专利名称：一种核电装置换热器失效原因的判定方法
技术领域：
本发明属于核电装置检测技术领域，具体涉及一种核电装置换热器失效原因的判定方法，尤其是涉及一种再循环冷却水换热器传热钛管的失效原因的判定方法。
背景技术：
基于水资源、节能和核电装置安全等的综合考虑，我国在用或新建的核电站绝大多数建在滨海地区，并以海水为介质，通过热交换方式冷却用于核岛、常规岛系统的除盐水和饱和蒸汽。核电站常用的换热器是一种卧型管壳式热交换设备，管壳侧介质分别是海水和除盐水。换热器内置钛管，钛管用碳钢板穿孔支撑，两端用钛/钢复合管板固定，海水侧覆盖一层标准的钛板。实际使用过程中，由于天然海水通常含有泥沙，而且盐分和氯离子含量高，有较强的腐蚀磨损作用，一旦换热器在设计、选材、制造、安装、维护等某一环节处理不当，即会在海水环境下形成选择性的腐蚀磨损工况，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使用寿命及其结构完整性。核电站循环冷却水(RCW)换热器传热钛管发生过若干起过早失效的复杂案例。如某滨海地区进口核电站的RCW换热器传热钛管设计寿命为40年，但使用不到3年就频繁发生许多钛管的失效案例，而且失效形式多样，换热器传热钛管失效对核电装置的正常运行产生了重大影响。但目前没有系统的钛管失效分析办法，无法对钛管失效原因进行准确分析。所以对钛管的各种失效开展系统的表征分析，正确确定各种钛管失效的不同起因，研究 RCW换热器传热钛管失效原因的分析方法，可以为快速、正确、有效地解决复杂的钛管过早失效提供重要的依据。研究成果不仅对确保我国在用或新建的核电装置在海水介质中的安全运行有重要意义，而且对电力、石化、化工、冶金等其他工业的换热器在海水中的有效防护也具有实用参考价值。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种可以快速、正确、有效地判断RCW 换热器传热钛管失效原因的判定方法。本发明提出的核电站再循环冷却水换热器传热钛管的失效判定方法，具体步骤如下
步骤一对失效钛管外观进行形貌观察，重点检查海水入口侧管板口的外观状况，包括管板与钛管之间是否采用密封焊，管板与钛管之间是否有锈蚀痕迹，管内是否有贝壳、泥沙等异物堵塞，以及管板表面是否有局部机械割痕等；
步骤二 对失效钛管破口形貌进行检测，结合步骤一的外观形貌观察，对失效原因进行分类，并建立失效原因的初步判定方法，其中所述失效原因分为4种氢鼓泡、表面凹坑、异物堵塞和微动磨损，异物堵塞又分为贝壳堵塞、泥沙堵塞、橡胶带堵塞等；
步骤三在步骤二得出初步判断的基础上，采用红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、 X射线荧光分析(XRF)、原子吸收光谱(AAS)、三维体视电镜、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AEQ、X射线衍射分析(XRD)、热失重分析(TGA) 等检测手段中的一种或多种，对破口表层、内外壁边缘等部位进行综合分析和测试，从而得出确定的钛管失效原因。本发明步骤二中，失效原因为氢鼓泡的，其导致失效的破口的特征为形状似椭圆，外壁边缘明显向里凹，内壁及附近表面均光滑，破口明显朝里弯；失效原因为表面凹坑的，其导致失效的破口的特征为形状均为准圆形，大小在1. 5 2. 5mm之间，深的为孔形， 浅的为钱币形，破口间的分布间距有一定规律。本发明步骤二中，失效原因为贝壳堵塞的，其导致失效的破口的特征为边缘凹凸不平，形状为马蹄形，具有冲刷磨损形态。本发明步骤二中，失效原因为泥沙堵塞的，其导致失效的破口的特征为破口外壁表面没有磨损痕迹，破口内壁有多条平行的挤压条痕，且窄形大条痕发生褶皱，有局部塑性大变形的痕迹。本发明步骤二中，失效原因为橡胶带堵塞的，其导致失效的破口的特征为内壁形成多根塑性变形的、弯折的刀刃条或者形状为马蹄形，具有冲刷磨损特征，同时结合步骤一外观观察结果进行综合判定。