核級鋯管超聲合格率降低事件分析

供稿|于軍輝，丁嵐，郭周強，李曉珊，王晨陽

核電能源因占地面積小等優(yōu)點在我國蓬勃發(fā)展。鋯因具有熱中子吸收截面小、優(yōu)異加工性能和良好的抗腐蝕性和力學性能，常用于水冷核反應堆的包殼管和結構材料[1]。核級鋯包殼管常用于包裹鈾芯塊的功能，若其管壁中存在超聲缺陷，會造成包殼管的破損，進而導致一回路中檢測劑量超標，直接影響核反應堆的安全和正常運行。鑒于核級鋯管在堆內承擔著特殊作用，其產品的質量一直是核材料生產單位關注和研究的重點。本文以核級鋯管材料在生產過程中出現(xiàn)成品軋制超聲監(jiān)測合格率偏低的質量事件為例，利用故障樹的方法對生產過程的人員、工藝、設備及原料進行分析和探討，明確質量事件產生的原因，分析產生該事件的機理，采取了一定措施獲得了有效的結果。為加強核級鋯管生產過程中的質量管理和過程控制、消除生產過程中的質量隱患，提升公司核安全文化理念奠定基礎。

原因排查

某公司使用鋯合金管材首批產品的工藝流程進行后續(xù)產品的批量生產。在首批后的第一個批次(以下簡稱問題批)的成品軋制過程中，該批次的超聲監(jiān)測合格率為58.3%，遠低于首批成品合格率86.4%，主要表現(xiàn)為超聲縱傷缺陷。經(jīng)過對成品超聲縱傷缺陷的管材進行解剖，其內表面形貌如圖1所示。

核級鋯管的質量和安全是核反應堆安全和質量的重要保障，公司針對問題批次核級鋯管合格率偏低的質量事件，停止了其余批次的生產，以首批生產時各方面的質量為基準，繪制故障樹(如圖2所示)進行排查[2]。對于故障樹中的基本事件[3，4]，現(xiàn)對其發(fā)生時導致的結果分析：

X1(人員違規(guī))：由于操作人員經(jīng)驗不足，管材在軋制過程中操作不當，造成管材軋制后出現(xiàn)缺陷。

X2(轉角異常)：管材軋制時，若軋制的轉角異常，管材與孔型設計不匹配，導致管材軋制中出現(xiàn)缺陷。

X3(車速異常)：管材軋制時，若軋制的車速存在異常，管材車速過快，導致管材軋制變形不均勻，軋制后的管材出現(xiàn)缺陷。這些含有缺陷管材在超聲探傷過程中檢測出缺陷，導致該批超聲合格率偏低。

X4(送進量異常)：管材軋制時，若軋制的送進量存在異常，導致管材軋制潤滑不充分且變形不均勻，從而導致管材軋制中出現(xiàn)缺陷。

X5(孔型磨損)：孔型磨損導致軋制后的管材外表面狀態(tài)不佳和潤滑不均勻，造成軋制后的管材外表面出現(xiàn)缺陷。

X6(芯頭磨損)：芯頭磨損導致軋制后的管材內表面狀態(tài)不佳和潤滑不均勻，造成軋制后的管材外表面出現(xiàn)缺陷。

X7(曲線不合理)：孔型曲線設置不合理導致管材軋制過程中過渡段、變形段及精整段變形不均勻，從而造成管材產生缺陷。

X8(孔型和芯頭不匹配)：孔型和芯頭不匹配導致管材在軋制過程中出現(xiàn)折疊。

圖1 Zr-4合金管材內表面缺陷形貌圖

圖2 核級鋯包殼管超聲合格率偏低事件故障樹分析圖

X9(化學成分超標)：管材化學成分超標造成管材變形不均勻，軋制后的管材出現(xiàn)缺陷。

X10(組織粗大)：管材組織粗大造成管材軋制變形異常，軋制后的管材出現(xiàn)缺陷。

X11(Q值，即減壁與減徑比)：管材各規(guī)格軋制過程的Q值偏低，導致管材在過度段、變形段及精整段變形不均勻。

X12(退火溫度偏高)：退火溫度偏高導致管材局部組織偏大，造成管材變形不均勻。

X13(內酸洗去除量不足)：內酸洗工序去除量不足會導致軋制產生的缺陷，這些缺陷會在下一道次軋制中繼續(xù)擴展，從而導致成品管材出現(xiàn)裂紋缺陷。

經(jīng)過對各基本事件的調查并開展相應的實驗分析得出：

(1) 在管材第三道次軋制過程中，孔型的設計曲線在第26個截面Q值急劇下降至1.0以下。這可能是導致第三道次軋制后產品內表面質量不好的原因之一。該原因對應X7基事件。

