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钛管失效分析
钛管失效分析
郑文龙施伟力魏兰珍
上海材料研究所
2006年10月20日
摘要
2005年8月供货的Φ19×1.35mm二级钛翅片管，当年10月装机发到香港机场，2006年9月起动该批冷冻管时发现泄漏。
经对送来的开裂样管的宏观和微观分析，结果表明该钛管开裂是从管内壁的肋间开始，裂纹以解理和准解理的方式扩裂至管外壁，属脆性氢致开裂。
较高的氢含量和残余应力是导致这次管子开裂的二个主要原因。
最后提出一些建议供参考。
一、前言
上海高克联管件（上海）有限公司生产的钛管翅片管为R50400Grade2纯钛管，管件尺寸为Φ19×1.35mm。
原料管为Φ19×1.40mm，经过如下工艺程序：
1）铸造为Φ360mm×1.2m棒材；
2）加热锻打；
3）车削、钻孔；
4）包铜套、加热挤压；
5）硫酸清洗去铜屑；
6）多辊轧制5─8道，变形量控制在规定范围以下，每二道退火一次；
7）成品退火；
8）酸洗：
8.5%HF+20%HNO3去表面氧化皮。
2005年8月供货，经涡流探伤+气压试验（2.5MPa）,2005年10月装机发到香港机场。
2006年9月准备启用该批冷冻机，在试压时发现6台设备中有3台出现钛管泄漏现象。
泄漏根数分别为：
1根，15根，26根。
为了分析原因，拔出其中一台有15根漏管中的2根，送来我所检测分析。
据甲方提供的情况，加工这批翅片管时发现这批原料管比较硬，成材率只有80%，加工中发现过纵裂现象。
为了分析其开裂原因，对送来的样品进行宏观和微观分析。
实际上这次供香港机场总共有8台两个冷冻机，其泄漏情况见表一：
表一、冷冻机泄漏情况
序号
泄漏根数
总管数
%
备注
1
0
1000
0
材料来自美国
2
1
1000
0.1
材料来自美国
3
0
500多根
0
国产原材料
4
0
500多根
0
国产原材料
5
0
500多根
0
国产原材料
6
1
500多根
0.2
国产原材料（黑）
7
15
835根
1.7
国产原材料
8
26
835根
3.1
国产原材料（B）经酸洗（发白）
二、宏观分析
送来的开裂样管如图一所示，裂纹沿纵向笔直分布，两根样管的裂纹长度分别为33mm及105mm。
裂纹笔直，裂纹口闭合，管壁厚度未发现变化，也未发现可以觉察的塑性变形。
图一、翅片管开裂的宏观形貌（从内壁看）
1．钛翅片管的化学成分
开裂管子的化学成分如表二所示。
表二、开裂管子的化学成分
元素
N
C
H
Fe
O
S
实测值
0.012
0.038
0.0024
0.17
0.15
0.001
ASTMSB-338Grade2
<0.03
<0.08
<0.015
<0.20
<0.18
/
从化学成分检测结果看，符合ASTMSB-338Grade2标准。
2．机械性能的检查
根据此提供的原材料退火态的力学性能与ASTMSB338标准比较，列表三：
表三原材料的力学性能
σy
（MPa）
σb
（MPa）
δ
（%）
HV
批号
原质保书
276.9
416.7
39.4
148.4
KP053271-3
284.5
439.7
31.0
153.7
KP053271-2
288.0
436.0
31.0
152.5
KP053271-4
平均值
283.1
430.8
34.0
151.5
ASTMSB-338Grade2
≤450
≥345
≥20
≤165
从表三可看原管的力学性能符合ASTMSB-338Grade2的标准。
但从原钛管三批质保书的数据可以看出，σy、σb、δ、HV比较是有差别的，其中一批σb的比其它两批低20MPa，δ高出8%。
3．开裂的宏观断口观察
打开裂纹后的断口形貌如图二所示。
从图二中可以看出，断口较为平齐，没有塑性变形的迹象，为脆性断口，断面上的翅片的齿及肋的尺寸依然清晰可见。
图二、打开钛管裂纹后的断口宏观形貌
4、钛管应力释放前后直径对比
为了检测台翅片管的残余应力大小，取不同的管样60mm，后应用线切割，取0.18mm的钼丝沿轴向开一缺口，测量其管子张开的程度，如图三所示，测量线切割前后管子直径的变化，结果如表四所示。
图三测量其管子张开的程度来测定残余应力
表四、管件轴向线切割前后直径变化
（B2裂纹长33mm,3-29裂纹长110mm）
释放前（mm）
释放后（mm）
差值
（mm）
差值
（%）
应力值
（MPa）
开裂
说明
测量值
平均值
测量值
平均值
B1（）
19.10
19.13
19.61
19.62
0.49
2.56
114.7
19.22
19.66
无
19.08
19.60
B2（不在裂纹处）
19.20
19.18
19.74
19.71
0.53
2.76
124
19.20
19.71
30mm
19.14
19.69
B3（原光管）
19.10
19.11
19.13
19.14
0.03
0.16
13.7
19.12
19.14
无
19.10
19.14
A3（原光管）
19.08
19.12
19.10
19.12
0.03
0.16
15.2
19.08
19.13
无
19.10
19.13
3-29（开裂管裂纹处）
