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核电站用板式换热器失效分析点击：1955 日期：[ 2014-04-26 21:35:41 ] |
| 核电站用板式换热器失效分析 何西扣, 董 毅, 朱衍勇 (钢铁研究总院,北京100081) 摘 要:考察了核电站用钛板换热器裂纹和穿孔等失效现象,采用断口分析、表面宏观和微观形态分析、材料化学成分分析、金相组织分析等方法分析换热器失效原因。结果表明:钛板换热器成形加工的强烈变形区存在较严重的损伤缺陷,并且在工作中存在振动,是导致钛板换热器疲劳开裂失效的主要原因;海水侧微粒的冲蚀作用是换热钛板穿孔失效的主要原因。 关键词:板式换热器;核电站;穿孔;疲劳;失效分析 中图分类号:TQ 051 文献标志码:A 文章编号:1001-0777(2010)02-0055-05 板式换热器是一种高效紧凑换热设备,其波纹板间的网状流道使流体在很低的流速下即可形成高的湍流,流体阻力小,板面不易结垢,此外还具有占地面积小、节约材料与维护方便等优点,广泛应用于机械、化工、石化、冶金和电力等领域。多年来,国内外核电站一直采用板式换热器作为设备冷却水系统热交换的核心设备。核电站环境条件特殊,设备冷却系统的板式换热器一般为液-液换热,热侧为设备冷却除盐水,冷侧则为海水。然而天然海水通常含有泥沙,且盐分和氯离子含量高,有较强的磨损腐蚀作用,一旦换热器在设计、选材、制造、安装和维护等环节处理不当,便会在海水环境下形成选择性的磨损腐蚀工况,大大缩短使用寿命。因而,换热器在海水介质下是否能正常运行,将直接关系到整个核电装置的寿命长短及其结构完整性。 文章研究的是某滨海地区核电站槽形钛制板式换热器发生过早泄漏失效的原因。该换热器投入使用5年后有少量槽形板出现漏水现象,但是更换采购来的新槽形板后,运行数月即发生漏水失效现象。 1·换热器使用工况 失效的M10-BFML型板式换热器槽形钛板的形状见图1。板式换热器主要由固定板、换热板片、槽型板、悬挂横梁、拉紧螺栓、活动压紧板、导杆和固定支座等组成。在内部循环的除盐水和海水从各自入口流经换热器,通过槽形换热板进行热交换。热交换器工作参数为:海水侧压力为0·6MPa,除盐水侧压力为0·15MPa;除盐水最高温度为39℃。核电站设备冷却系统用板式换热器主要换热元件板片的材料为工业纯钛,其材料必须符合核电站适用的规范及标准,即符合文献[1-2]的规定。为了查明钛板换热器失效原因,对失效的M10-BFML型板式热交换器槽形钛板,进行综合分析。 2·失效分析 通过对失效换热器原装板和后来更换的采购板的材料化学成分、金相组织、硬度分布特征的分析和失效位置表面和断口的宏观和微观特征检查,分析导致换热器结构中槽形钛板失效的原因。 2.1 宏观分析 原装板和更换板失效件的宏观形貌如图2。原装板是在槽形区域内出现不规则裂纹,裂纹中部有一小孔洞,肉眼观察裂纹没有宏观变形和开口,裂纹面基本垂直表面,走向不规则,但基本沿着主要宽槽的边缘,并处在槽的边缘的变形曲面上,如图2(a)中箭头所示。原装板穿透性孔洞出现在海水入口部位的板边缘附近,穿孔呈椭圆形,椭圆孔的长轴与海水入口方向一致。观察钛板两面的特征可以看出,海水进入面除了穿透性小孔外,还有很多与小孔方向相似的凹坑。除盐水接触面上没有看到类似凹坑,显然孔洞的形成起源于海水侧表面[图2(b)]。 更换板出现了边部大裂纹,见图2(c)中箭头所示,裂纹很直,完全沿着边部宽槽的边缘,并处在槽边缘的变形曲面上。仔细观察裂纹面附近存在少量变形,裂纹局部走向是沿着板成型加工过程中形成的高变形带,因此从断面正方向看断面呈波浪形。其宏观形态具有应变损伤导致开裂的特征。 2.2 材料化学成分分析 失效原装和更换钛板的化学成分(质量分数,%)分析结果见表1。由于样品太薄,O和H两元素无法进行检测。对照看出,两种薄板的成分相近,均为工业纯钛,材料符合压水堆核岛机械设备设计和建造规则[2]M4401钛及钛合金的要求。 2.3 表面及断口显微分析 在扫描电镜下分析换热片失效区域表面和断口的微观特征(图3、图4和图5)。 图3是原装板穿孔区海水侧表面的形貌,可以看到密集的冲刷形成的微坑,微坑的尺寸为微米或亚微米级,用能谱分析未见腐蚀性介质成分。