上海应用技术学院
研究生课程（论文类）试卷
2 0 15 / 2 0 16 学年第二学期
课程名称：材料失效分析与寿命评估
课程代码：NX0102003
学生姓名：丁艳花
专业﹑学号：材料化学工程 156081101 学院：材料科学与工程学院
凝汽器铁管管壁减薄的失效分析报告
1.失效现象描述
秦山第三核电公司1#700M W重水堆核能发电机组2A凝汽器。该凝汽器从2002年8月起投入使用,实际运行时间8年左右。根据资料记载,1#机组第3次例行大修时,管外壁减薄程度较轻,但在第4次例行大修时发现管外壁减薄程度加深,在2010年5月第5次例行大修时发现部分钛管外壁减薄现象相当明显。各机组凝汽器缺陷管主要分布在冷凝管塔式分布的最外侧。据专业人员介绍,大修后对缺陷管抽管检查后发现,管壁减薄主要集中在支撑板处,减薄位置和减薄程度各不相同。如果让异常减薄缺陷管继续运行,有可能引起管穿孔的泄漏事件。
2.背景描述
凝汽器是大型汽轮机循环设备中的重要环节。其中的冷凝管起到将蒸汽凝结成水的作用,是凝汽器中的核心部件。冷凝管一旦发生破损将导致冷却水泄露并污染循环水,从而会对整个系统的正常运行造成严重影响。因此冷凝管的选材质量决定了凝汽器的安全可靠性与使用寿命。工业纯钛作为冷凝管最常用的材料,具有良好的力学性能与耐蚀性能。在复杂运行工况下,纯钛材料仍有可能发生磨损、腐蚀等常见的材料失效现象,引发冷凝管破损并导致冷却水泄露并污染循环水,由此对凝汽器的正常运行带来安全隐患。若不找到这一过早失效的真正起因,并采取有效的防护措施,最终必将导致钛管泄漏,不但经济损失巨大,甚至有可能引发重大安全事故。
国内关于凝汽器钛管的案例的产生原因大致可分为以下几类：
第一类,由于相关方面施工建造时就存在不当操作或不当设计导致运行中出现落物砸伤或凝汽器自身运行故障。如国华太仓发电超临界机组发生凝汽器钛管泄露导致冷凝水水质不合格,其原因在于上部低压加热器表面隔板未按规定安装,导致隔板掉落砸伤引起泄露。再如未充分考虑到钛管共振问题由于钛管本身管壁极薄(0.5mm到0.7mm),强烈的震动极易导致铁管破裂引起泄露,这点在宝钢电厂与大亚湾核电站的运行中已经得到了证实此外还存在着钛管板间焊接质量不良，
铁管与支撑板镗孔胀接时胀接率不高等问题。
第二类,在施工安装时并未有明显问题出现,而是在具体运行中由于环境作用或检修操作而引起的。一般而言,凝汽器在运行中由于管侧通入为海洋水,因此海洋水中的异物混入是凝汽器正常运行中出现故障的一大原因。如台州发电厂凝汽器钛管发生泄漏的最主要原因即是贝类和泥沙进入管内引起磨损与冲刷。另一主要原因则是铁金属本身易发生氢脆反应,导致钛氢化物生成进而破损断裂。
国际上由于英、美、日等国率先开始钛材在发电站凝汽器的应用,因此对于这方面的研究很早就开始进行,其研究范围也相当广泛。但钛管发生故障的原因与国内的有关报道具有一定相似性。其中异物冲刷与氢脆是报道最多的两个失效原因。
Shalaby等报道的凝汽器钛管失效案例,由于海水侧贝壳等杂物进入发生磨损导致的。此外他们也报道了凝汽器内部钛管与黄铜管板发生腐蚀的案例,指出了氢脆现象在海水水温升高的环境下较易发生。
Fulford等人则通过对美国佛罗里达公司电站发生的不同几个钛管失效样品，分析发现，在海水侧的阴极保护不足情况下钛管极易发生氢脆现象进而引起冷凝器发生事故。他们利用力学与环境实验辅以模拟分析验证了这一观点
3.失效分析过程
针对该凝汽器中失效钛管的管壁异常减薄现象展开失效分析。通过现场调查和取样,并对得到的样品进行一系列的试验和分析。
为此,综合运用失效分析的基础理论与表征分析方法,从以下两方面对秦山三期核电机组凝汽器钛管的这一失效现象进行研究。首先,采用化学成分分析、金相组织观察、力学性能测试等手段对取得的在役钛管进行了检验,并对常温拉伸断口进行了微观形貌观察。结果表明,所用的工业纯钛管组织结构与各项性能均符合相应的标准要求,材质评定合格,因此失效原因主要来自于外界作用而非材质问题。其次,对发生异常减薄的冷凝管进行现场调查与取样。由于减薄管表面磨损区的位置与形貌均存在明显的差异,因此采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS),以及三维体式显微镜(3D-OM)等仪器,对磨损面进行了形貌观察与成分分析;同时,对钛管表面沉积物收集后进行了热重分析(TGA)、红外光谱分析(FTIR)
与X射线衍射分析(XRD)。结果表明,钛管管壁减薄的主要原因是由于镗孔本身加工不良、加之支撑钢板表面的锈蚀物进入导致的接触磨损。此外存在异物颗粒造成三体接触磨损,开机时热应力作用等因素,最终导致管壁异常减薄。此外,在现场调研时还发现了少量的点蚀钛管。取样后经SEM、EDS、3D-OM等分析,并结合实际运行工况后确认,这是由于旁排蒸汽作用下发生的气蚀效应所引起的。
综上分析可知,凝汽器钛管发生过早失效的主要原因是由于镗孔加工不良、支撑板表面锈蚀物流挂、异物颗粒混入、开机温度梯度热效应、旁排蒸汽影响等几方面的交互作用引起的。针对这一分析结果,提出了相应的一系列解决措施,例如镗孔检测打磨、清理支撑板表面锈蚀物等。经采纳了这一快速、简单、有效的失效分析方法及预防措施后,防止了失效的再次发生,减少了经济损失,确保了凝汽器的安全可靠运行。
4.失效分析结论
通过运用一系列表征分析方法,对秦山三期凝汽器钛管管壁异常减薄与钛管气蚀的案例进行了失效分析,得出以下结论:
①所用凝汽器钛管是TA1级a相工业纯钛管,材质的化学成分、金相组织、显微结构、力学性能等均满足ASMESB338 Gr.2标准的要求,材质评定合格。
②凝汽器管侧海水和壳侧蒸汽等环境介质及现有的温度、压力、流速等工艺参数不会对钛管产生显著的冲刷磨损和腐蚀磨损作用,但停机和启动时的温度梯度会对钛管产生短时的磨损效应。另外,旁路过饱和蒸汽的释放也会对管子产生短时的冲刷作用及震动。
③部分钛管的管壁出现了过度减薄的现象,这些缺陷管主要分布在支撑板处,其减薄原因主要有以下几个方面:
第一,安装时部分镗孔表面加工不良或镗孔不平整,导致钛管在运行时因接触震动而发生选择性的局部磨损;
第二,支撑板上生成的铁的氧化物流挂到镗孔内引起镗孔表面不平,从而在钛管随机震动下钛管与这些不平表面产生不对称的接触磨损;
第三,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,从而对钛管表面产生了三体接触磨损;
