分析核电站使用的板式换热器失效主要原因有哪些?

分析核电站使用的板式换热器失效主要原因有哪些?
 

                        
  
                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。
             
        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。
          
                     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。

     1，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 。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。
   
     2，宏观分析
          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。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。
    更换板出现了边部大裂纹,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。
   
    3，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。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M4401钛及钛合金的要求。

    4，表面及断口显微分析
 
           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。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。断口附近表面可以观察到大量变形损伤裂口,裂口有一定的方向性,有的裂口尖端延伸出细长的微裂纹,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。
   
         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, 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。