基于故障樹法的核級(jí)鋯管超聲草狀顯示質(zhì)量問題探究

供稿|于軍輝，李曉珊，郭周強(qiáng)，王晨陽，李小影 / YU Jun-hui , LI Xiao-shan ,GUO Zhou-qiang , WANG Chen-yang , LI Xiao-ying

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章以核級(jí)鋯管超聲檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)的超聲草狀顯示質(zhì)量問題為研究對(duì)象，基于故障樹分析對(duì)鋯管生產(chǎn)過程的人員、設(shè)備、原料和生產(chǎn)工藝等過程開展分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：核級(jí)鋯管超聲草狀顯示質(zhì)量問題的原因是拋光砂帶匹配不當(dāng)、拋光導(dǎo)輪存在老化導(dǎo)致鋯合金管材表面產(chǎn)生密集且較深的磨痕，線聚焦探頭探傷方法對(duì)鋯合金管材表面的磨痕區(qū)域十分敏感，因而在超聲檢測(cè)過程中出現(xiàn)草狀信號(hào)。采用批量生產(chǎn)前試拋、定期更換導(dǎo)輪及返拋等措施后有效消除了鋯合金管材表面超聲檢測(cè)的草狀顯示信號(hào)。

核級(jí)鋯材具有優(yōu)異核性能、力學(xué)性能和加工性能，因此廣泛應(yīng)用于水冷反應(yīng)堆的包殼材料和結(jié)構(gòu)材料[1]。核級(jí)鋯管承擔(dān)著密封鈾芯塊的作用，是反應(yīng)堆安全運(yùn)行的第一個(gè)屏障。線聚焦的超聲檢驗(yàn)方式是核級(jí)鋯管成品無損檢驗(yàn)的方法之一[2]。某批次成品核級(jí)鋯管在超聲波檢驗(yàn)過程，超聲儀器顯示如圖1所示的圖譜。從圖1可見，核級(jí)鋯管部分管材具有草狀顯示，波幅信號(hào)幅度接近60%且密集。此外，在后續(xù)批次的成品檢驗(yàn)過程均發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。有學(xué)者對(duì)鈦合金和奧氏體不銹鋼出現(xiàn)的草狀波進(jìn)行原因研究，認(rèn)為晶粒粗大、組織不均勻或組織各向異性可產(chǎn)生超聲草狀波顯示[3]，但是鮮有關(guān)于鋯合金管材的草狀波的研究。伴隨著核反應(yīng)堆質(zhì)量管理認(rèn)識(shí)的逐步提高，對(duì)核反應(yīng)堆常安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行提出了更高的要求，不斷提升項(xiàng)目核電質(zhì)量管理是所有核電從業(yè)者的使命[2]。本文通過核級(jí)鋯包殼管超聲草狀波顯示產(chǎn)生的原因開展分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，提出了工藝改進(jìn)措施，為降低核級(jí)包殼管超聲顯示、提高包殼管的成品率和核反應(yīng)運(yùn)行的安全性和可靠性奠定基礎(chǔ)。

原因定位

故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是核級(jí)鋯材質(zhì)量分析常用的方法，具有簡單、直觀、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、化工、電子、航天和航海等領(lǐng)域。

圖1 核級(jí)鋯管超聲草狀波顯示圖譜

通過分析核級(jí)鋯管草狀顯示的實(shí)際情況和查閱可能產(chǎn)生該現(xiàn)象的相應(yīng)資料[4-5]，了解該事件發(fā)生的原因及相互之間的邏輯關(guān)系，采用FTA的分析方法繪制故障樹確定系統(tǒng)發(fā)生該事件的原因，如圖2所示。T代表核級(jí)鋯管草狀波顯示頂部事件；A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4代表中間事件；X1～X14代表基本事件。

對(duì)造成超聲檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)草狀信號(hào)波代表的基本事件進(jìn)行分析：X1(人員操作經(jīng)驗(yàn)不足)導(dǎo)致管材在軋制、酸洗、拋光及超聲檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)失誤。X2(工模具設(shè)計(jì)不合理)導(dǎo)致核級(jí)鋯管軋制時(shí)尺寸出現(xiàn)波動(dòng)和內(nèi)外表面缺陷。X3(軋制調(diào)制尺寸不佳)導(dǎo)致核級(jí)鋯管軋制時(shí)整根管材尺寸波動(dòng)異常。X4(酸液濃度過大)導(dǎo)致核級(jí)鋯管酸洗時(shí)去除量尺寸控制波動(dòng)較大。X5(沖水時(shí)間過短)導(dǎo)致核級(jí)鋯管表面存在酸液，從而造成管材內(nèi)外壁尺寸波動(dòng)較大。X6(管材砂帶配備不當(dāng))導(dǎo)致管材拋光過程中管材漏拋和尺寸不佳。X7(拋光導(dǎo)輪傳送不佳)導(dǎo)致管材表面狀態(tài)不佳。X8(拋光導(dǎo)輪夾持過緊)導(dǎo)致管材出現(xiàn)漏拋。X9(入射角度參數(shù)不佳)導(dǎo)致管材超聲檢驗(yàn)時(shí)結(jié)果異常。X10(外界電磁干擾)導(dǎo)致管材超聲檢驗(yàn)時(shí)候出現(xiàn)假信號(hào)。X11(重復(fù)頻率參數(shù)不佳)導(dǎo)致管材超聲檢驗(yàn)時(shí)候出現(xiàn)異常。X12(晶粒組織粗大)超聲波在晶界上造成反射和散射，反射回來的超聲波被探頭接收。X13(管材表面劃傷)導(dǎo)致管材檢驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)波幅較低的信號(hào)。X14(管材表面粗糙)容易使超聲波反射而被探頭接收。

