鋯合金因具有良好的核性能、加工性能及抗腐蝕性能，被廣泛應用于壓水堆的結構材料[1]。鋯合金管材主要承擔著(zhù)密封鈾芯塊的作用，其產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定著(zhù)反應堆的安全和質(zhì)量。

粘結缺陷及研究綜述

目前，二輥周期軋制是鋯合金管材加工的主要方法。鋯合金管材軋制后，內表面會(huì )出現一種沿管內壁呈現“線(xiàn)狀”而沿著(zhù)管徑方向呈約45°夾角形貌的折疊現象，其典型形貌如圖1所示，將其稱(chēng)為粘結缺陷。這些含有粘結缺陷的管材在反應堆苛刻的環(huán)境中可能會(huì )導致鋯合金包殼管破損，從而造成核泄漏。

針對鋯合金管材內表面存在粘結缺陷問(wèn)題，國內外專(zhuān)家進(jìn)行了大量的研究。Hideaki Abe等研究認為Zr-4合金管材內壁軋制產(chǎn)生的缺陷主要是由于減徑量與減壁量共同作用的結果，當減徑量與減壁量的比值Q＜1.5時(shí)管材各區間受力方向不一致，導致容易產(chǎn)生內壁缺陷[2]。Montmitonnet P.等人通過(guò)建立鋯合金軋制模型最終認為產(chǎn)生缺陷是由于軋制回程階段的受力方式造成的[3]。林剛等人認為管材內壁缺陷是軋制坯料與芯頭接觸面的摩擦作用的結果，管坯與芯頭接觸面的摩擦力越大，軋制后的管材越粗糙，產(chǎn)生管材內壁缺陷越容易[4]。上述研究均為基于實(shí)驗室的理論研究，然而工廠(chǎng)批量化生產(chǎn)過(guò)程中的鋯合金管材內表面產(chǎn)生的粘結缺陷的原因及控制措施尚未見(jiàn)相關(guān)研究。文章以鋯合金管材內表面粘結缺陷為研究對象，從生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行排查，為提高鋯合金管材的質(zhì)量奠定基礎。

故障樹(shù)法分析

利用故障樹(shù)的方法，從軋制及內酸洗工序中的人員、設備、原料和工藝排查對鋯合金管材內表面可能造成粘結缺陷的原因。排查和分析結果如圖2所示。鋯合金管坯內表面存在點(diǎn)坑和劃傷缺陷，這些含有缺陷的管坯在軋制過(guò)程中由于管坯的擠壓變形，從而在管材的內表面出現了折疊現象，造成粘結缺陷[5-7]。

有限元法分析

利用有限元(FEM)理論，建立了Zr-4合金管材內壁粘結形成的FEM模型，其具體形成過(guò)程如圖3所(a) 內表面形貌圖 (b) 剖面形貌圖1 Zr-4合金管材內表面缺陷形貌圖圖2 鋯合金管材內表面粘結故障樹(shù)分析圖示。管材在軋制過(guò)程中，由于管坯內壁和芯頭之間未能充分潤滑，從而導致管材軋制過(guò)程中的摩擦力較大，因此軋制后的Zr-4合金管材局部區域會(huì )形成堆積、折疊現象，其具體形貌如圖3(a)所示。這些含有堆積、折疊等現象的管坯在下一道次過(guò)程會(huì )出現應變分布不均的現象，產(chǎn)生這種現象的原因是由于Zr-4合金管材在軋制過(guò)程中平行于管材延伸方向的軸向拉應力和垂直于管材內壁的徑向壓應力的共同作用。在后續單道次軋制變形量過(guò)大時(shí)，管材在孔型的旋轉加壓下收縮直徑，當孔型旋轉到粘接的位置，管壁金屬在不均的外力下產(chǎn)生流動(dòng)，從而在管內壁形成應變分布不均勻的現象，并以缺陷為中心在缺陷部位形成局部堆積現象，形成折疊初期形貌，如圖3(b)和(c)所示。管材繼續軋制時(shí)，管材內部的折疊邊緣收到芯頭施加的軸向摩擦力的作用，部分發(fā)生磨損、則呈現不規則的鋸齒形貌，從而形成折疊線(xiàn)狀最終形貌如圖3(d)的粘結缺陷。利用Zr-4合 金管材粘結形成的FEM的模型對折疊形成原因進(jìn)一步分析，該模型的模擬結果與實(shí)際排查結果結論一致，進(jìn)一步驗證了排查原因的準確性。

