一种重大发电设备的失效综合判定方法

摘要

本发明属于发电装置检测技术领域，具体为一种重大发电设备的失效综合判定方法。本发明具体步骤为：一、提出整体分析策略，系统考虑八方面影响因素，包括材料、设计、制造、安装、检验、操作、维护和环境；二、采用综合表征方法，将破口微区分析与宏观试验相结合，所谓微区分析是指将破口放大500倍后对其表面微观特性进行的深度分析；三、建立快速判别技术，可迅速界定在腐蚀磨损、冲蚀磨损、复合腐蚀等复杂工况下的不同失效机理。

说明书

技术领域

本发明属于重大发电设备检测技术领域，具体涉及一种重大发电设备的失效综合判定方法。

背景技术

电力工业是国民经济发展的支柱产业，直接关系到其他工业的生产和发展。但由于发电设备尤其是换热设备的结构多样性和工况复杂性，异常的失效问题频繁发生，经济损失巨大。因此，通过对典型换热设备的失效案例研究，开发出大型发电设备的失效分析关键技术、防护技术和风险评价技术，是确保设备安全运行的最有效方法，可以带来显著的社会经济效益。

众所周知，国内外虽然对失效分析非常重视，开展过大量研究，但异常的失效事故仍时常发生。这一方面是实际情况的交互性和综合性所致，如材料选用不适、结构设计欠妥、制造质量一般、安装方式不当、检测方法常规、组织性能劣化、维护过程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措施简单、管理制度不严等；另一方面是失效分析技术本身的局限性和不确定性。例如，现有的失效分析技术在解决单一工况下的失效问题时有其适用性，但在分析复杂工况下的失效难题时，无论是精准度还是有效性都有待进一步开发和提高。 

对此，本发明采用系统分析的研究策略，创造了一种重大发电设备的失效综合判定方法。通过多方协同合作和技术攻关，本发明的创新成果已成功应用于秦山核电厂、宝钢电厂、外高桥电厂、浙能嘉华电厂、浙能嘉兴电厂、金山石化电厂等大型发电设备的失效分析中，并推广至非金属材料领域，如汽车塑料部件、微电子芯片封装和印制电路板制造等，取得了很好的社会经济效益。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种重大发电设备的失效综合判定方法。

本发明提出的重大发电设备的失效综合判定方法，具体步骤如下：

（1）：运用整体性策略对重大发电设备的失效部位进行分析，对失效部位的分析考虑八方面影响因素，包括材料、设计、制造、安装、检验、操作、维护和环境；重点检查失效部位的加工和服役状况，包括：是否采用先进加工工艺，是否有锈蚀痕迹，是否有异物堵塞，以及是否有局部机械割痕；对失效部位的分析采用宏微观形貌、化学价态、表面元素、物相结构、基团组成或热性能中任一种方法；

（2）：采用综合表征方法，对失效部位进行破口微区分析与宏观试验，其中破口微区分析是指放大倍数超过500倍后对破口表面微观特性的表征；结合步骤（1）对失效部位的分析结果，对失效原因进行分类，并建立失效原因的初步判定方法；

所述失效原因分为下述中任一种：

（A）如果破口呈椭圆形，外壁边缘明显向里凹，内壁及附近表面均光滑，则判断其失效原因为氢鼓泡；

（B）若形成若干准圆形凹坑，直径在1.5~2.5mm之间，深的为孔形，浅的为钱币形，且分布间距有一定规律，则判断其失效原因为机械微凹陷；

（C）若被泥沙堵塞，破口外壁表面无磨损痕迹，破口内壁则有多条平行的窄条形挤压条痕，并因局部塑性大变形产生褶皱；若被贝壳卡塞，破口边缘凹凸不平，呈马蹄形，具有冲刷磨损形态；若被橡胶带堵塞，当其发生卷曲并堵住大部分截面时破口如贝壳卡塞，当其充分伸展时破口同泥沙堵塞；判断其失效原因为异物（如泥沙、贝壳、橡胶带等）堵塞；