本发明步骤三中，采用SEM方法、X射线光电子能谱仪(XPS)、二次离子质谱仪 (SIMS)和XRD四种方法相结合，可以对失效部位内外壁边缘表面微区形貌以及材料的组成、氢元素含量、化合物种类及物相结构等进行了综合分析，通过分析结果可以判定出氢鼓泡导致的钛管失效。本发明步骤三中，采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，可以判定出表面凹坑引起的钛管失效。本发明步骤三中，采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，可以判定出异物堵塞引起的钛管失效。本发明步骤三中，采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，可以判定出微动磨损引起的钛管失效。具体来说，
本发明步骤三中，对于氢鼓泡导致失效的破口，采用SIMS对破口外壁表面微区的元素进行表面分析，若检测到氢元素的存在；同时采用XRD法对该表面进行物相的结构分析，若发现氢化钛(TiHl. 924)晶相存在，则确定失效原因为氢鼓泡。本发明步骤三中，对于表面凹坑导致失效的破口，采用EDS分析，若发现深孔区吸附的黑色颗粒为钛基体磨损掉落物，则确定失效原因为表面凹坑。本发明步骤三中，对于微动磨损导致失效的破口，采用EDS分析，若发现磨损面上沉积金属粉末是氧化钛和氧化铁的混合物，则确定失效原因为微动磨损。有益效果
1、本方法综合利用了多种现代分析仪器和方法，可以准确判断出RCW换热器传热钛管失效形式。2、本方法可以快速、有效地查找到RCW换热器传热钛管失效原因，从而进行针对性预防。3、本方法对电力、石化、化工、冶金等其他工业的换热器在海水中的有效防护也具有实用参考价值。
图1为管板内失效钛管破口的宏观形貌。其中，(a)距管口的位置，(b)外壁边缘内凹形态，(c)内壁表面形态。图2为管板内失效钛管椭圆形破口的SEM图像。其中，(a)内壁表面形态，(b)微孔边缘局部放大形态。图3为破口外壁表面存在两个明显不同的Ti元素XPS特征峰。图4为破口外壁表面氢元素含量沿深度变化(SIMS)。图5为破口外壁近表面存在氢化钛的XRD衍射峰位置。图6为管板外失效钛管破口的宏观形貌。其中，(a)外观形貌，(b)内壁凹坑分布形态，(c)破口外壁形态。图7为管板外含表面凹陷的钛管破口的SEM图像。其中，(a)破裂深孔和钱币形浅凹陷形态，(b)破裂深孔的局部放大。图8为靠近出水侧支撑板处的失效钛管的宏观形貌。其中，(a)外观形貌，(b)外壁形态，(C)内壁形态。图9为微动磨损产生的管壁外表面的SEM图像。其中，(a)磨损带上金属磨屑形态， (b)磨损带上局部溃烂、微凹陷形态。图10管板内有蹄形破口的失效钛管的宏观形貌。其中，(a)外壁，(b)内壁， (c)内壁局部放大形貌。图11失效钛管内贝壳堵塞物。图12管板外有三个窄条孔的失效钛管的宏观形貌。其中，(a)外观形貌，(b)外壁，(c)内壁。图13窄形条孔破口的SEM图像。其中，(a)内壁形态，(b)局部放大后的破损形态。图14第一块支撑板外的失效钛管的宏观形貌。其中，(a)外观形貌态，(b)内壁形态，(c)堵塞的光滑橡胶带。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1 氢鼓泡失效形态及分析
图1所示为一破口的失效形貌。观察发现该破口距管板口 33mm，形状似椭圆，大小 5X3mm，椭圆长轴与钛管成30°角，破口外壁边缘明显向里凹，(图1 (b))，周围还有一些锈蚀斑痕；破口内壁及附近表面均光滑，但部分吸附一些棕红色锈蚀物。破口明显朝里弯的特征，表明有一种外力作用于管外壁致使其边缘明显由外向里弯，初步判断为氢鼓泡导致失效的破口。
