鋯合金管材內表面粘結缺陷及控制

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，其產品的質量直接決定著反應堆的安全和質量。

1、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，內表面會出現一種沿管內壁呈現“線狀”而沿著管徑方向呈約45°夾角形貌的折疊現象，其典型形貌如圖1所示，將其稱為粘結缺陷。這些含有粘結缺陷的管材在反應堆苛刻的環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表面存在粘結缺陷問題，國內外專家進行了大量的研究。Hideaki Abe等研究認為Zr-4合金管材內壁軋制產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時管材各區間受力方向不一致，導致容易產生內壁缺陷 [2] 。Montmitonnet P.等人通過建立鋯合金軋制模型最終認為產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，產生管材內壁缺陷越容易 [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過程中的鋯合金管材內表面產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表面粘結缺陷為研究對象，從生產過程中進行排查，為提高

鋯合金管材的質量奠定基礎。

圖1 Zr-4合金管材內表面缺陷形貌圖

2、故障樹法分析

利用故障樹的方法，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，從而在管材的內表面出現了折疊現象，造成粘結缺陷 [5-7] 。

圖2 鋯合金管材內表面粘結故障樹分析圖

3、有限元法分析

利用有限元(FEM)理論，建立了Zr-4合金管材內壁粘結形成的FEM模型，其具體形成過程如圖3所示。管材在軋制過程中，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程會出現應變分布不均的現象，產生這種現象的原因是由于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壁的徑向壓應力的共同作用。在后續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生流動，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，管材內部的折疊邊緣收到芯頭施加的軸向摩擦力的作用，部分發生磨損、則呈現不規則的鋸齒形貌，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。

圖3 Zr-4合金管材內壁粘結產生的FEM模型

4、改進措施

根據鋯合金管材粘結缺陷的原因分析，提出生產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；管坯生產過程中增加內酸洗工序，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，若發現缺陷，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，避免粉塵或者雜質進入；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，從核質保管理體系來說，質量的管理是一個持續改進的過程。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，優化鋯合金管軋制過程中的變形區間；在軋制設備上安置軋制力檢測裝置，發現軋制過程中的摩擦力異常則對軋機進行自動調整。

5、結束語

在鋯合金的生產過程中，經常有各種問題存在。這就要求在生產過程中不斷積累經驗，并結合新的理論和方法，不斷對產生問題的原因進行總結，進一步提高鋯合金管材產品質量。

參考文獻

[1] 劉建章. 核結構材料. 北京：化學工業出版社，2007

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

[3] Montmitonnet P，Logé R，Hamery M，et al. 3D elastic–plasticfi nite element simulation of cold pilgering of zircaloy tubes. Journalof 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，國核寶鈦鋯業股份公司安全質量管理部高級檢測工。在全國各種期刊上發表多篇論文。E-mail：2019869712@qq.com。