專利名稱：一種核電裝置換熱器失效原因的判定方法
技術領域：
本發明屬于核電裝置檢測技術領域，具體涉及一種核電裝置換熱器失效原因的判定方法，尤其是涉及一種再循環冷卻水換熱器傳熱鈦管的失效原因的判定方法。
背景技術：
基于水資源、節能和核電裝置安全等的綜合考慮，我國在用或新建的核電站絕大多數建在濱海地區，并以海水為介質，通過熱交換方式冷卻用于核島、常規島系統的除鹽水和飽和蒸汽。核電站常用的換熱器是一種臥型管殼式熱交換設備，管殼側介質分別是海水和除鹽水。換熱器內置鈦管，鈦管用碳鋼板穿孔支撐，兩端用鈦/鋼復合管板固定，海水側覆蓋一層標準的鈦板。實際使用過程中，由于天然海水通常含有泥沙，而且鹽分和氯離子含量高，有較強的腐蝕磨損作用，一旦換熱器在設計、選材、制造、安裝、維護等某一環節處理不當，即會在海水環境下形成選擇性的腐蝕磨損工況，大大縮短使用壽命。因而，換熱器在海水介質下是否能正常運行，將直接關系到整個核電裝置的使用壽命及其結構完整性。核電站循環冷卻水(RCW)換熱器傳熱鈦管發生過若干起過早失效的復雜案例。如某濱海地區進口核電站的RCW換熱器傳熱鈦管設計壽命為40年，但使用不到3年就頻繁發生許多鈦管的失效案例，而且失效形式多樣，換熱器傳熱鈦管失效對核電裝置的正常運行產生了重大影響。但目前沒有系統的鈦管失效分析辦法，無法對鈦管失效原因進行準確分析。所以對鈦管的各種失效開展系統的表征分析，正確確定各種鈦管失效的不同起因，研究 RCW換熱器傳熱鈦管失效原因的分析方法，可以為快速、正確、有效地解決復雜的鈦管過早失效提供重要的依據。研究成果不僅對確保我國在用或新建的核電裝置在海水介質中的安全運行有重要意義，而且對電力、石化、化工、冶金等其他工業的換熱器在海水中的有效防護也具有實用參考價值。

發明內容
本發明針對背景技術中存在的問題，提出了一種可以快速、正確、有效地判斷RCW 換熱器傳熱鈦管失效原因的判定方法。本發明提出的核電站再循環冷卻水換熱器傳熱鈦管的失效判定方法，具體步驟如下
步驟一對失效鈦管外觀進行形貌觀察，重點檢查海水入口側管板口的外觀狀況，包括管板與鈦管之間是否采用密封焊，管板與鈦管之間是否有銹蝕痕跡，管內是否有貝殼、泥沙等異物堵塞，以及管板表面是否有局部機械割痕等；
步驟二 對失效鈦管破口形貌進行檢測，結合步驟一的外觀形貌觀察，對失效原因進行分類，并建立失效原因的初步判定方法，其中所述失效原因分為4種氫鼓泡、表面凹坑、異物堵塞和微動磨損，異物堵塞又分為貝殼堵塞、泥沙堵塞、橡膠帶堵塞等；
步驟三在步驟二得出初步判斷的基礎上，采用紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、 X射線熒光分析(XRF)、原子吸收光譜(AAS)、三維體視電鏡、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AEQ、X射線衍射分析(XRD)、熱失重分析(TGA) 等檢測手段中的一種或多種，對破口表層、內外壁邊緣等部位進行綜合分析和測試，從而得出確定的鈦管失效原因。本發明步驟二中，失效原因為氫鼓泡的，其導致失效的破口的特征為形狀似橢圓，外壁邊緣明顯向里凹，內壁及附近表面均光滑，破口明顯朝里彎；失效原因為表面凹坑的，其導致失效的破口的特征為形狀均為準圓形，大小在1. 