采用SEM方法，将图1 (C)中三维体视电镜照片的宏观破口再放大，可以清晰地看到内壁表面有明显的冲刷磨损痕迹，并吸附一些白色颗粒(图2 (a));经EDS分析，确认这些白色颗粒是泥沙。再对该图右上角边缘小孔局部放大(图2(b))，可清楚地看到小孔边缘附近有明显的漩涡冲刷磨损痕迹，表面形态如鱼鳞片状，还有一些细小黑色颗粒吸附其上。 经EDS检测，这些颗粒是被漩涡冲刷磨损掉的钛基体，从而使管壁快速减薄而破裂。进一步采用了 X射线光电子能谱仪(XPS)、二次离子质谱仪(SIMS)和XRD三种方法，对其内外壁边缘表面微区材料的组成、氢元素含量、化合物种类及物相结构等进行了综合分析。XPS检测到破口外壁边缘存在两种不同的钛元素特征峰，如图3所示，其表面电子结合能分别为458.48eV和455.74eV。前者是钛管表面氧化钛钝化膜(TiO2)的电子结合能，后者没有对应的已知钛化合物；而内壁仅检测到钛元素的一个特征峰，即对应的Ti02。 因此可以认为破口外壁表面曾发生过化学反应，生成了一种新的钛化物；故进一步采用了 SIMS方法，对破口外壁表面微区的元素组成进行了表面分析，结果检测到氢元素的存在，而且该元素沿壁厚变化达到几十个微米的深度(图4)，而相应的内壁表面则没有检测到氢元素。可以推定破口外壁表面存在氢化钛化合物。再采用XRD法对该表面进行物相的结构分析，经与标准粉末衍射卡(PDF)对比，其近表面层存在二个主晶相氢化钛(TiH1J4)和 α -钛(基体)，如图5所示，其中氢化钛是非严格化学配比的钛化合物，分子式是TiH1J415 它是由氢原子与钛基体发生化学反应后生成的脆性化合物相。对该破口进行金相分析观察时，还看到外壁表面层明显有分层、脱落现象，并有黄色的锈蚀斑痕，从而进一步证实是脆性氢化钛相。由此可以得出结论，该椭圆形破口为氢鼓泡导致的钛管失效。实施例2 表面凹坑的失效形态及分析
图6所示为一破口的失效形貌。观察发现该破口距管板口 213mm，在同一距离处沿内壁周向分布有4个表面凹坑，其中2个凹坑已破裂。这些凹坑的形状均为准圆形，大小在 1. 5 2. 5mm之间，深的为孔形，浅的为钱币形，它们之间的分布间距有一定规律，凹坑附近没有看到其它的磨损痕迹，因而认为凹坑不是由异物堵塞产生的，初步认定为表面凹坑导致失效的破口。对图7中代表性的表面凹坑进行了 SEM的细致观察。可以看到该凹坑是由一个破裂的深孔和一个钱币形凹陷所组成(图7 (a)，深孔周围表面光滑，深孔区内磨损痕迹清晰 (图7 (b))，其上还吸附了一些黑色颗粒；用EDS测定是磨损掉的钛基体。再对其他几个相似的凹坑进行观察，其破损形态基本相同。因而推定，这些凹坑是钛管在安装过程中因使用很硬的牵引夹头，在内壁产生了挤压变形而引入表面压痕，即凹陷，而且牵引夹头有过局部移位，在深孔附近还留下了一个钱币形浅凹陷的痕迹，见图7 (a)。正是钛管内壁先存在表面凹陷且塑性变形受损，含泥沙海水流经此处就成为漩涡冲刷磨损中心，经过长期冲刷磨损后，凹陷变成凹坑，达到一定深度后成为选择性漩涡冲刷磨损源，凹坑被磨成深孔，最终磨穿变大。由此可以得出结论，该孔形和钱币形破口为表面凹坑导致的钛管失效。实施例3 微动磨损的失效形态及分析
图8显示了距出水口侧一定距离破口的失效形貌。该破口距出水口侧1715mm，形貌为不规则形，大小为10 X 5 (mm)，正好在支撑板处，外壁表面摩擦条痕带明显可见，其条痕带宽度即是支撑板的厚度。该破口内壁表面及附近均很光滑，没有磨损痕迹，可以认定这不是由机械割痕，这显然是异物堵塞引起的。仔细观察图8 (a、b)的破口外壁形貌，可以清楚地看到有一条弯曲较长的机钛管在穿过支撑板固定孔时被意外割伤遗留下来的。初步认定为微动磨损导致失效的破口。图9显示出该割痕附近与支撑板之间SEM显微形貌照片。磨损面上除沉积一层分布疏松的金属粉末外，还有溃烂、微凹陷等形态(图9 (b));对磨屑粉末进行EDS分析，确认这些粉末是氧化钛和氧化铁的混合物，是微动磨损产生的金属磨屑。显然，该机械割痕在微动磨损持续作用下，外壁表面逐步被磨损减薄，接触面薄弱处还出现局部溃烂，表面损伤严重，最终由疲劳开裂而失效。由此可以得出结论，该机械割痕破口为机械损伤和微动磨损导致的钛管失效。实施例4 贝壳堵塞的失效形态及分析