看出穿孔是海水中微粒对局部表面冲蚀的结果。图4是原装板裂纹失效区表面和断口的微观特征,低倍断口面较平,为低应力断裂特征,高倍下看出主断面为穿晶疲劳断口[图4(a)]。断口附近表面可以观察到大量变形损伤裂口[图4(b),(c))],裂口有一定的方向性,有的裂口尖端延伸出细长的微裂纹[图4(d)],这是典型的由损伤缺陷形核的疲劳裂纹。断口附近表面因组织强烈变形,显露出凹凸不平的晶粒组织结构和形变滑移线。其他强烈变形区表面也能观察到类似的损伤缺陷。看出裂纹是在变形损伤缺陷的基础上形成的,属于疲劳裂纹。 图5是更换板的断口形貌及附近的表面形貌。断面上可以看到很典型的裂纹疲劳扩展形成的穿晶疲劳辉纹,如图5(b)中箭头所指。断口附近表面存在大量变形损伤缺陷,缺陷呈之字形裂口状,显露出晶粒组织浮凸,看出这是钛板材料制造变形过程中形成的损伤缺陷。在断口附近另一面有尖细的平行断面的疲劳微裂纹。 断口显微分析结果表明:原装钛板中的孔洞属于海水中微粒冲刷形成的孔洞,冲刷微粒的尺寸为微米级。原装钛板和更换钛板中裂纹都属于疲劳裂纹,是在钛板冷加工成形的强烈变形区损伤缺陷的基础上形成的疲劳裂纹,在钛板上各强烈变形位置均能观察到不同程度的变形损伤缺陷。 2.4 金相组织和硬度检验 分别从原装和更换钛板上截取金相试样,经镶嵌后和金相制样后,观察材料金相组织(图6)。两种板的组织和晶粒尺寸没有明显差别,均为等轴状的(相单相组织,因为材料经过冷变形,有较多的变形孪晶组织。 用显微维氏硬度计分别测试两块试样的硬度,结果显示同一试样不同区域的硬度差别很大,硬度分布范围多在113HV到189HV之间。不同钛板的实测硬度分布范围相互重叠,但是最低硬度基本接近,这表明钛板成形冷变形后不同变形量的区域硬化程度差别很大,但是原始状态组织的硬度基本一致。 3·讨论 从上述分析结果可以看出,使用中先后发生失效的原装和后更换的换热器槽形钛板的材料化学成分、金相组织等均正常。其钛板的失效有两种模式,一种是海水入口边缘区微粒冲刷穿孔失效,一种是疲劳裂纹失效。发生裂纹失效的钛板成形制造过程的强烈变形区均观察到严重的表面损伤微裂纹和从损伤微裂纹缺陷处形成的细小的疲劳裂纹,因此,损伤微裂纹是导致钛板发生疲劳裂纹失效的重要原因之一。 虽然钛板局部存在损伤裂纹,大大降低其服役性,但原装换热器钛板使用5年后才出现漏水现象,而后的更换钛板运行数月即发生大裂纹失效。更换板裂纹失效的形态也与原装板有明显不同。原装板裂纹小而不规则,断口上的疲劳痕迹不清晰,是低应力长时间形成的疲劳裂纹。更换板的大裂纹则是规则的沿着槽形大应变区的直线,明显受到装配结构应力的控制,断口上可以观察到很清晰的疲劳辉纹。由此看来,组装应力及使用过程的振动和冲击形成的疲劳载荷也是导致钛板发生早期疲劳裂纹失效的重要因素,更换钛板的快速失效很大程度上受到装配应力的影响。 4·结论 1)两批钛板材料的化学成分基本一致,符合压水堆核岛机械设备设计和建造规则M4401钛及钛合金的要求,金相组织基本相同,均为等轴状的α相单相组织。 2)原装钛板长时间使用后,海水入水口边缘区因微粒冲刷发生穿孔失效。因此,对海水的除微粒过滤是延长钛板使用寿命的有效措施。 3)原装钛板和更换钛板均发生疲劳裂纹失效,导致钛板疲劳裂纹失效的主要原因是钛板成形加工过程在局部形成了损伤微裂纹缺陷和热交换器工作中存在振动和冲击,而更换钛板更换过程引入的组装应力过大则是造成其快速裂纹失效的重要原因。针对失效原因,建议质量部门应采用显微观察的方法对钛板强烈变形区做表面质量检查,安装过程要严格按照操作规程,避免装配应力过大。 参考文献: [1]RCC-P, Design and Construction Rules for PWR Nuclear Power Plants, Rules for System Design (2000) [S]. [2]RCC-M, Design and Construction Rules for Mechanical Com-ponents of PWR Nuclear Islands (2000) [S]. |
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