5 2. 5mm之間，深的為孔形， 淺的為錢幣形，破口間的分布間距有一定規律。本發明步驟二中，失效原因為貝殼堵塞的，其導致失效的破口的特征為邊緣凹凸不平，形狀為馬蹄形，具有沖刷磨損形態。本發明步驟二中，失效原因為泥沙堵塞的，其導致失效的破口的特征為破口外壁表面沒有磨損痕跡，破口內壁有多條平行的擠壓條痕，且窄形大條痕發生褶皺，有局部塑性大變形的痕跡。本發明步驟二中，失效原因為橡膠帶堵塞的，其導致失效的破口的特征為內壁形成多根塑性變形的、彎折的刀刃條或者形狀為馬蹄形，具有沖刷磨損特征，同時結合步驟一外觀觀察結果進行綜合判定。本發明步驟三中，采用SEM方法、X射線光電子能譜儀(XPS)、二次離子質譜儀 (SIMS)和XRD四種方法相結合，可以對失效部位內外壁邊緣表面微區形貌以及材料的組成、氫元素含量、化合物種類及物相結構等進行了綜合分析，通過分析結果可以判定出氫鼓泡導致的鈦管失效。本發明步驟三中，采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，可以判定出表面凹坑引起的鈦管失效。本發明步驟三中，采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，可以判定出異物堵塞引起的鈦管失效。本發明步驟三中，采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，可以判定出微動磨損引起的鈦管失效。具體來說，
本發明步驟三中，對于氫鼓泡導致失效的破口，采用SIMS對破口外壁表面微區的元素進行表面分析，若檢測到氫元素的存在；同時采用XRD法對該表面進行物相的結構分析，若發現氫化鈦(TiHl. 924)晶相存在，則確定失效原因為氫鼓泡。本發明步驟三中，對于表面凹坑導致失效的破口，采用EDS分析，若發現深孔區吸附的黑色顆粒為鈦基體磨損掉落物，則確定失效原因為表面凹坑。本發明步驟三中，對于微動磨損導致失效的破口，采用EDS分析，若發現磨損面上沉積金屬粉末是氧化鈦和氧化鐵的混合物，則確定失效原因為微動磨損。有益效果
1、本方法綜合利用了多種現代分析儀器和方法，可以準確判斷出RCW換熱器傳熱鈦管失效形式。2、本方法可以快速、有效地查找到RCW換熱器傳熱鈦管失效原因，從而進行針對性預防。3、本方法對電力、石化、化工、冶金等其他工業的換熱器在海水中的有效防護也具有實用參考價值。


圖1為管板內失效鈦管破口的宏觀形貌。其中，(a)距管口的位置，(b)外壁邊緣內凹形態，(c)內壁表面形態。圖2為管板內失效鈦管橢圓形破口的SEM圖像。其中，(a)內壁表面形態，(b)微孔邊緣局部放大形態。圖3為破口外壁表面存在兩個明顯不同的Ti元素XPS特征峰。圖4為破口外壁表面氫元素含量沿深度變化(SIMS)。圖5為破口外壁近表面存在氫化鈦的XRD衍射峰位置。圖6為管板外失效鈦管破口的宏觀形貌。其中，(a)外觀形貌，(b)內壁凹坑分布形態，(c)破口外壁形態。圖7為管板外含表面凹陷的鈦管破口的SEM圖像。其中，(a)破裂深孔和錢幣形淺凹陷形態，(b)破裂深孔的局部放大。圖8為靠近出水側支撐板處的失效鈦管的宏觀形貌。其中，(a)外觀形貌，(b)外壁形態，(C)內壁形態。圖9為微動磨損產生的管壁外表面的SEM圖像。