工業(yè)純鈦換熱管脹管開(kāi)裂失效分析及預(yù)防措施*

任利娜，齊 亮，楊 健，苗 壯，李 剛，文周鋒，李旭升

（1.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，西安 710201；3.西安漢唐分析檢測(cè)有限公司，西安 710018）

0 前 言

隨著航空航天、石油化工、海洋艦船、海水淡化、核電工業(yè)等特殊行業(yè)及復(fù)雜環(huán)境對(duì)換熱器提出的耐腐蝕及高效換熱等要求[1-2]，工業(yè)純鈦?zhàn)鳛榈湫偷摩列外?，因其具有較高的強(qiáng)塑性匹配及耐蝕特性，在氧化性、中性和弱還原性介質(zhì)中均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，成為理想的管束類(lèi)結(jié)構(gòu)材料。尤其是TA2工業(yè)純鈦薄壁管以其優(yōu)良的換熱效率、良好的耐腐蝕性、抗沖刷性等綜合性能及成本優(yōu)勢(shì)，成為海水或冷卻介質(zhì)惡劣的凝汽器及換熱器首選管材[3-5]，在換熱器行業(yè)備受青睞。

實(shí)際工程應(yīng)用中，換熱管服役一段時(shí)間后發(fā)生泄漏甚至失效的事故時(shí)有報(bào)道[6-8]，相關(guān)研究主要集中在故障分析、失效類(lèi)型、介質(zhì)影響及相關(guān)的換熱參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面[9-12]。對(duì)于這種具有高效換熱特點(diǎn)的薄壁鈦管，前期管材軋制及后續(xù)穿管、脹接等制造環(huán)節(jié)易發(fā)生的壓扁、彎曲甚至發(fā)生不易被檢測(cè)的微小缺陷等相關(guān)問(wèn)題研究較少。因此深入研究薄壁鈦管生產(chǎn)、換熱器制造環(huán)節(jié)及后續(xù)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)或預(yù)防重大事故的發(fā)生具有重要意義。

本研究通過(guò)對(duì)TA2 薄壁鈦管在換熱器制造過(guò)程中發(fā)生的脹管開(kāi)裂失效問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)失效位置分析、宏觀斷口形貌觀察及后續(xù)的金相、EBSD、SEM 等測(cè)試分析，確定了該類(lèi)薄壁鈦管的失效模式，討論了其開(kāi)裂原因及裂紋產(chǎn)生機(jī)理，提出了有效的管材生產(chǎn)管控方法和建議。

1 失效位置宏觀形貌

Φ145 mm 規(guī)格TA2 棒坯經(jīng)過(guò)擠壓制坯、冷加工軋管、真空熱處理等工藝制成Φ13 mm×1.25 mm TA2 換熱管，經(jīng)水壓、氣密、壓扁、擴(kuò)口以及力學(xué)性能等檢測(cè)合格后與管板裝配、脹接及焊接，再經(jīng)過(guò)相關(guān)檢測(cè)最終制成管式換熱器。具體生產(chǎn)流程為：棒坯→擠壓管坯→開(kāi)坯軋制→半成品軋制（多道次）及熱處理→成品軋制及熱處理→矯直→檢測(cè)→管板裝配→脹接→焊接→檢測(cè)→合格換熱器。成品管材須滿足GB/T 3625—2007 或其他訂貨要求，方可作為合格管材與管板裝配完成換熱器生產(chǎn)。在某次換熱器制造過(guò)程中，穿管與脹接環(huán)節(jié)穩(wěn)定正常，在后續(xù)的管板焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)有一支鈦管失效開(kāi)裂，如圖1 所示，圖1（a）和圖1（b）分別為失效位置及管口開(kāi)裂宏觀形貌；將失效鈦管沿軸向切割，圖1（c）～圖1（e）分別為管材端部、脹接區(qū)及正常無(wú)缺陷區(qū)連續(xù)的宏觀斷口樣品，標(biāo)記為1#、2#、3#，整個(gè)取樣過(guò)程盡可能保留鈦管失效部分的原始狀態(tài)。

2 鈦管斷口形貌及失效分析

2.1 1#試樣斷口形貌及失效分析

2.1.1 1#試樣宏觀形貌及微區(qū)SEM

1#試樣位于開(kāi)裂鈦管的最前端管口處，斷口總長(zhǎng)約14 mm，宏觀呈現(xiàn)明暗不同的三個(gè)區(qū)域：A區(qū)光滑發(fā)亮，長(zhǎng)約9 mm；B區(qū)近內(nèi)壁處光滑發(fā)亮，靠近外壁處粗糙發(fā)暗，長(zhǎng)約4 mm；C區(qū)斷口粗糙發(fā)暗，長(zhǎng)約1 mm。斷口形貌及SEM 照片如圖2所示，初步判斷該斷口試樣未能呈現(xiàn)完整的斷裂行為。