19.10
19.98
0.88
4.61
385
裂纹110mm
C119.0019.620.62
从表四结果可以看出，原料管的残余变形在0.16%左右，而翅片加工后的残余变形可达2.65%左右，是原始坯料管的16倍。
而开裂处的变形又是未开裂处的1.7倍，这些变形都已超过材料的屈服极限。
残余应力σR=E＇t（1/D0-1/D）计算。
其中E＇=E（1/1-μ2）
D0为未剖开直径（mm）
D为剖开后直径（mm）
t为钛管实际厚度（0.71mm）
μ为泊松系数（0.3or0.4）
纯钛的弹性模量E=1.06×105MPa
三、微观观察与分析
对开裂管断口进行扫描电子显微镜观察。
取开裂的钛翅片管，采用线切割取其断口，放入扫描电子显微镜进行观察，其结果如图四至图九所示。
从图中可以看出，开裂起始于管内壁的肋间区—薄肉处，裂纹以解理或准解理的方式扩展（图七及图八），在裂纹源处发现有夹杂物或第二相析出物（图九）。
对夹杂物进行X-射线能谱分析（图十，图十一，图十二，图十三）。
结果表明，这些第二相含有Ag,Si,S等，也可能是氧化物或硫化物夹杂物。
图四、断口的低倍形貌
图五、图四的放大图
图六、断口的形貌
图七断口形貌
图八断口形貌
图九（a）断口源处的夹杂物
图九（b）断口源处的夹杂物
图十、起裂源处第二相的EDX能谱图
图十一、起裂源处第二相的EDX能谱图
图十二、起裂源处第二相的EDX能谱图
图十三、起裂源处夹杂物的EDX能谱图
图十四为人为断裂断口的扫描电镜观察结果，断口为韧窝和准解理形貌。
这表明钛管基体也变得较脆。
图十四（a）、人为断裂断口的扫描电子显微镜形貌观察
图十四（b）、人为断裂断口的扫描电子显微镜形貌观察
四、讨论
经对开裂钛翅片管的扫描电镜观察结果表明，这批钛翅片管的开裂起源于管内壁的肋间（薄肉）处，并在起源处看到有第二相存在，EDX谱线表明这第二相含有Ag,Si,K,Na,Mg及S等。
裂源起始以解理和准解理的方式扩展至管外壁，而整体裂纹则是沿着管的轴向扩展。
根据三根来样，一根未开裂，一根裂纹长度为33mm,另一根则长达110mm。
管子开裂处没有明显的塑性变形，即使在翅片管的外壁也没有发现塑性开裂，属脆性开裂。
这批管子在2005年8月加工为钛翅片管，经涡流探伤、气压试验（2.5MPa）合格。
后在2005年10月胀管连接为壳管式换热器，并进行壳层加压试验（2.5MPa），未发现有管子泄漏问题，合格。
于同年10月发运到香港机场使用。
2006年9月在准备启用该批冷冻机时，发现有三台换热器出现钛管泄漏，泄漏管数量分别为壹根，壹拾伍根，贰拾陆根。
这种经过近一年后发生的脆性开裂是延迟断裂。
即材料在一定的应力作用下，经过一定时间后发生开裂或断裂。
由于该设备在经过一年的时间中没有经受过交变载荷的作用，因此不属于疲劳开裂（有时也称静疲劳）。
这种在一定应力作用下的延迟开裂可以是在一定介质下发生开裂——则称为应力腐蚀开裂。
而本设备还未使用，尚未与介质接触，因此这里只有存在可能氢的作用下的延迟断裂。
考察钛翅片管的制造工艺，有二点值得注意：
1．翅片管采用挤压成型成材，所以有较大的残余应力，根据应力释放原因推测的第一类残余应力值，最高达到了384MPa，此值已经超过些材料的屈服极限（280MPa）。
2．鉴于此，对开裂钛翅片管含氢量[H]的测定结果为24ppm,实际翅片管中的[H]要高于此值。
虽然钛管的含氢量要求<150ppm，符合Grade2的要求，但对于冷挤压的钛管而言，对氢的延迟开裂是敏感的。
一般氢在α钛中的溶解度为4ppm,由于这批钛管在交货时是先退火处理，后为了美观而进行了酸洗，这为钛管提供了氢源。
以此可以判定这次钛翅片管的开裂为氢致开裂（HIC）。
因为氢的延迟开裂存在一个临界应力σHIC及临界含氢量[H]c,一旦应力低于σHIC临界应力就不发生HIC，而[H]<[H]c，也不发生延迟开裂。
只有当σW>σHIC及[H]>[H]c时才发生HIC。
根据表四的测定结果，可以作如下一个推示（图十五）。
图十五.钛翅片管的延迟开裂与应力的关系
114MPa为未发生开裂的翅片管的残余应力，当钛翅片管的残余应力σR<114MPa可以认为不会发生氢的延迟开裂，即可以认为σHIC≈114MPa，σR越大，裂纹扩展得愈长。
为了进一步确定σHIC值，还需进一步测量更多翅片管，特别是已经使用而没有发生开裂的钛翅片管来进行比较。
而这个工作的结果将对钛翅片管原料，加工及寿命评估是有意义的。
五、结论
根据以上分析这批已开裂钛翅片管的宏观和微观的分析可以得出以下结论：
1．这批钛翅片管开裂属于氢致开裂（HIC）。
原因是
（1）开裂起源于管内壁肋间处，源处有第二相质点存在；
（2）钛翅片管具有高的残余应力，σR>114MPa；
（3）钛翅片管中含有大于24ppm的氢。
2．经过酸洗的钛管具有较多的氢，所以此处理的管子开裂的概率也高于未进行酸洗的管子。
六、建议
基于上述分析，为避免类似事故发生，建议：
1．禁止原料管的酸洗；
2．提高原料管的纯净度；
3．降低钛翅片管的残余应力。
以上建议仅供厂家参考。
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