材料失效分析报告

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;

第四,开停机时产生的短时温度梯度及其变化,管子因热变形量使个别钛管在支撑板处发生受压后偏心接触,从而产生局部的选择性磨损;

第五,停机检修时,沉积在管板镗孔处的腐蚀物与钛管表面形成了电偶腐蚀;

第六,根据工艺要求,旁侧高压蒸汽释放时会有流体冲击和震动效应,对与蒸汽直接接触的钛管表面产生了冲刷磨损和空泡腐蚀效应。但这仅是一种个别现象。

以上因素中的一种或多种的相互作用导致了钛管管壁减薄的发生。

5.建议改善措施

针对以上的结论,提出以下的措施对策以避免发生异常减薄:

第一,凡是引起管壁减薄严重的支撑板镗孔,在停机检修时在有可能的操作条件下进行打磨平整处理,对孔径不均匀性也要进行加工,以消除镗孔加工缺陷对管子产生的选择性接触磨损。

第二,每次停机维护时,支撑板侧面的锈蚀物要尽量清理干净,防止其流挂沉积到镗孔内对管子产生不规则接触磨损。

第三,在凝汽器停机检查时,要避免任何异物包括小颗粒的带入,所有异物要清理干净,防止异物沉积在镗孔内对管子产生不规则的接触磨损。

第四,确保整个机组工艺参数的运行稳定性,要控制好温度和压力的波动在允许的范围内,特别要注意旁侧过饱和高压蒸汽的释放对附近钛管产生的局部冲刷磨损和空泡腐蚀等损伤效应。

第五,建议对其他内圈的传热钛管壁厚进行适当的检测,尽量做到预防在先。

爱人者，人恒爱之；敬人者，人恒敬之；宽以济猛，猛以济宽，政是以和。将军额上能跑马，宰相肚里能撑船。

最高贵的复仇是宽容。有时宽容引起的道德震动比惩罚更强烈。

君子贤而能容罢，知而能容愚，博而能容浅，粹而能容杂。

宽容就是忘却，人人都有痛苦，都有伤疤，动辄去揭，便添新创，旧痕新伤难愈合，忘记昨日的是非，忘记别人先前对自己的指责和谩骂，时间是良好的止痛剂，学会忘却，生活才有阳光，才有欢乐。

不要轻易放弃感情，谁都会心疼；不要冲动下做决定，会后悔一生。也许只一句分手，就再也不见；也许只一次主动，就能挽回遗憾。

世界上没有不争吵的感情，只有不肯包容的心灵；生活中没有不会生气的人，只有不知原谅的心。

感情不是游戏，谁也伤不起；人心不是钢铁，谁也疼不起。好缘分，凭的就是真心真意；真感情，要的就是不离不弃。

爱你的人，舍不得伤你；伤你的人，并不爱你。你在别人心里重不重要，自己可以感觉到。所谓华丽的转身，都有旁人看不懂的情深。

人在旅途，肯陪你一程的人很多，能陪你一生的人却很少。谁在默默的等待，谁又从未走远，谁能为你一直都在？

这世上，别指望人人都对你好，对你好的人一辈子也不会遇到几个。人心只有一颗，能放在心上的人毕竟不多；感情就那么一块，心里一直装着你其实是难得。

动了真情，情才会最难割；付出真心，心才会最难舍。

你在谁面前最蠢，就是最爱谁。其实恋爱就这么简单，会让你智商下降，完全变了性格，越来越不果断。

所以啊，不管你有多聪明，多有手段，多富有攻击性，真的爱上人时，就一点也用不上。

这件事情告诉我们。谁在你面前很聪明，很有手段，谁就真的不爱你呀。

遇到你之前，我以为爱是惊天动地，爱是轰轰烈烈抵死缠绵；我以为爱是荡气回肠，爱是热血沸腾幸福满满。

我以为爱是窒息疯狂，爱是炙热的火炭。婚姻生活牵手走过酸甜苦辣温馨与艰难，我开始懂得爱是经得起平淡。

爱人者，人恒爱之；敬人者，人恒敬之；宽以济猛，猛以济宽，政是以和。将军额上能跑马，宰相肚里能撑船。

最高贵的复仇是宽容。有时宽容引起的道德震动比惩罚更强烈。

君子贤而能容罢，知而能容愚，博而能容浅，粹而能容杂。

宽容就是忘却，人人都有痛苦，都有伤疤，动辄去揭，便添新创，旧痕新伤难愈合，忘记昨日的是非，忘记别人先前对自己的指责和谩骂，时间是良好的止痛剂，学会忘却，生活才有阳光，才有欢乐。

不要轻易放弃感情，谁都会心疼；不要冲动下做决定，会后悔一生。也许只一句分手，就再也不见；也许只一次主动，就能挽回遗憾。

世界上没有不争吵的感情，只有不肯包容的心灵；生活中没有不会生气的人，只有不知原谅的心。

感情不是游戏，谁也伤不起；人心不是钢铁，谁也疼不起。好缘分，凭的就是真心真意；真感情，要的就是不离不弃。

爱你的人，舍不得伤你；伤你的人，并不爱你。你在别人心里重不重要，自己可以感觉到。所谓华丽的转身，都有旁人看不懂的情深。

人在旅途，肯陪你一程的人很多，能陪你一生的人却很少。谁在默默的等待，谁又从未走远，谁能为你一直都在？

这世上，别指望人人都对你好，对你好的人一辈子也不会遇到几个。人心只有一颗，能放在心上的人毕竟不多；感情就那么一块，心里一直装着你其实是难得。

动了真情，情才会最难割；付出真心，心才会最难舍。

你在谁面前最蠢，就是最爱谁。其实恋爱就这么简单，会让你智商下降，完全变了性格，越来越不果断。

所以啊，不管你有多聪明，多有手段，多富有攻击性，真的爱上人时，就一点也用不上。

这件事情告诉我们。谁在你面前很聪明，很有手段，谁就真的不爱你呀。

遇到你之前，我以为爱是惊天动地，爱是轰轰烈烈抵死缠绵；我以为爱是荡气回肠，爱是热血沸腾幸福满满。

我以为爱是窒息疯狂，爱是炙热的火炭。婚姻生活牵手走过酸甜苦辣温馨与艰难，我开始懂得爱是经得起平淡。