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(cheng)擔著密封鈾芯塊(kuai)的(de)作(zuo)用，其產品的(de)質量直接決(jue)定著反應堆的(de)安全和質量。

1、粘結缺陷及研究綜述

目前(qian)，二輥周期軋(ya)(ya)制(zhi)是鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)加工的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)方法。鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)軋(ya)(ya)制(zhi)后，內(nei)表(biao)面(mian)會出現(xian)一種沿管(guan)(guan)內(nei)壁(bi)呈(cheng)現(xian)“線狀”而沿著管(guan)(guan)徑方向呈(cheng)約45°夾角形(xing)貌的(de)(de)(de)(de)(de)折疊現(xian)象，其典型(xing)形(xing)貌如(ru)圖1所(suo)示(shi)，將其稱為(wei)粘(zhan)結缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)。這些含有粘(zhan)結缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)在(zai)反應堆苛刻的(de)(de)(de)(de)(de)環境中(zhong)(zhong)可能會導致(zhi)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)包(bao)殼管(guan)(guan)破損(sun)，從而造成核(he)泄漏針對(dui)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)表(biao)面(mian)存在(zai)粘(zhan)結缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)問(wen)題，國內(nei)外專家進行了大(da)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)。Hideaki Abe等研究(jiu)認為(wei)Zr-4合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)壁(bi)軋(ya)(ya)制(zhi)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)主要(yao)是由于(yu)減(jian)徑量(liang)(liang)與減(jian)壁(bi)量(liang)(liang)共同作用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)結果，當減(jian)徑量(liang)(liang)與減(jian)壁(bi)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)比值Q＜1.5時(shi)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)各區(qu)間(jian)受力方向不(bu)一致(zhi)，導致(zhi)容易產(chan)(chan)(chan)生(sheng)內(nei)壁(bi)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian) [2] 。Montmitonnet P.等人通過(guo)建立(li)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)軋(ya)(ya)制(zhi)模型(xing)最(zui)終認為(wei)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)是由于(yu)軋(ya)(ya)制(zhi)回(hui)程(cheng)(cheng)階段(duan)的(de)(de)(de)(de)(de)受力方式(shi)造成的(de)(de)(de)(de)(de) [3] 。林剛等人認為(wei)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)壁(bi)缺(que)(que)(que)(que) 陷(xian)(xian)是軋(ya)(ya)制(zhi)坯(pi)料與芯頭接觸面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)摩(mo)(mo)擦作用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)結果，管(guan)(guan)坯(pi)與芯頭接觸面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)摩(mo)(mo)擦力越大(da)，軋(ya)(ya)制(zhi)后的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)越粗糙，產(chan)(chan)(chan)生(sheng)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)壁(bi)缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)越容易 [4] 。上述研究(jiu)均(jun)為(wei)基于(yu)實驗室的(de)(de)(de)(de)(de)理論研究(jiu)，然而工廠(chang)批量(liang)(liang)化生(sheng)產(chan)(chan)(chan)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)表(biao)面(mian)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)粘(zhan)結缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)及控(kong)制(zhi)措(cuo)施尚未見相關(guan)研究(jiu)。文(wen)章以鋯(gao)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)管(guan)(guan)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)內(nei)表(biao)面(mian)粘(zhan)結缺(que)(que)(que)(que)陷(xian)(xian)為(wei)研究(jiu)對(dui)象，從生(sheng)產(chan)(chan)(chan)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)進行排查，為(wei)提(ti)高(gao)

鋯合金管材的質(zhi)量奠定基礎。

圖(tu)(tu)1 Zr-4合金管材內表面缺陷形貌圖(tu)(tu)

2、故障樹法分析

利(li)用故障樹的(de)(de)方(fang)法，從軋制(zhi)(zhi)及內酸洗工序(xu)中的(de)(de)人員、設備、原料和工藝排查對鋯(gao)合金(jin)管(guan)材內表面可(ke)能(neng)造成粘結缺(que)(que)陷的(de)(de)原因(yin)。排查和分析結果(guo)如(ru)圖2所(suo)示。鋯(gao)合金(jin)管(guan)坯內表面存在(zai)點(dian)坑和劃傷缺(que)(que)陷，這些含有缺(que)(que)陷的(de)(de)管(guan)坯在(zai)軋制(zhi)(zhi)過程中由(you)于管(guan)坯的(de)(de)擠壓變形，從而(er)在(zai)管(guan)材的(de)(de)內表面出現了折(zhe)疊現象，造成粘結缺(que)(que)陷 [5-7] 。

