行了观察和表征分析后,两管分别进行失效机理分析与讨论.管A的磨损是沿着整个环向进行的,不是仅仅在底部的磨损.这种特殊的磨损现象主要是支撑板镗孔内径和轴线加工存在偏差所引起;磨损产生的异物被堆积在镗孔壁上,加之支撑板上锈蚀物经流挂沉积在镗孔内使管子局部填高,进一步导致管子位置局部偏置.在蒸汽和水流的波动作用下,钛管在镗孔内出现了不规则震动而引起非均匀接触磨损,并随沉积物位置的改变,管子沿环向出现不同位置的接触磨损.因此,管A的磨损减薄主要是由原镗孔内径偏心及沉积的磨损物和锈蚀物使管子随机偏置,发生了由不规则震动磨损所引起的壁厚异常减薄.管B的磨损区域集中在一侧,其原因主要在于镗孔加工质量有偏差.另外,也有支撑板上锈蚀物流挂进入镗孔内,使镗孔内部凹凸不平,从而钛管在运行中因接触磨损而发生选择性的局部磨损减薄.同时,检修时有异物颗粒带入凝汽器壳侧或安装时就遗留了这类颗粒,在气流作用下个别颗粒被带入镗孔内,从而在钛管表面引起三体接触磨损,产生了不规则的犁沟槽.因此,管B的磨损减薄主要是镗孔加工有偏差及支撑板上锈蚀物流挂镗孔内,导致镗孔表面凹凸不平而发生选择性的局部磨损减薄,此外还存在因颗粒进入发生三体接触磨损而形成的特殊的犁沟槽.根据失效机理分析与讨论得出以下3条结论.(1)凝汽器管管材为TA1级α相工业纯钛管,材质的化学成分、金相组织、显微结构、力学性能等均符合要求,材质评定合格.(2)凝汽器内支撑板安装时存在部分镗孔表面加工不良与内部孔径不均匀等,这是导致有些钛管外壁异常减薄的主要原因,另一原因是支撑板表面生成的锈蚀物流挂到镗孔内引起镗孔表面凹凸不平,在两者的共同作用下,钛管在运行中与镗孔不平整表面因接触震动而引发局部的接触磨损.(3)检修时有异物颗粒带入了壳侧或安装时遗留了异物颗粒,在气流作用下个别颗粒被沉积在镗孔内,从而对钛管外壁产生了三体接触磨损.针对以上的结论,提出以下措施和对策.(1)凡是引起管壁减薄严重的支撑板镗孔,在以后停机检修时对其尽可能地打磨平