（3）：在步骤（2）的基础上，进一步采用三维体视显微镜、扫描电镜、能谱分析、红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱、电感耦合等离子体发射光谱、二次离子质谱、离子色谱、X射线光电子能谱、X射线衍射分析、X射线荧光分析、热失重分析或差示扫描量热分析中的一种或多种表征手段，对失效部位进行综合研究，建立在腐蚀磨损、冲蚀磨损、复合腐蚀等复杂工况下的失效机理的快速判别技术；

具体实施方法为下述中任一种：

采用扫描电镜、X射线光电子能谱、二次离子质谱和X射线衍射分析四种表征方法，对失效部位破口内外壁边缘表面的微区形貌及其材料组成、氢元素含量、化合物种类、物相结构等进行综合分析，若最终发现氢化钛（TiH_1.924）晶相的存在，则能界定出氢鼓泡与氢脆的材料失效机理；

采用宏观试验对异物进行分析，并结合三维体视显微镜与扫描电镜对破口的宏微观形貌观察结果，若发现破口内壁有多条平行的窄条形挤压条痕且发生褶皱、或破口边缘凹凸不平且呈马蹄形，则判定出异物堵塞引起的材料失效； 

采用扫描电镜与能谱分析相结合的微区分析法，若发现材料磨损面产生局部溃烂、微凹陷，并且沉积有氧化钛或氧化铁等异种金属氧化物组成的混合物粉末，则能确定失效原因是微动磨损；

采用电感耦合等离子体发射光谱、离子色谱、三维体视显微镜、扫描电镜、能谱分析等多种表征方法，若检测到工艺介质成份频繁的大幅度变化，以及破口表面的钱币状腐蚀微孔、点蚀坑、微纳米级针状腐蚀产物等，则能界定出酸/碱交替腐蚀的全新失效机理；

采用扫描电镜与能谱分析两种分析手段，若观察到失效部位表面和剖面的多种点蚀形态以及点蚀坑内较高含量的卤离子，则能判定出运行维护操作不当引起的局部腐蚀机理。

 有益效果在于：

1、 本发明综合考虑材料、设计、制造、安装、检验、操作、维护和环境等八方面影响因素，有效运用多种现代分析仪器和方法，可以快速、准确判断出重大发电设备的失效机理；

2、 本发明对电力、石化、化工、冶金等行业中，在类似服役条件下的工业设备，制定有效失效预防措施方面具有普遍参考价值。

附图说明

图1为某热交换器管板内失效传热钛管的破口宏观形貌。其中，（a）某传热管内壁椭圆形破口形貌（氢鼓泡），（b）另一传热管外壁脆性开裂形貌（氢脆）。

图2为对失效钛管椭圆形破口的XPS分析结果。其中，（a）内壁只有一种Ti元素化合价，（b）外壁有两种Ti元素化合价。

图3为破口内、外壁表面的SIMS分析结果。其中，（a）内壁，（b）外壁。

图4为破口外壁近表面存在氢化钛的XRD衍射峰位置。

图5为某热交换器传热管内壁机械微凹陷的宏观形貌。其中，（a）沿周向均布，（b）钱币状形貌。

图6为微动磨损引起的传热管外壁表面形貌。其中，（a）宏观形貌，（b）磨损面上的金属磨屑，（c）磨损面上的局部溃烂、微凹陷形态。

图7为某海水热交换器中由异物堵塞引起的失效传热管形貌。其中，（a）泥沙沉积，（b）贝壳卡塞，（c）橡胶带堵塞。

图8为某热交换器失效传热管腐蚀穿孔的破口形貌。其中，（a）宏观形貌，（b）钱币状微孔，（c）点蚀坑与针状腐蚀产物。

图9为某热交换器传热管外壁表面的点蚀形貌。其中，（a）宏观形貌，（b）内、外壁剖面对比，（c）点蚀坑SEM形貌。

具体实施方式

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内。

  实施例1：氢脆与氢鼓泡的失效形态及分析

图1所示为某大型发电设备热交换器中，位于管板内的失效传热钛管破口形貌。可见其中左侧破口呈椭圆形，见图1(a)的内壁形貌，且边缘明显由外向内凹，表明该传热管外壁曾受到某种挤压力作用。而在另一失效传热钛管外壁则存在脆性开裂现象，见图1(b)。