圖2 鋯合金管材(cai)內表面(mian)粘結(jie)故障(zhang)樹分析圖

3、有限元法分析

利用(yong)有限元(FEM)理(li)論，建立(li)了(le)Zr-4合金管(guan)(guan)材(cai)(cai)內壁(bi)粘結形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)FEM模型(xing)(xing)，其具(ju)體形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)過程(cheng)如(ru)圖(tu)3所示(shi)(shi)。管(guan)(guan)材(cai)(cai)在軋(ya)制(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)，由于(yu)(yu)管(guan)(guan)坯內壁(bi)和芯頭之(zhi)間未(wei)能充分(fen)潤(run)滑，從而(er)導致管(guan)(guan)材(cai)(cai)軋(ya)制(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)的(de)(de)(de)摩擦(ca)力(li)(li)較大，因(yin)(yin)此軋(ya)制(zhi)(zhi)后(hou)的(de)(de)(de)Zr-4合金管(guan)(guan)材(cai)(cai)局部區(qu)域會(hui)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)堆積、折(zhe)(zhe)疊(die)現(xian)象(xiang)(xiang)，其具(ju)體形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌如(ru)圖(tu)3(a)所示(shi)(shi)。這些含有堆積、折(zhe)(zhe)疊(die)等現(xian)象(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)管(guan)(guan)坯在下(xia)一道(dao)次過程(cheng)會(hui)出現(xian)應(ying)變(bian)分(fen)布不均的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang)(xiang)，產(chan)生(sheng)這種現(xian)象(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)原因(yin)(yin)是(shi)由于(yu)(yu)Zr-4合金管(guan)(guan)材(cai)(cai)在軋(ya)制(zhi)(zhi)過程(cheng)中(zhong)平(ping)行于(yu)(yu)管(guan)(guan)材(cai)(cai)延伸(shen)方向的(de)(de)(de)軸向拉(la)應(ying)力(li)(li)和垂直于(yu)(yu)管(guan)(guan)材(cai)(cai)內壁(bi)的(de)(de)(de)徑(jing)向壓應(ying)力(li)(li)的(de)(de)(de)共(gong)同作用(yong)。在后(hou)續單道(dao)次軋(ya)制(zhi)(zhi)變(bian)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)量(liang)過大時，管(guan)(guan)材(cai)(cai)在孔(kong)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉加(jia)壓下(xia)收(shou)縮(suo)直徑(jing)，當(dang)孔(kong)型(xing)(xing)旋(xuan)轉到(dao)粘接的(de)(de)(de)位置，管(guan)(guan)壁(bi)金屬在不均的(de)(de)(de)外力(li)(li)下(xia)產(chan)生(sheng)流(liu)動，從而(er)在管(guan)(guan)內壁(bi)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)應(ying)變(bian)分(fen)布不均勻的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang)(xiang)，并以缺(que)陷(xian)為中(zhong)心在缺(que)陷(xian)部位形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)局部堆積現(xian)象(xiang)(xiang)，形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)折(zhe)(zhe)疊(die)初(chu)期形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌，如(ru)圖(tu)3(b)和(c)所示(shi)(shi)。管(guan)(guan)材(cai)(cai)繼(ji)續軋(ya)制(zhi)(zhi)時，管(guan)(guan)材(cai)(cai)內部的(de)(de)(de)折(zhe)(zhe)疊(die)邊緣收(shou)到(dao)芯頭施(shi)加(jia)的(de)(de)(de)軸向摩擦(ca)力(li)(li)的(de)(de)(de)作用(yong)，部分(fen)發生(sheng)磨損、則呈現(xian)不規則的(de)(de)(de)鋸齒形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌，從而(er)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)折(zhe)(zhe)疊(die)線狀最終(zhong)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)貌如(ru)圖(tu)3(d)的(de)(de)(de)粘結缺(que)陷(xian)。利用(yong)Zr-4合金管(guan)(guan)材(cai)(cai)粘結形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)FEM的(de)(de)(de)模型(xing)(xing)對折(zhe)(zhe)疊(die)形(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)原因(yin)(yin)進(jin)一步(bu)(bu)分(fen)析(xi)，該模型(xing)(xing)的(de)(de)(de)模擬(ni)結果與實際排查(cha)結果結論一致，進(jin)一步(bu)(bu)驗證了(le)排查(cha)原因(yin)(yin)的(de)(de)(de)準(zhun)確性(xing)。