圖2 1#試樣宏觀形貌及斷口SEM照片

由圖2 可見(jiàn)，A 區(qū)斷裂面為平整面，沿軸向存在較多“褶皺”及少量非平直形貌，“褶皺”總體與軸向平行。這與管材冷軋過(guò)程沿軸向塑性變形的受力過(guò)程有關(guān)。少量非平直形貌與軸向呈現(xiàn)一定角度，且伴有壓縮、摩擦痕跡，如圖3（b）和圖3（c）所示。觀察該區(qū)域壁厚斷口形貌，并未發(fā)現(xiàn)從內(nèi)、外壁向芯部延伸的擴(kuò)展裂紋或者裂紋源。進(jìn)一步觀察圖3中的“褶皺”及少量非平直形貌，如圖4（a）～圖4（c）所示，幾乎沒(méi)有韌窩存在，因此判斷該區(qū)域?yàn)榻饫頂嗔眩鸭y源及起裂位置無(wú)法從圖中觀察到。

圖3 1#試樣A區(qū)斷口特征分解圖

圖4 1#試樣A區(qū)斷口準(zhǔn)裂紋源不同區(qū)域微觀形貌

結(jié)合上述分析及管材生產(chǎn)、檢測(cè)及后續(xù)使用工況中確實(shí)存在管材頭部被切除的實(shí)際情況，可以斷定原始裂紋源存在（延伸至）于A區(qū)更前端（包含但不限于A區(qū)）。

相對(duì)于A區(qū)整體呈現(xiàn)的光滑平整斷裂面，沿縱向分布具有摩擦、壓縮的痕跡特征（見(jiàn)圖5），而未被摩擦的區(qū)域仍保留著原始的斷裂韌窩。分析認(rèn)為，發(fā)生在脹管后的A區(qū)斷口光亮平整，并非脹管造成的新鮮斷裂面，而是較早存在的開(kāi)放裂紋經(jīng)后期加工（脹管等）變形所造成。根據(jù)管材的加工及變形過(guò)程判斷，該管材頭部殘留的原始裂紋缺陷在進(jìn)入成品軋制前未能在超聲檢測(cè)環(huán)節(jié)被準(zhǔn)確定位進(jìn)而被切除，該缺陷在成品管軋制中在軋輥、芯棒驅(qū)動(dòng)下相互接觸、擠壓、碰撞、摩擦，導(dǎo)致原始的粗糙韌窩斷口形貌趨于平滑（或進(jìn)一步擴(kuò)展開(kāi)裂），并在此過(guò)程中形成如圖5所示的壓縮摩擦痕跡。管材后續(xù)在運(yùn)輸、轉(zhuǎn)序及換熱器制造過(guò)程中，尤其是在脹管外力（脹接力）作用下，以此缺陷為起裂源，沿縱向進(jìn)一步擴(kuò)展延伸至B、C區(qū)域。

1#試樣斷口B區(qū)SEM形貌如圖6所示，內(nèi)壁為摩擦平面起裂區(qū)，外壁為剪切帶，剪切帶與內(nèi)壁平面起裂區(qū)之間大量分布韌窩形貌，屬于裂紋擴(kuò)展區(qū)，因此判斷B區(qū)斷裂是從內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展形成。從右到左觀察B區(qū)，位于內(nèi)壁的平面起裂區(qū)越來(lái)越窄，判斷此起裂區(qū)為A區(qū)開(kāi)放裂紋延伸至此，進(jìn)一步說(shuō)明如果A區(qū)的開(kāi)放裂紋通過(guò)探傷精準(zhǔn)劃線切除干凈，在后續(xù)成品管軋制或管/板脹接過(guò)程中可避免B區(qū)出現(xiàn)裂紋開(kāi)裂及擴(kuò)展。同時(shí)裂紋瞬斷區(qū)的斷裂剪切帶從右到左逐漸變厚，且存在大量的剪切韌窩，與之對(duì)應(yīng)的壁厚方向裂紋擴(kuò)展區(qū)均為韌窩形貌。可以看出B區(qū)的斷裂過(guò)程是以A區(qū)殘留延伸至B區(qū)內(nèi)壁的缺陷為裂紋源，從內(nèi)壁經(jīng)由裂紋擴(kuò)展區(qū)域至外壁形成剪切帶最終斷裂。