图10是管板内出现的钛管破口的一种形貌。该破口距管板口约42mm，形状不规则，大小9X5(mm)，破口内壁周围还有其它摩擦痕迹，表明有异物存在。这种破口边缘凹凸不平， 形状为马蹄形的冲刷磨损特征(图10(c))，显示出异物为贝壳堵塞后引起的破坏特征，初步认定为贝壳堵塞导致失效的破口。沿管壁剖开，发现了被冲击出不规则孔洞的贝壳卡在管内，见图11。贝壳卡在管内后，其软体本身易弯曲变形，自身还有多个不规则孔洞。含泥沙海水流经此阻挡物时，一方面流体被加速，另一方面还形成严重的紊流形态，海水只能从孔洞或孔隙处喷射出不规则的高速冲击流，对管内壁产生严重的冲击磨损，定向的冲击磨损形成了特殊的马蹄形破口， 非定向的冲击流体则形成不规则的磨损形态。马蹄形破口特征表明这是由贝壳卡塞在管内形成的定向冲击射流产生的冲击磨损产生的，其破口随持续的冲击磨损作用而不断变大。由此可以得出结论，该马蹄形破口为贝壳堵塞导致的钛管失效。实施例5 泥沙堵塞的失效形态及分析
图12为三维体视电镜下拍摄的钛管中三个取向平行、互成阶梯形的窄条孔破口形貌。 其特征是三个破口均在管板与第一块支撑板之间，第一个破口距管板口 125mm处，每个破口大小不等，窄条孔的最大尺寸有5mm长。从失效形态来看，破口外壁表面没有磨损痕迹， 表明破口是从内壁先破裂的。初步认定为泥沙堵塞导致失效的破口。图13是其中一个窄条孔破口的SEM显微形貌照片。可以清楚地看到，破口内壁经历了挤压塑性变形，周围有多条平行的挤压条痕，而且窄形大条痕发生了褶皱，显示有局部塑性大变形的痕迹。根据断口学痕迹分析，这种破口是RCW换热器在停运时未能把管内沉积的泥沙冲洗干净塞积后引起的。可以认为，泥沙虽然堵塞了钛管的绝大部分通道，但仍有小部分通道未塞满成为很窄的细缝，海水流过此缝时，由于泥沙堵塞的两边存在较大的压力差，必然以高速冲击流冲过该缝，对管内壁产生了强烈的冲击磨损和磨粒磨削，于是表面就生成了冲击条痕和磨粒磨损的破损特征。因此可以推定，该钛管破口是由于管内通道的绝大部分被泥沙和淤泥堵塞后，海水经过未堵塞通道的窄缝处就形成了很高的冲击力，对管内壁产生了严重的冲击磨损、磨粒磨损及塑性变形，最终因冲击磨损的持续作用使得管壁快速减薄而破损变大。由此可以得出结论，该窄条孔形破口为泥沙和淤泥堵塞导致的钛管失效。
实施例6 橡胶带堵塞的失效形态及分析
图14所示为钛管破口出现在支撑板之间的失效形态。该破口距管板口约观30讓，共有3个平行孔洞，每个孔洞大小为2 3mm，内壁有多根长达200mm以上且长短不一的曲折变形的尖锐刀刃条，见图14 (b)。根据破口形貌初步认定为泥沙堵塞导致失效的破口。将整个直管段剖开后看到内有堵塞的橡胶带，已盘成环状的橡胶带由于受到海水的冲刷磨损，其表面也变得相当光滑，见图14 (C)。经核查，橡胶带来自于RCW系统水室内防腐用橡胶衬里层，是因表面粘结不牢发生部分脱落后冲进管内的。进入管内的橡胶带如果填满通道并得到充分伸展，其磨损行为就象泥沙，是以冲击磨损和磨粒磨损为主，内壁形成了多根塑性变形的、弯折的刀刃条(图14 (b))；若橡胶带在管内未能全部填满并发生折叠，其磨损行为如同贝壳，是以射流型冲击磨损为主，正如图14 (a、b)中所见的3个孔洞的破损形貌。由此可以得出结论，该弯折的刀刃条形破口完全是防腐橡胶带不慎进入管内形成的冲击磨损、磨粒磨损和冲刷磨损造成的，为橡胶带堵塞导致的钛管失效。
权利要求