为查明上述罕见失效现象的起因，本项目创新地实施了以下失效分析策略：

（1）X射线光电子能谱表面分析。运用X射线光电子能谱分析，确定该破口内壁微区表面的Ti元素只有一种化合价态，是已知的钝化膜TiO₂（图2(a)）；但破口外壁微区表面的Ti却有两种不同的化合价态，见图2(b)，除TiO₂外，还有一种无法与现有标准相匹配的价态。因而可以推测该Ti元素是某种未知化合物。

（2）二次离子质谱表面分析。二次离子质谱能分析表面元素的成分，也是唯一能检测出表面纳米层氢元素成分的分析仪器。为确定破口外壁未知钛化合物的种类，采用二次离子质谱进行微区分析。如图3所示，破口外壁表层微区有较高含量的H元素，而内壁却没有，这一结果证明了外壁表面的未知钛化合物实为氢化钛化合物。

（3）X射线衍射分析。为确定上述氢化钛的种类，进一步采用X射线衍射法（XRD）对破口微区进行表面相结构分析，见图4，证明钛管外壁存在一种以非严格化学比组成的特殊化合物TiH_1.924。这种氢化钛是由氢原子与钛基体发生化学反应后生成的一种脆性相，这就有力地揭示出外壁表面发生脆性开裂的根本起因。

由此可以得出结论，以上椭圆形破口与脆性开裂现象分别为氢鼓泡和氢脆导致的钛管失效。

实施例2：机械微凹陷的失效形态及分析

发现某热交换器的传热管内壁，沿周向均布有钱币状微凹陷（图5(a)）。经采用扫描电镜、能谱分析等对凹陷内圆形破口进行微区形貌观察和分析，见图5(b)，很快鉴别出该类凹陷是由传热管穿板安装时因使用了过硬的牵引固定头的夹持力所引起的。因此，当传热管内的流体介质流经此机械微凹陷时，就出现了局部紊流，微观流场发生了改变，流体以该凹陷表面为中心产生了持续的漩涡冲刷，并随凹陷逐渐变深变大，冲刷磨损效应加剧，最终导致凹陷处管壁很快被冲刷磨穿掉。

由此可以得出结论，该钱币状微凹陷为机械安装导致的传热管失效。

实施例3：微动磨损的失效形态及分析

图6(a)所示为某热交换器中，位于支撑板底下的传热管表面破口形貌。可见管外壁上有明显的摩擦条痕，同时该破口上还有条较长的弯曲机械割痕，这显然是传热管在穿过支撑板固定孔时被意外割伤留下的。当时该割痕并未完全破损，但却正好处在支撑板的接触面上，所以当热交换器运行时，由于流体介质波动，传热管必定会与支撑板发生不规则的微动磨损。图6(b)的扫描电镜形貌清晰显示出，该割痕附近有与支撑板发生微动磨损而生成的环形磨损面，并且在磨损面上除了沉积有一层分布疏松的金属磨屑外，还有溃烂、微凹陷等形态，见图6(c)。显然，该机械割痕在微动磨损的持续作用下，外壁表面逐步被磨损减薄，损伤严重，最终因疲劳而开裂失效。

