鋯合金管材內(nèi)表面粘結(jié)缺陷及控制

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(yīng)用于壓水堆的結(jié)構(gòu)材料 [1] 。鋯合金管材主要承擔(dān)著密封鈾芯塊的作用，其產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定著反應(yīng)堆的安全和質(zhì)量。

1、粘結(jié)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(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)一種沿管內(nèi)壁呈現(xiàn)“線狀”而沿著管徑方向呈約45°夾角形貌的折疊現(xiàn)象，其典型形貌如圖1所示，將其稱為粘結(jié)缺陷。這些含有粘結(jié)缺陷的管材在反應(yīng)堆苛刻的環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致鋯合金包殼管破損，從而造成核泄漏針對(duì)鋯合金管材內(nèi)表面存在粘結(jié)缺陷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量的研究。Hideaki Abe等研究認(rèn)為Zr-4合金管材內(nèi)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(jié)果，當(dāng)減徑量與減壁量的比值Q＜1.5時(shí)管材各區(qū)間受力方向不一致，導(dǎo)致容易產(chǎn)生內(nèi)壁缺陷 [2] 。Montmitonnet P.等人通過(guò)建立鋯合金軋制模型最終認(rèn)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(rèn)為管材內(nèi)壁缺 陷是軋制坯料與芯頭接觸面的摩擦作用的結(jié)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(nèi)壁缺陷越容易 [4] 。上述研究均為基于實(shí)驗(yàn)室的理論研究，然而工廠批量化生產(chǎn)過(guò)程中的鋯合金管材內(nèi)表面產(chǎn)生的粘結(jié)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(nèi)表面粘結(jié)缺陷為研究對(duì)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(chǔ)。

圖1 Zr-4合金管材內(nèi)表面缺陷形貌圖

2、故障樹(shù)法分析

利用故障樹(shù)的方法，從軋制及內(nèi)酸洗工序中的人員、設(shè)備、原料和工藝排查對(duì)鋯合金管材內(nèi)表面可能造成粘結(jié)缺陷的原因。排查和分析結(jié)果如圖2所示。鋯合金管坯內(nèi)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(nèi)表面出現(xiàn)了折疊現(xiàn)象，造成粘結(jié)缺陷 [5-7] 。

圖2 鋯合金管材內(nèi)表面粘結(jié)故障樹(shù)分析圖

3、有限元法分析

利用有限元(FEM)理論，建立了Zr-4合金管材內(nèi)壁粘結(jié)形成的FEM模型，其具體形成過(guò)程如圖3所示。管材在軋制過(guò)程中，由于管坯內(nèi)壁和芯頭之間未能充分潤(rùn)滑，從而導(dǎo)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(qū)域會(huì)形成堆積、折疊現(xiàn)象，其具體形貌如圖3(a)所示。這些含有堆積、折疊等現(xiàn)象的管坯在下一道次過(guò)程會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變分布不均的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)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(yīng)力和垂直于管材內(nèi)壁的徑向壓應(yīng)力的共同作用。在后續(xù)單道次軋制變形量過(guò)大時(shí)，管材在孔型的旋轉(zhuǎn)加壓下收縮直徑，當(dāng)孔型旋轉(zhuǎn)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(nèi)壁形成應(yīng)變分布不均勻的現(xiàn)象，并以缺陷為中心在缺陷部位形成局部堆積現(xiàn)象，形成折疊初期形貌，如圖3(b)和(c)所示。管材繼續(xù)軋制時(shí)，管材內(nèi)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(xiàn)不規(guī)則的鋸齒形貌，從而形成折疊線狀最終形貌如圖3(d)的粘結(jié)缺陷。利用Zr-4合金管材粘結(jié)形成的FEM的模型對(duì)折疊形成原因進(jìn)一步分析，該模型的模擬結(jié)果與實(shí)際排查結(jié)果結(jié)論一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了排查原因的準(zhǔn)確性。

圖3 Zr-4合金管材內(nèi)壁粘結(jié)產(chǎn)生的FEM模型

4、改進(jìn)措施

根據(jù)鋯合金管材粘結(jié)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(duì)管坯進(jìn)行超聲檢測(cè)，若管坯中存在缺陷，則將缺陷標(biāo)識(shí)出；管坯生產(chǎn)過(guò)程中增加內(nèi)酸洗工序，消除管坯中的缺陷；管材軋制過(guò)程中，增加抽樣自檢和專職過(guò)程檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)將缺陷管材進(jìn)行標(biāo)識(shí)，按照正常的返工工序進(jìn)行處理，消除管材中的缺陷；對(duì)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(nèi)酸洗去除量設(shè)計(jì)為上限值。

按照提出的措施對(duì)鋯合金管材軋制和內(nèi)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(jié)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(xù)改進(jìn)的過(guò)程。為了消除管材中的粘結(jié)缺陷，提出了長(zhǎng)期改進(jìn)工藝措施如下：重新設(shè)計(jì)管材軋制工藝，優(yōu)化現(xiàn)有鋯合金管材中的Q值；重新設(shè)計(jì)鋯合金管材工模具曲線，優(yōu)化鋯合金管軋制過(guò)程中的變形區(qū)間；在軋制設(shè)備上安置軋制力檢測(cè)裝置，發(fā)現(xiàn)軋制過(guò)程中的摩擦力異常則對(duì)軋機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

5、結(jié)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(yàn)，并結(jié)合新的理論和方法，不斷對(duì)產(chǎn)生問(wèn)題的原因進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)一步提高鋯合金管材產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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