鋯合金管材內(nèi)表面折疊缺陷及控制

竇麗娟　黨輝　徐呈　唐穎

【摘 要】在鋯合金管材生產(chǎn)軋制過(guò)程中，內(nèi)表面粘結(jié)缺陷是鋯合金管材內(nèi)表面常見的質(zhì)量控制缺陷之一。本文針對(duì)可能導(dǎo)致粘結(jié)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。為提高鋯合金管材的質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】鋯合金管材；內(nèi)表面；粘結(jié)缺陷；原因分析；改進(jìn)措施

0 目的

鋯合金因其具有良好的核性能、加工性能及抗腐蝕性能，由此被廣泛應(yīng)用于壓水堆的反應(yīng)結(jié)構(gòu)材料[1]。在核反應(yīng)堆中，鋯合金管材主要承擔(dān)著密封鈾芯塊的作用，其產(chǎn)品質(zhì)量直接決定著反應(yīng)堆的安全和性能。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”近似約45°夾角形貌的折疊現(xiàn)象，我們將其稱為粘結(jié)缺陷。這些含有粘結(jié)缺陷的管材在反應(yīng)堆中會(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。Hide -aki 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的比值（Q值）共同作用的結(jié)果]。P. Montmitonnet等人則通過(guò)鋯合金軋制模型最終認(rèn)為產(chǎn)生缺陷的原因是由于軋制回程階段的受力方式造成的[2]。上述研究?jī)H限于實(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)缺陷原因及控制措施尚未有相應(yīng)的研究。本文以鋯合金管材內(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)。

1 原因分析

根據(jù)人、機(jī)、料、法、環(huán)影響產(chǎn)品五大因素來(lái)分析，從軋制和內(nèi)酸洗工序中進(jìn)行排查對(duì)鋯合金管材內(nèi)表面可能造成折疊缺陷的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：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，在管材的內(nèi)表面出現(xiàn)了折疊現(xiàn)象，造成內(nèi)壁缺陷[3-6]。

管材在軋制過(guò)程中，折疊缺陷具體形成過(guò)程所示。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，這樣軋制后的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)程中由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3圖（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2圖（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。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)鋯合金管材粘結(jié)定位的原因，現(xiàn)提出后續(xù)暫時(shí)改進(jìn)措施，內(nèi)容如下：

（a）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。

（b）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。

（c）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。

（d） 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。

（e）將鋯合金管坯和管材內(nèi)酸洗去除量設(shè)計(jì)為上限值。

按照上述改進(jìn)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，上述只是暫時(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，提出長(zhǎng)期改進(jìn)工藝措施，內(nèi)容如下：

1）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。

2）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。

3 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。采用人、機(jī)、料、法、環(huán)可有效的分析出問(wèn)題產(chǎn)生的原因。這就要求我們?cè)谏a(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)生的問(wèn)題原因進(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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[責(zé)任編輯：張濤]endprint