圖3 Zr-4合金(jin)管材內壁(bi)粘結(jie)產生(sheng)的FEM模型(xing)

4、改進措施

根據鋯合金管材(cai)粘結缺(que)(que)陷(xian)的原因分析，提出(chu)生(sheng)產(chan)過(guo)程暫時改(gai)進(jin)(jin)措施如下：管(guan)(guan)坯(pi)軋(ya)制(zhi)(zhi)前(qian)，對管(guan)(guan)坯(pi)進(jin)(jin)行超聲檢測，若(ruo)管(guan)(guan)坯(pi)中存在缺(que)(que)陷(xian)，則將(jiang)缺(que)(que)陷(xian)標識出(chu)；管(guan)(guan)坯(pi)生(sheng)產(chan)過(guo)程中增加內酸(suan)洗(xi)工序(xu)，消除(chu)(chu)管(guan)(guan)坯(pi)中的缺(que)(que)陷(xian)；管(guan)(guan)材(cai)軋(ya)制(zhi)(zhi)過(guo)程中，增加抽樣(yang)自(zi)檢和專職過(guo)程檢驗，若(ruo)發(fa)現缺(que)(que)陷(xian)，及時將(jiang)缺(que)(que)陷(xian)管(guan)(guan)材(cai)進(jin)(jin)行標識，按照正常的返工工序(xu)進(jin)(jin)行處理，消除(chu)(chu)管(guan)(guan)材(cai)中的缺(que)(que)陷(xian)；對軋(ya)制(zhi)(zhi)乳液(ye)箱和乳液(ye)容器進(jin)(jin)行密封，避免(mian)粉塵或者(zhe)雜(za)質進(jin)(jin)入；將(jiang)鋯合金管(guan)(guan)坯(pi)和管(guan)(guan)材(cai)內酸(suan)洗(xi)去(qu)除(chu)(chu)量(liang)設計為上限值。

按(an)照提出的(de)(de)措(cuo)施對鋯合金(jin)(jin)管材軋(ya)制和內酸(suan)洗(xi)過程(cheng)(cheng)進行(xing)(xing)改(gai)進，基本消(xiao)(xiao)除了鋯合金(jin)(jin)管材中的(de)(de)粘(zhan)結缺陷。由于(yu)上述措(cuo)施只是暫時的(de)(de)改(gai)進措(cuo)施，從核質保管理(li)體系來說，質量的(de)(de)管理(li)是一個持續改(gai)進的(de)(de)過程(cheng)(cheng)。為了消(xiao)(xiao)除管材中的(de)(de)粘(zhan)結缺陷，提出了長期(qi)改(gai)進工藝(yi)措(cuo)施如下(xia)：重新設(she)計管材軋(ya)制工藝(yi)，優化(hua)現有鋯合金(jin)(jin)管材中的(de)(de)Q值；重新設(she)計鋯合金(jin)(jin)管材工模具曲線，優化(hua)鋯合金(jin)(jin)管軋(ya)制過程(cheng)(cheng)中的(de)(de)變形(xing)區間；在軋(ya)制設(she)備(bei)上安置軋(ya)制力檢測裝置，發現軋(ya)制過程(cheng)(cheng)中的(de)(de)摩擦力異常則對軋(ya)機進行(xing)(xing)自動(dong)調整。

5、結束語

在鋯(gao)合金的(de)生產過程中，經(jing)常有各種問(wen)題存(cun)在。這就要求在生產過程中不斷積累經(jing)驗，并結合新的(de)理論(lun)和方(fang)法(fa)，不斷對產生問(wen)題的(de)原因進行總結，進一(yi)步提高鋯(gao)合金管材產品質(zhi)量。

參考文獻

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作者簡介：竇麗(li)娟(juan)(1976—)，女，河(he)南(nan)平(ping)頂山人，國(guo)核寶鈦鋯業(ye)股份公司安全(quan)(quan)質量管理部(bu)高級檢測(ce)工。在(zai)全(quan)(quan)國(guo)各種期刊上發(fa)表多篇(pian)論文。E-mail：2019869712@qq.com。