其中，(a)磨損帶上金屬磨屑形態， (b)磨損帶上局部潰爛、微凹陷形態。圖10管板內有蹄形破口的失效鈦管的宏觀形貌。其中，(a)外壁，(b)內壁， (c)內壁局部放大形貌。圖11失效鈦管內貝殼堵塞物。圖12管板外有三個窄條孔的失效鈦管的宏觀形貌。其中，(a)外觀形貌，(b)外壁，(c)內壁。圖13窄形條孔破口的SEM圖像。其中，(a)內壁形態，(b)局部放大后的破損形態。圖14第一塊支撐板外的失效鈦管的宏觀形貌。其中，(a)外觀形貌態，(b)內壁形態，(c)堵塞的光滑橡膠帶。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例1 氫鼓泡失效形態及分析
圖1所示為一破口的失效形貌。觀察發現該破口距管板口 33mm，形狀似橢圓，大小 5X3mm，橢圓長軸與鈦管成30°角，破口外壁邊緣明顯向里凹，(圖1 (b))，周圍還有一些銹蝕斑痕；破口內壁及附近表面均光滑，但部分吸附一些棕紅色銹蝕物。破口明顯朝里彎的特征，表明有一種外力作用于管外壁致使其邊緣明顯由外向里彎，初步判斷為氫鼓泡導致失效的破口。
采用SEM方法，將圖1 (C)中三維體視電鏡照片的宏觀破口再放大，可以清晰地看到內壁表面有明顯的沖刷磨損痕跡，并吸附一些白色顆粒(圖2 (a));經EDS分析，確認這些白色顆粒是泥沙。再對該圖右上角邊緣小孔局部放大(圖2(b))，可清楚地看到小孔邊緣附近有明顯的漩渦沖刷磨損痕跡，表面形態如魚鱗片狀，還有一些細小黑色顆粒吸附其上。 經EDS檢測，這些顆粒是被漩渦沖刷磨損掉的鈦基體，從而使管壁快速減薄而破裂。進一步采用了 X射線光電子能譜儀(XPS)、二次離子質譜儀(SIMS)和XRD三種方法，對其內外壁邊緣表面微區材料的組成、氫元素含量、化合物種類及物相結構等進行了綜合分析。XPS檢測到破口外壁邊緣存在兩種不同的鈦元素特征峰，如圖3所示，其表面電子結合能分別為458.48eV和455.74eV。前者是鈦管表面氧化鈦鈍化膜(TiO2)的電子結合能，后者沒有對應的已知鈦化合物；而內壁僅檢測到鈦元素的一個特征峰，即對應的Ti02。 因此可以認為破口外壁表面曾發生過化學反應，生成了一種新的鈦化物；故進一步采用了 SIMS方法，對破口外壁表面微區的元素組成進行了表面分析，結果檢測到氫元素的存在，而且該元素沿壁厚變化達到幾十個微米的深度(圖4)，而相應的內壁表面則沒有檢測到氫元素。可以推定破口外壁表面存在氫化鈦化合物。再采用XRD法對該表面進行物相的結構分析，經與標準粉末衍射卡(PDF)對比，其近表面層存在二個主晶相氫化鈦(TiH1J4)和 α -鈦(基體)，如圖5所示，其中氫化鈦是非嚴格化學配比的鈦化合物，分子式是TiH1J415 它是由氫原子與鈦基體發生化學反應后生成的脆性化合物相。對該破口進行金相分析觀察時，還看到外壁表面層明顯有分層、脫落現象，并有黃色的銹蝕斑痕，從而進一步證實是脆性氫化鈦相。由此可以得出結論，該橢圓形破口為氫鼓泡導致的鈦管失效。實施例2 表面凹坑的失效形態及分析