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传热管失效。

 实施例4：异物堵塞的失效形态及分析

在对某海水热交换器的传热管定期检查时，发现许多缺陷管被一些不明异物所堵塞。根据对不同破口形状的微区分析，明确鉴定出这些异物分别是泥沙、贝壳及附近水室的橡胶衬里碎片等。这些堵塞物严重加剧了海水对管壁的局部冲刷磨损效应，形成了特有的破口特征，只有将它们严格区分开来，解决对策具有针对性，治理措施才会有效。

1）泥沙沉积：这种破口特征一般有多条平行的挤压条痕和褶皱，并沿条痕方向同时有多个窄条形破口，而且破口周围表面光滑，见图7(a)。显然，这是由泥沙沉积管内后被含泥沙海水产生的磨粒磨损和冲击磨损的复合作用所致，其总磨损量可用式（1）表示。显然，其冲刷磨损效应与管内海水平均流速的指数倍（Vⁿ）有很大的关联。泥沙堵塞的管壁在海水的选择性磨粒磨损和冲刷磨损的复合作用下，壁厚减薄加快，最终被磨破。

W_e ＝W_w + kVⁿ                        （1）

其中，W_e、W_w、kVⁿ分别为总磨损量、磨粒磨损量和冲刷磨损量，V为海水流速，n为大于2.2的材料常数，k为物性参数。

2）贝壳卡塞：经微区分析，贝壳卡塞引起的破口形貌酷似马蹄形且边缘凹凸不平，内壁表面有不规则的冲刷痕迹，见图7(b)。这是由于软贝壳较软且易变形，使得管内壁受到有一定倾角的定向冲击磨损作用。由于管内壁被贝壳阻挡，水流在该缺陷处发生了突变转向，出现了由定向的冲击射流引起的冲刷磨损作用，其磨损量见式（2）。根据管子同一截面流量相等的原则，其水流产生的冲击射流速度要大于管内海水的平均流速，所产生的持续冲击磨损作用很大，因而被这类异物阻挡的管内壁很快被冲刷磨破掉。

W_e ＝ke V ^m                             （2）

其中，V^m是异物处射流速度，m是与角度和异物形状有关的常数，ke是物性参数。

3）橡胶带堵塞：橡胶带堵塞造成的冲刷形态有两种：若橡胶带在管内卷曲并堵住大部分截面，其冲刷磨损行为像贝壳，局部磨损量如式（2）所示，即以冲击磨损为主（图7(c)）；若橡胶带充分伸展，其冲刷磨损行为如同泥沙一样，局部磨损效应如式（1），即存在磨粒磨损和冲刷磨损的复合效应，因而两者叠加后造成的局部磨损效应就极其严重。

由此可以得出结论，以上一系列破口形貌为异物堵塞引起的传热管失效。

 实施例5：酸/碱交替腐蚀的失效形态及分析

某大型热交换器运行过程中部分碳钢传热管发生泄漏，破口形貌如图8(a)所示。经采用离子色谱、电感耦合等离子体发射光谱等手段检测后发现，传热管壳程工艺水介质的化学成份与pH值曾频繁发生大幅度的变化。结合三维体式显微镜、扫描电镜、能谱分析后确认，破口是由图8(b)中的钱币状微孔连体变大所致，而这些微孔本身则是在酸/碱交替腐蚀作用下产生的，同时具有点蚀坑与微纳米级针状碱脆腐蚀产物的特征形貌，见图8(c)。

由此可以得出结论，该类破口为酸/碱交替腐蚀作用导致的传热管失效。

实施例6：点蚀的失效形态及分析

某大型热交换器在例行检修时，观察到部分不锈钢传热管外壁出现有点蚀坑（图9(a)），与内壁光滑表面有明显区别，见图9(b)。采用扫描电镜与能谱分析对如图9(c)所示的点蚀坑进行微区分析发现，坑内具有较高浓度氯离子，而设计工况应是不含这种有害离子的。利用离子色谱分析后，确定氯离子是传热管碱洗操作时不慎引入的，从而最终引起点蚀失效。

由此可以得出结论，该类破口为卤素离子（主要为氯）引起的传热管点蚀失效。