根據(jù)上述故障樹確定的基本事件，采用現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)發(fā)現(xiàn)的基本事件進(jìn)行分析和驗(yàn)證，最終調(diào)查結(jié)果如表1所示[5]。

圖2 核級(jí)鋯管草狀波顯示故障樹

表1 各基本事件調(diào)查情況

圖3 管材草狀顯示區(qū)域與正常區(qū)域微觀金相組織(晶粒度對(duì)比)

圖4 管材草狀顯示與正常區(qū)域外表面金相照片

通過表1可以看出，核級(jí)鋯管超聲草狀顯示的原因是拋光砂帶匹配不當(dāng)和拋光導(dǎo)輪存在老化導(dǎo)致鋯合金管材表面產(chǎn)生密集且較深的磨痕。

原因分析

在鋯合金管材超聲檢測(cè)工序中，超聲探頭常用點(diǎn)聚焦和線聚焦兩種聚焦方式。兩種聲束傳播方式在管材同一截面上的輪廓是相同的，如圖5所示。但點(diǎn)聚焦探頭在管材上形成的是點(diǎn)狀聚焦區(qū)，線聚焦探頭在管材上形成的是沿著軸線延長的線聚焦區(qū)，如圖6所示。正是由于點(diǎn)、線聚焦探頭聲束的分布及掃描方式的不同造成兩種方式各有自己獨(dú)特的適用特點(diǎn)[6]。

圖5 點(diǎn)、線聚焦聲方束在管材截面上的輪廓

圖6 點(diǎn)、線聚焦聲方束在管材軸向上的輪廓

Zr-4合金管材拋光時(shí)采用砂帶拋光，通過旋轉(zhuǎn)的砂帶直接磨削管材外表面，實(shí)現(xiàn)拋光外表面的目的。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，Zr-4合金部分區(qū)域因砂帶磨削量較大(在實(shí)際允許的工藝參數(shù)范圍內(nèi))而會(huì)在其表面產(chǎn)生密集且較深的磨痕。線聚焦探頭探傷方法對(duì)密集且較深的磨痕區(qū)域十分敏感，從而在超聲圖譜中會(huì)出現(xiàn)草狀顯示。

改進(jìn)措施

根據(jù)核級(jí)鋯管超聲草狀顯示的原因分析，對(duì)后續(xù)核級(jí)鋯管生產(chǎn)提出改進(jìn)措施：

(1) 每次對(duì)管材拋光前，匹配砂帶型號(hào)，當(dāng)拋光后管材滿足超聲檢驗(yàn)要求后方可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。(2)在批量生產(chǎn)過程中，砂帶拋光一定數(shù)量后，對(duì)管材進(jìn)行一次超聲檢驗(yàn)抽檢，確保批量生產(chǎn)滿足要求。(3)定期更換拋光導(dǎo)輪。每次拋光機(jī)交接班前進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查。(4)對(duì)核級(jí)鋯管生產(chǎn)過程采取一定的防護(hù)措施，減少對(duì)管材的磨痕。(5)管材超聲檢驗(yàn)前，先對(duì)管材表面進(jìn)行目視檢查，如果發(fā)現(xiàn)表面劃傷的管材則進(jìn)行返拋處理。

措施實(shí)施后，在后續(xù)核級(jí)鋯管生產(chǎn)過程中，超聲草狀顯示得以消除，該質(zhì)量事件得以圓滿解決。

結(jié)束語

核級(jí)鋯管超聲檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)草狀顯示信號(hào)質(zhì)量問題，采用故障樹分析法對(duì)鋯管生產(chǎn)過程的人員、設(shè)備、原料和生產(chǎn)工藝等過程開展分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)產(chǎn)生核級(jí)鋯管草狀顯示信號(hào)質(zhì)量問題的原因進(jìn)行定位，并從超聲檢測(cè)檢測(cè)機(jī)理上進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)措施：

核級(jí)鋯管超聲草狀顯示的原因是拋光砂帶匹配不當(dāng)、拋光導(dǎo)輪存在老化導(dǎo)致鋯合金管材表面產(chǎn)生密集且較深的磨痕。線聚焦探頭探傷方法對(duì)鋯合金管材表面的磨痕區(qū)域十分敏感，從而在超聲檢測(cè)過程中出現(xiàn)草狀信號(hào)。采用批量生產(chǎn)前試拋、定期更換導(dǎo)輪及返拋等措施后有效消除了鋯合金管材表面超聲檢測(cè)的草狀顯示信號(hào)。