改進(jìn)措施

根據鋯合金管材粘結缺陷的原因分析，提出生產(chǎn)過(guò)程暫時(shí)改進(jìn)措施如下：管坯軋制前，對管坯進(jìn)行超聲檢測，若管坯中存在缺陷，則將缺陷標識出；管坯生產(chǎn)過(guò)程中增加內酸洗工序，消除管坯中的缺陷；管材軋制過(guò)程中，增加抽樣自檢和專(zhuān)職過(guò)程檢驗，若發(fā)現缺陷，及時(shí)將缺陷管材進(jìn)行標識，按照正常的返工工序進(jìn)行處理，消除管材中的缺陷；對軋制乳液箱和乳液容器進(jìn)行密封，避免粉塵或者雜質(zhì)進(jìn)入；將鋯合金管坯和管材內酸洗去除量設計為上限值。

按照提出的措施對鋯合金管材軋制和內酸洗過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，基本消除了鋯合金管材中的粘結缺陷。由于上述措施只是暫時(shí)的改進(jìn)措施，從核質(zhì)保管理體系來(lái)說(shuō)，質(zhì)量的管理是一個(gè)持續改進(jìn)的過(guò)程。為了消除管材中的粘結缺陷，提出了長(cháng)期改進(jìn)工藝措施如下：重新設計管材軋制工藝，優(yōu)化現有鋯合金管材中的Q值；重新設計鋯合金管材工模具曲線(xiàn)，優(yōu)化鋯合金管軋制過(guò)程中的變形區間；在軋制設備上安置軋制力檢測裝置，發(fā)現軋制過(guò)程中的摩擦力異常則對軋機進(jìn)行自動(dòng)調整。

結束語(yǔ)

在鋯合金的生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常有各種問(wèn)題存在。這就要求在生產(chǎn)過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗，并結合新的理論和方法，不斷對產(chǎn)生問(wèn)題的原因進(jìn)行總結，進(jìn)一步提高鋯合金管材產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻

[1]劉建章. 核結構材料. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007

[2]Abe H，Tarui H，Kobayashi T，et al. Deformability of zirconium-lined cladding tube in cold pilgering. American Socicty for Testing and Materials Philadelphia，1991：35

[3]Montmitonnet P，Logé R，Hamery M，et al. 3D elastic–plastic fi nite element simulation of cold pilgering of zircaloy tubes. Journal of Materials Processing Technology，2002，s 125-126(02)：814

[4]林剛，楊院生，郭大勇，等. 具有復合組織的不銹鋼管周期軋制過(guò)程的數值模擬. 金屬學(xué)報，2004，40(7)：779

[5]田冬青，高潤生，焦殿輝，等. 核安全1級閥門(mén)典型違規事件分析. 核安全，2014，13(3)：56

[6]李力，郭猛，韓垂煌，等. 基于故障樹(shù)的核電站循環(huán)水泵電機燒瓦問(wèn)題研究. 機電工程，2015，32(9)：1246

[7]張偉明，張洪流. 基于事故樹(shù)的凝汽器生銹原因分析. 核動(dòng)力工程，2011，32(s2)：97

作者簡(jiǎn)介：竇麗娟(1976—)，女，河南平頂山人，國核寶鈦鋯業(yè)股份公司安全質(zhì)量管理部高級檢測工。在全國各種期刊上發(fā)表多篇論文。E-mail：2019869712@qq.com。

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