圖6 1#試樣B區(qū)SEM形貌

結(jié)合圖5、圖6 及上述分析，可以初步判定1#斷口沒(méi)有冶金缺陷，斷裂過(guò)程為：A 區(qū)斷裂平面為原始裂紋，幾乎沒(méi)有韌窩存在；B 區(qū)以過(guò)渡區(qū)為起裂源，呈現(xiàn)完整的斷裂過(guò)程；C 區(qū)存在大量的剪切韌窩，伴有韌性撕裂形貌，且明顯看出剪切不完整，這是由于在取樣過(guò)程中已將其破壞切除。

2.1.2 1#試樣斷口不同區(qū)域EDS分析

針對(duì)1#試樣A、B、C特征區(qū)域典型微區(qū)進(jìn)行不同倍數(shù)能譜（EDS）掃描分析，結(jié)果如圖7 所示。不論失效鈦管光滑平面斷口還是延伸至后端粗糙斷口均只有Ti元素和少量的C元素，而C元素的存在是后期線切割污染所致。由此可得出，1#試樣管材脹裂失效不是夾雜等冶金缺陷引起的。

圖7 1#試樣不同位置EDS分析結(jié)果

2.2 2#試樣斷口形貌及失效分析

2.2.1 2#試樣宏觀形貌及微區(qū)SEM

2#試樣位于與管板接觸的位置，其開(kāi)裂發(fā)生在端部貼脹區(qū)，宏觀及微區(qū)SEM掃描結(jié)果如圖8所示。

圖8 2#試樣宏觀及微區(qū)SEM形貌

由圖8 可以看出，斷口呈現(xiàn)完整的斷裂過(guò)程，機(jī)理明確、形貌清晰：即沿著管內(nèi)壁的裂紋源A、裂紋擴(kuò)展區(qū)B以及瞬斷區(qū)C。這與脹接過(guò)程中2#試樣所處位置（管板貼脹區(qū)）、受力方向及過(guò)程等實(shí)際工況相吻合。從圖8中的區(qū)域劃分初步判定，管材內(nèi)壁該區(qū)域存在細(xì)微褶皺類(lèi)缺陷，脹管后缺陷沿軸向及壁厚方向進(jìn)一步擴(kuò)展開(kāi)裂，最后的瞬斷區(qū)存在一定程度的撕裂，即剪切瞬間斷裂。

2.2.2 2#試樣斷口不同區(qū)域EDS分析

對(duì)2#試樣上述A、B、C 區(qū)域 進(jìn) 行 能 譜（EDS）掃描分析，選取典型掃描區(qū)域形貌及位置，不同區(qū)域的SEM 形貌及能譜分析結(jié)果如圖9 所示。能譜結(jié)果表明，3 個(gè)區(qū)域的能譜顯示Ti 均為主元素，少量的C 元素的存在為后期線切割污染所致，起裂區(qū)微區(qū)的少量O 元素為斷裂平面裸露在外發(fā)生氧化所致。

圖9 2#試樣不同區(qū)域EDS 掃描結(jié)果

2.3 3#試樣形貌及SEM分析

3#試樣為正常管材部位，宏觀形貌如圖1（e）所示，目測(cè)并未發(fā)現(xiàn)異常。分別對(duì)其內(nèi)表面及橫截面進(jìn)行不同倍數(shù)SEM 觀察，如圖10 和圖11所示?？梢钥闯?，內(nèi)表面均勻分布縱向規(guī)律性紋路，這是管材的冷軋縱紋及管坯受力變形的軌跡。為了驗(yàn)證這種縱向紋路是否在后續(xù)管材受力變形等使用過(guò)程中存在潛在隱患，通過(guò)管壁橫截面SEM 掃描測(cè)試的縱向紋路深度與GB/T 3625 管材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的超聲波標(biāo)準(zhǔn)傷深（長(zhǎng)×寬×深：3.18 mm×0.25 mm×0.1 mm）比對(duì)，可以看出內(nèi)壁最大褶皺處的“溝壑”深度尺寸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)傷深0.1 mm （見(jiàn)圖11），符合常規(guī)使用要求。