圖6所示為一破口的失效形貌。觀察發現該破口距管板口 213mm，在同一距離處沿內壁周向分布有4個表面凹坑，其中2個凹坑已破裂。這些凹坑的形狀均為準圓形，大小在 1. 5 2. 5mm之間，深的為孔形，淺的為錢幣形，它們之間的分布間距有一定規律，凹坑附近沒有看到其它的磨損痕跡，因而認為凹坑不是由異物堵塞產生的，初步認定為表面凹坑導致失效的破口。對圖7中代表性的表面凹坑進行了 SEM的細致觀察。可以看到該凹坑是由一個破裂的深孔和一個錢幣形凹陷所組成(圖7 (a)，深孔周圍表面光滑，深孔區內磨損痕跡清晰 (圖7 (b))，其上還吸附了一些黑色顆粒；用EDS測定是磨損掉的鈦基體。再對其他幾個相似的凹坑進行觀察，其破損形態基本相同。因而推定，這些凹坑是鈦管在安裝過程中因使用很硬的牽引夾頭，在內壁產生了擠壓變形而引入表面壓痕，即凹陷，而且牽引夾頭有過局部移位，在深孔附近還留下了一個錢幣形淺凹陷的痕跡，見圖7 (a)。正是鈦管內壁先存在表面凹陷且塑性變形受損，含泥沙海水流經此處就成為漩渦沖刷磨損中心，經過長期沖刷磨損后，凹陷變成凹坑，達到一定深度后成為選擇性漩渦沖刷磨損源，凹坑被磨成深孔，最終磨穿變大。由此可以得出結論，該孔形和錢幣形破口為表面凹坑導致的鈦管失效。實施例3 微動磨損的失效形態及分析
圖8顯示了距出水口側一定距離破口的失效形貌。該破口距出水口側1715mm，形貌為不規則形，大小為10 X 5 (mm)，正好在支撐板處，外壁表面摩擦條痕帶明顯可見，其條痕帶寬度即是支撐板的厚度。該破口內壁表面及附近均很光滑，沒有磨損痕跡，可以認定這不是由機械割痕，這顯然是異物堵塞引起的。仔細觀察圖8 (a、b)的破口外壁形貌，可以清楚地看到有一條彎曲較長的機鈦管在穿過支撐板固定孔時被意外割傷遺留下來的。初步認定為微動磨損導致失效的破口。圖9顯示出該割痕附近與支撐板之間SEM顯微形貌照片。磨損面上除沉積一層分布疏松的金屬粉末外，還有潰爛、微凹陷等形態(圖9 (b));對磨屑粉末進行EDS分析，確認這些粉末是氧化鈦和氧化鐵的混合物，是微動磨損產生的金屬磨屑。顯然，該機械割痕在微動磨損持續作用下，外壁表面逐步被磨損減薄，接觸面薄弱處還出現局部潰爛，表面損傷嚴重，最終由疲勞開裂而失效。由此可以得出結論，該機械割痕破口為機械損傷和微動磨損導致的鈦管失效。實施例4 貝殼堵塞的失效形態及分析
圖10是管板內出現的鈦管破口的一種形貌。該破口距管板口約42mm，形狀不規則，大小9X5(mm)，破口內壁周圍還有其它摩擦痕跡，表明有異物存在。這種破口邊緣凹凸不平， 形狀為馬蹄形的沖刷磨損特征(圖10(c))，顯示出異物為貝殼堵塞后引起的破壞特征，初步認定為貝殼堵塞導致失效的破口。沿管壁剖開，發現了被沖擊出不規則孔洞的貝殼卡在管內，見圖11。貝殼卡在管內后，其軟體本身易彎曲變形，自身還有多個不規則孔洞。含泥沙海水流經此阻擋物時，一方面流體被加速，另一方面還形成嚴重的紊流形態，海水只能從孔洞或孔隙處噴射出不規則的高速沖擊流，對管內壁產生嚴重的沖擊磨損，定向的沖擊磨損形成了特殊的馬蹄形破口， 非定向的沖擊流體則形成不規則的磨損形態。馬蹄形破口特征表明這是由貝殼卡塞在管內形成的定向沖擊射流產生的沖擊磨損產生的，其破口隨持續的沖擊磨損作用而不斷變大。由此可以得出結論，該馬蹄形破口為貝殼堵塞導致的鈦管失效。實施例5 泥沙堵塞的失效形態及分析