(2) 在管材第三道次的內酸洗過程中，內酸洗去除量僅有20 μm，對軋制前坯料的內表面質量改善不大。該原因對應X13基事件。

(3) 第四道次軋制變形工藝，Q值僅有0.75?？赡苁沟谒牡来诬堉婆髁瞎懿膬缺砻娴娜毕莘糯蟛⒀葑兂闪鸭y。第三道次管材內表面典型缺陷見圖3和4，第四道次管材內表面典型缺陷見圖5。含有缺陷的管材軋制成品管材時會出現(xiàn)圖1的超聲縱傷缺陷。

圖3 第三道次管材內表面劃傷缺陷

圖4 第三道次管材內表面點坑缺陷

圖5 第四道次管材內表面裂紋缺陷

機理分析

基于FEM(Finite Element Method)理論，建立了鋯合金管材裂紋形成的模型，如圖6所示。在模型中管坯內表面預先設定類似于點坑或劃傷的缺陷，如圖6(a)所示。這些點坑或劃傷區(qū)域會隨著管材變形出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，即出現(xiàn)以點坑或劃傷為中心的缺陷堆積或金屬流變，形成初始的裂紋源，具體結果如圖6(b)和圖6(c)所示。隨著管材進一步軋制，管材內表面裂紋源繼續(xù)擴展，局部區(qū)域會因變形不均勻而出現(xiàn)不規(guī)則的形貌，從而形成如圖6(d)所示的裂紋。

圖6 Zr-4合金管材內壁折疊缺陷產生的FEM模型

整改措施

針對原因排查發(fā)現(xiàn)的問題，提出整改措施：重新設計第三道次孔型和芯頭的曲線，摸索工模具曲線設計對產品內表面質量的影響；對于第三道次規(guī)格的內酸洗按照內徑去除量的上限值進行控制，盡量消除該道次產品的內表面缺陷；對于第三道次軋制后的管材進行過程質量監(jiān)控，及時預警。

由于該產品的工藝已經(jīng)定型，各道次的產品暫時難以改變，后續(xù)可以優(yōu)化各道次的Q值，確保各道次Q值滿足理論要求。

持續(xù)改進

通過工藝參數(shù)控制、質量監(jiān)控等改進措施，該公司體系可有效運行，但還存在一定的改進空間。如人員培訓和提高的機會偏少，單位考核制度懲罰和獎勵力度不夠明確、文件操作要求與現(xiàn)場實際操作還有一定的彈性空間[4]。

建議該公司建立長效機制，細化管理，改進措施為：建立核安全文化為主題的氛圍，提升公司員工自主創(chuàng)新的意識和環(huán)境。進一步完善公司管理程序文件、工藝指導書內容，切實把核安全文化真正滲透到各項規(guī)章制度和文件要求之中。強化人員管理，進一步細化崗位責任要求，不斷完善績效考核與獎懲制度，調動員工的工作積極性，樹立良好的安全質量意識。加強技術人員和現(xiàn)場操作人員的充分溝通，消除文件要求內容和現(xiàn)場實際操作中存在的彈性空間。加強現(xiàn)場監(jiān)督，提高工藝紀律監(jiān)督檢查的作用。

結束語

核級鋯管的質量是影響核電站安全的重要保障，是保護堆芯質量的基本保障。在生產過程中，操作人員必須按照文件要求進行操作，每次操作保留相應的原始記錄、每次操作過程均有專人負責和監(jiān)督，將“凡事有章可循、凡事有據(jù)可查、凡事有人負責、凡事有人監(jiān)督”的核文化理念融入到核產品加工制造的全過程中，確保核材料生產過程的質量可控、過程可溯、責任可查。確保每位員工牢固地樹立“安全第一、質量第一”的思想并使之銘刻于心。

[1] 扎依莫夫斯基. 核動力用鋯合金. 北京：原子能出版社，1988

[2] 核材料會議文集編輯小組. 核材料會議文集(1982). 北京：原子能出版社，1982

[3] 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

[4] 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