圖10 3#試樣內(nèi)表面軸向不同位置SEM形貌

圖11 3#試樣內(nèi)表面橫截面不同位置SEM形貌

2.4 管材失效原始裂紋產(chǎn)生原因分析

為了保證TA2 薄壁管壁厚均勻、尺寸穩(wěn)定，成品軋制一般采用三輥軋機(jī)，道次軋制變形量及軋制送進(jìn)量均選取較小參數(shù)。軋制過(guò)程中，軋輥運(yùn)行一個(gè)行程，送進(jìn)量1～3 mm，旋轉(zhuǎn)40°～60°，完成管坯直徑減小、壁厚減薄的變形過(guò)程。單個(gè)軋程中，管坯與軋輥接觸部分受周向壓應(yīng)力作用，其余部分受周向拉應(yīng)力作用，隨著軋制進(jìn)行，坯料不斷旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，管坯橫截面周向不同區(qū)域受周期性交替（拉應(yīng)力→壓應(yīng)力），直至最終成品尺寸。

軋制起始階段由于管材頭部自由端無(wú)對(duì)稱(chēng)約束力，易產(chǎn)生不均勻變形導(dǎo)致的應(yīng)力集中。通常，若頭部有毛刺或不平整等，軋制過(guò)程將會(huì)在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生微裂紋或小缺陷。若這些小缺陷在過(guò)程檢驗(yàn)中未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清除，將會(huì)在后續(xù)軋制過(guò)程中，以此為裂紋源擴(kuò)展、開(kāi)裂，甚至貫穿。因此，管材生產(chǎn)中的過(guò)程檢驗(yàn)，尤其是成品前一道次的檢驗(yàn)尤為重要。裂紋缺陷一般會(huì)在管坯未與軋輥接觸區(qū)域萌生、擴(kuò)展，當(dāng)其隨著管材軋制旋轉(zhuǎn)至與軋輥接觸區(qū)域，受壓應(yīng)力作用，裂紋斷裂面趨于平滑。若管坯頭部存在原始裂紋或者某道次軋制初期即出現(xiàn)裂紋，則隨著軋制的進(jìn)行，該裂紋斷裂面在周期性壓應(yīng)力作用下逐漸趨于平滑，即1#樣品斷口的“平滑段”及“摩擦痕”產(chǎn)生的原因。管材冷軋是“減徑+減壁”的周期性塑性變形過(guò)程，“減徑”形成縱向“褶皺”、而“減壁”則是將“褶皺”展開(kāi)軋平的過(guò)程，最終形成圖11 中的管材橫截面內(nèi)表面深淺不一的“小坑”及軸向的“褶皺”形貌。根據(jù)材料特性、軋管道次變形量及總變形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在一定程度上弱化或最大程度減小內(nèi)壁缺陷，有效避免后續(xù)使用的隱患。

鈦管材冷軋中塑性變形特征決定其頭部容易發(fā)生開(kāi)裂，實(shí)際生產(chǎn)中可通過(guò)超聲探傷、渦流、水壓等方式識(shí)別并切除。本次鈦管失效開(kāi)裂是管材頭部存在的原始裂紋缺陷所導(dǎo)致。追溯原因是由于批量生產(chǎn)過(guò)程中水浸超聲波探傷后管材表面未徹底干燥，在轉(zhuǎn)序過(guò)程中標(biāo)識(shí)被“暈開(kāi)”變得模糊，后續(xù)平頭切定尺工序發(fā)生位置偏離，未將缺陷徹底切除，導(dǎo)致缺陷一直隱藏至脹管后才被發(fā)現(xiàn)。為了杜絕后續(xù)此類(lèi)情況再次發(fā)生，一是建議進(jìn)一步加強(qiáng)成品管材端部的探傷及標(biāo)記；二是根據(jù)管材徑厚比，設(shè)計(jì)合理道次變形量，尤其是成品軋制的減徑、減壁匹配，避免此類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

3 結(jié) 論

（1）Φ13 mm×1.25 mm 規(guī)格TA2 換熱管失效斷口形貌及能譜分析結(jié)果表明，管材不存在化學(xué)成分異常、夾雜等冶金缺陷，直接原因是成品軋制階段管材頭部存在原始裂紋缺陷，且在檢驗(yàn)中未被徹底切除。

（2）薄壁鈦管內(nèi)壁出現(xiàn)的縱向軋制紋，尺寸雖遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，但是原始微裂紋的存在，在后續(xù)某種情況下將促進(jìn)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。

（3）為了避免管材端部發(fā)生開(kāi)裂，應(yīng)加強(qiáng)管材端部無(wú)損檢驗(yàn)及軋管工藝過(guò)程管控。