圖12為三維體視電鏡下拍攝的鈦管中三個取向平行、互成階梯形的窄條孔破口形貌。 其特征是三個破口均在管板與第一塊支撐板之間，第一個破口距管板口 125mm處，每個破口大小不等，窄條孔的最大尺寸有5mm長。從失效形態來看，破口外壁表面沒有磨損痕跡， 表明破口是從內壁先破裂的。初步認定為泥沙堵塞導致失效的破口。圖13是其中一個窄條孔破口的SEM顯微形貌照片。可以清楚地看到，破口內壁經歷了擠壓塑性變形，周圍有多條平行的擠壓條痕，而且窄形大條痕發生了褶皺，顯示有局部塑性大變形的痕跡。根據斷口學痕跡分析，這種破口是RCW換熱器在停運時未能把管內沉積的泥沙沖洗干凈塞積后引起的。可以認為，泥沙雖然堵塞了鈦管的絕大部分通道，但仍有小部分通道未塞滿成為很窄的細縫，海水流過此縫時，由于泥沙堵塞的兩邊存在較大的壓力差，必然以高速沖擊流沖過該縫，對管內壁產生了強烈的沖擊磨損和磨粒磨削，于是表面就生成了沖擊條痕和磨粒磨損的破損特征。因此可以推定，該鈦管破口是由于管內通道的絕大部分被泥沙和淤泥堵塞后，海水經過未堵塞通道的窄縫處就形成了很高的沖擊力，對管內壁產生了嚴重的沖擊磨損、磨粒磨損及塑性變形，最終因沖擊磨損的持續作用使得管壁快速減薄而破損變大。由此可以得出結論，該窄條孔形破口為泥沙和淤泥堵塞導致的鈦管失效。
實施例6 橡膠帶堵塞的失效形態及分析
圖14所示為鈦管破口出現在支撐板之間的失效形態。該破口距管板口約觀30讓，共有3個平行孔洞，每個孔洞大小為2 3mm，內壁有多根長達200mm以上且長短不一的曲折變形的尖銳刀刃條，見圖14 (b)。根據破口形貌初步認定為泥沙堵塞導致失效的破口。將整個直管段剖開后看到內有堵塞的橡膠帶，已盤成環狀的橡膠帶由于受到海水的沖刷磨損，其表面也變得相當光滑，見圖14 (C)。經核查，橡膠帶來自于RCW系統水室內防腐用橡膠襯里層，是因表面粘結不牢發生部分脫落后沖進管內的。進入管內的橡膠帶如果填滿通道并得到充分伸展，其磨損行為就象泥沙，是以沖擊磨損和磨粒磨損為主，內壁形成了多根塑性變形的、彎折的刀刃條(圖14 (b))；若橡膠帶在管內未能全部填滿并發生折疊，其磨損行為如同貝殼，是以射流型沖擊磨損為主，正如圖14 (a、b)中所見的3個孔洞的破損形貌。由此可以得出結論，該彎折的刀刃條形破口完全是防腐橡膠帶不慎進入管內形成的沖擊磨損、磨粒磨損和沖刷磨損造成的，為橡膠帶堵塞導致的鈦管失效。
權利要求
1.一種核電裝置換熱器的失效原因的判定方法，其特征在于具體步驟如下 步驟一對失效鈦管外觀進行形貌觀察，重點檢查海水入口側管板口的外觀狀況，包括管板與鈦管之間是否采用密封焊，管板與鈦管之間是否有銹蝕痕跡，管內是否有貝殼、 泥沙等異物堵塞，以及管板表面是否有局部機械割痕；步驟二對失效鈦管破口形貌進行檢測，結合步驟一的外觀形貌觀察，對失效原因進行分類，并建立失效原因的初步判定方法；所述失效原因分為4種氫鼓泡、表面凹坑、異物堵塞和微動磨損，異物堵塞又分為貝殼堵塞、泥沙堵塞、橡膠帶堵塞；步驟三在步驟二進行初步判斷的基礎上，進一步采用紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜 (Raman)、X射線熒光分析(XRF)、原子吸收光譜(AAS)、三維體視電鏡、掃描電鏡(SEM)J^f 分析(EDS)、電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AEQ、X射線衍射分析(XRD)、熱失重分析 (TGA)檢測手段中的一種或多種，對破口表層、內外壁邊緣部位進行綜合分析和測試，從而得出確定的鈦管失效原因。