1.一种核电装置换热器的失效原因的判定方法，其特征在于具体步骤如下 步骤一对失效钛管外观进行形貌观察，重点检查海水入口侧管板口的外观状况，包括管板与钛管之间是否采用密封焊，管板与钛管之间是否有锈蚀痕迹，管内是否有贝壳、 泥沙等异物堵塞，以及管板表面是否有局部机械割痕；步骤二对失效钛管破口形貌进行检测，结合步骤一的外观形貌观察，对失效原因进行分类，并建立失效原因的初步判定方法；所述失效原因分为4种氢鼓泡、表面凹坑、异物堵塞和微动磨损，异物堵塞又分为贝壳堵塞、泥沙堵塞、橡胶带堵塞；步骤三在步骤二进行初步判断的基础上，进一步采用红外光谱(FTIR)、拉曼光谱 (Raman)、X射线荧光分析(XRF)、原子吸收光谱(AAS)、三维体视电镜、扫描电镜(SEM)J^f 分析(EDS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AEQ、X射线衍射分析(XRD)、热失重分析 (TGA)检测手段中的一种或多种，对破口表层、内外壁边缘部位进行综合分析和测试，从而得出确定的钛管失效原因。
2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤二中所述失效原因为氢鼓泡的，其导致失效的破口的特征为形状似椭圆，外壁边缘明显向里凹，内壁及附近表面均光滑，破口明显朝里弯；所述失效原因为表面凹坑的，其导致失效的破口的特征为形状均为准圆形，大小在 1. 5 2. 5mm之间，深的为孔形，浅的为钱币形，破口间的分布间距有一定规律；所述失效原因为贝壳堵塞的，其导致失效的破口的特征为边缘凹凸不平，形状为马蹄形，具有冲刷磨损形态；所述失效原因为泥沙堵塞的，其导致失效的破口的特征为破口外壁表面没有磨损痕迹，破口内壁有多条平行的挤压条痕，且窄形大条痕发生褶皱，有局部塑性大变形的痕迹；所述失效原因为橡胶带堵塞的，其导致失效的破口的特征为内壁形成多根塑性变形的、弯折的刀刃条或者形状为马蹄形，具有冲刷磨损特征。
3.根据权利要求2所述的判定方法，其特征在于步骤三中采用SEM方法、X射线光电子能谱仪(XPS)、二次离子质谱仪(SIMS)和XRD四种方法， 对失效部位内外壁边缘表面微区形貌以及材料的组成、氢元素含量、化合物种类及物相结构进行综合分析，判定出氢鼓泡导致的钛管失效；采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，判定出表面凹坑引起的钛管失效； 采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，判定出异物堵塞引起的钛管失效； 采用SEM方法与EDS方法，结合宏观形貌观察，判定出微动磨损引起的钛管失效。
4.根据权利要求3所述的判定方法，其特征在于步骤三中对于氢鼓泡导致失效的破口，采用SIMS方法对破口外壁表面微区的元素进行表面分析，若检测到氢元素的存在；同时采用XRD方法对该表面进行物相的结构分析，若发现氢化钛晶相存在，则确定失效原因为氢鼓泡；对于表面凹坑导致失效的破口，采用EDS方法，若发现深孔区吸附的黑色颗粒为钛基体磨损掉落物，则确定失效原因为表面凹坑；对于微动磨损导致失效的破口，采用EDS方法，若发现磨损面上沉积金属粉末是氧化钛和氧化铁的混合物，则确定失效原因为微动磨损。
全文摘要
本发明属于核电装置检测技术领域，具体为一种核电装置换热器失效原因的判定法。本发明具体步骤为一、外观检验，重点检查海水入口侧管板口的外观状况；步骤二失效钛管破口形貌观察，结合步骤一的外观形貌观察，初步判定出失效原因为氢鼓泡、表面凹坑、异物堵塞和微动磨损等原因中的一种或多种；步骤三综合利用采用多种检测手段中的一种或多种，对破口表层、内外壁边缘等部位进行综合分析和测试，结合步骤二的破口形貌观察，可以准确判定钛管失效的原因。本发明通过对RCW换热器传热钛管失效部位快速分析后，可以准确判断出RCW换热器传热钛管失效原因，从而进行针对性的预防。本方法对电力、石化、化工、冶金等其他工业的换热器在海水中的失效分析也具有应用价值。
文档编号G01M13/00GK102410927SQ201110242058
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者杨振国, 杨敏, 祝凯, 袁建中, 龚嶷 申请人:复旦大学