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密封鈾芯塊的作用，其產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定著反應堆的安全和質(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(nèi)表面會出現(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(nèi)表面存在粘結缺陷問題，國內(nèi)外專家進行了大量的研究。Hideaki Abe等研究認為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果，當減徑量與減壁量的比值Q＜1.5時管材各區(qū)間受力方向不一致，導致容易產(chǎn)生內(nèi)壁缺陷[2]。Montmitonnet P.等人通過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(nèi)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(nèi)壁缺陷越容易[4]。上述研究均為基于實驗室的理論研究，然而工廠批量化生產(chǎn)過程中的鋯合金管材內(nèi)表面產(chǎn)生的粘結缺陷的原因及控制措施尚未見相關研究。文章以鋯合金管材內(nèi)表面粘結缺陷為研究對象，從生產(chǎn)過程中進行排查，為提高鋯合金管材的質(zhì)量奠定基礎。

故障樹法分析

利用故障樹的方法，從軋制及內(nèi)酸洗工序中的人員、設備、原料和工藝排查對鋯合金管材內(nèi)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(nèi)表面存在點坑和劃傷缺陷，這些含有缺陷的管坯在軋制過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(nèi)壁粘結形成的FEM模型，其具體形成過程如圖3所(a) 內(nèi)表面形貌圖 (b) 剖面形貌圖1 Zr-4合金管材內(nèi)表面缺陷形貌圖圖2 鋯合金管材內(nèi)表面粘結故障樹分析圖示。管材在軋制過程中，由于管坯內(nèi)壁和芯頭之間未能充分潤滑，從而導致管材軋制過程中的摩擦力較大，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程會出現(xiàn)應變分布不均的現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于Zr-4合金管材在軋制過程中平行于管材延伸方向的軸向拉應力和垂直于管材內(nèi)壁的徑向壓應力的共同作用。在后續(xù)單道次軋制變形量過大時，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，從而在管內(nèi)壁形成應變分布不均勻的現(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，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一步分析，該模型的模擬結果與實際排查結果結論一致，進一步驗證了排查原因的準確性。

改進措施

根據(jù)鋯合金管材粘結缺陷的原因分析，提出生產(chǎn)過程暫時改進措施如下：管坯軋制前，對管坯進行超聲檢測，若管坯中存在缺陷，則將缺陷標識出；管坯生產(chǎn)過程中增加內(nèi)酸洗工序，消除管坯中的缺陷；管材軋制過程中，增加抽樣自檢和專職過程檢驗，若發(fā)現(xiàn)缺陷，及時將缺陷管材進行標識，按照正常的返工工序進行處理，消除管材中的缺陷；對軋制乳液箱和乳液容器進行密封，避免粉塵或者雜質(zhì)進入；將鋯合金管坯和管材內(nèi)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(nèi)酸洗過程進行改進，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的改進措施，從核質(zhì)保管理體系來說，質(zhì)量的管理是一個持續(xù)改進的過程。為了消除管材中的粘結缺陷，提出了長期改進工藝措施如下：重新設計管材軋制工藝，優(yōu)化現(xiàn)有鋯合金管材中的Q值；重新設計鋯合金管材工模具曲線，優(yōu)化鋯合金管軋制過程中的變形區(qū)間；在軋制設備上安置軋制力檢測裝置，發(fā)現(xiàn)軋制過程中的摩擦力異常則對軋機進行自動調(diào)整。

結束語

在鋯合金的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常有各種問題存在。這就要求在生產(chǎn)過程中不斷積累經(jīng)驗，并結合新的理論和方法，不斷對產(chǎn)生問題的原因進行總結，進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程的數(shù)值模擬. 金屬學報，2004，40(7)：779

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

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

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

作者簡介：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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