2.根據權利要求1所述的判定方法，其特征在于步驟二中所述失效原因為氫鼓泡的，其導致失效的破口的特征為形狀似橢圓，外壁邊緣明顯向里凹，內壁及附近表面均光滑，破口明顯朝里彎；所述失效原因為表面凹坑的，其導致失效的破口的特征為形狀均為準圓形，大小在 1. 5 2. 5mm之間，深的為孔形，淺的為錢幣形，破口間的分布間距有一定規律；所述失效原因為貝殼堵塞的，其導致失效的破口的特征為邊緣凹凸不平，形狀為馬蹄形，具有沖刷磨損形態；所述失效原因為泥沙堵塞的，其導致失效的破口的特征為破口外壁表面沒有磨損痕跡，破口內壁有多條平行的擠壓條痕，且窄形大條痕發生褶皺，有局部塑性大變形的痕跡；所述失效原因為橡膠帶堵塞的，其導致失效的破口的特征為內壁形成多根塑性變形的、彎折的刀刃條或者形狀為馬蹄形，具有沖刷磨損特征。
3.根據權利要求2所述的判定方法，其特征在于步驟三中采用SEM方法、X射線光電子能譜儀(XPS)、二次離子質譜儀(SIMS)和XRD四種方法， 對失效部位內外壁邊緣表面微區形貌以及材料的組成、氫元素含量、化合物種類及物相結構進行綜合分析，判定出氫鼓泡導致的鈦管失效；采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，判定出表面凹坑引起的鈦管失效； 采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，判定出異物堵塞引起的鈦管失效； 采用SEM方法與EDS方法，結合宏觀形貌觀察，判定出微動磨損引起的鈦管失效。
4.根據權利要求3所述的判定方法，其特征在于步驟三中對于氫鼓泡導致失效的破口，采用SIMS方法對破口外壁表面微區的元素進行表面分析，若檢測到氫元素的存在；同時采用XRD方法對該表面進行物相的結構分析，若發現氫化鈦晶相存在，則確定失效原因為氫鼓泡；對于表面凹坑導致失效的破口，采用EDS方法，若發現深孔區吸附的黑色顆粒為鈦基體磨損掉落物，則確定失效原因為表面凹坑；對于微動磨損導致失效的破口，采用EDS方法，若發現磨損面上沉積金屬粉末是氧化鈦和氧化鐵的混合物，則確定失效原因為微動磨損。
全文摘要
本發明屬于核電裝置檢測技術領域，具體為一種核電裝置換熱器失效原因的判定法。本發明具體步驟為一、外觀檢驗，重點檢查海水入口側管板口的外觀狀況；步驟二失效鈦管破口形貌觀察，結合步驟一的外觀形貌觀察，初步判定出失效原因為氫鼓泡、表面凹坑、異物堵塞和微動磨損等原因中的一種或多種；步驟三綜合利用采用多種檢測手段中的一種或多種，對破口表層、內外壁邊緣等部位進行綜合分析和測試，結合步驟二的破口形貌觀察，可以準確判定鈦管失效的原因。本發明通過對RCW換熱器傳熱鈦管失效部位快速分析后，可以準確判斷出RCW換熱器傳熱鈦管失效原因，從而進行針對性的預防。本方法對電力、石化、化工、冶金等其他工業的換熱器在海水中的失效分析也具有應用價值。
文檔編號G01M13/00GK102410927SQ201110242058
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月23日 優先權日2011年8月23日
發明者楊振國, 楊敏, 祝凱, 袁建中, 龔嶷 申請人:復旦大學