核级锆管超声合格率降低事件分析

供稿|于军辉，丁岚，郭周强，李晓珊，王晨阳

核电能源因占地面积小等优点在我国蓬勃发展。锆因具有热中子吸收截面小、优异加工性能和良好的抗腐蚀性和力学性能，常用于水冷核反应堆的包壳管和结构材料[1]。核级锆包壳管常用于包裹铀芯块的功能，若其管壁中存在超声缺陷，会造成包壳管的破损，进而导致一回路中检测剂量超标，直接影响核反应堆的安全和正常运行。鉴于核级锆管在堆内承担着特殊作用，其产品的质量一直是核材料生产单位关注和研究的重点。本文以核级锆管材料在生产过程中出现成品轧制超声监测合格率偏低的质量事件为例，利用故障树的方法对生产过程的人员、工艺、设备及原料进行分析和探讨，明确质量事件产生的原因，分析产生该事件的机理，采取了一定措施获得了有效的结果。为加强核级锆管生产过程中的质量管理和过程控制、消除生产过程中的质量隐患，提升公司核安全文化理念奠定基础。

原因排查

某公司使用锆合金管材首批产品的工艺流程进行后续产品的批量生产。在首批后的第一个批次(以下简称问题批)的成品轧制过程中，该批次的超声监测合格率为58.3%，远低于首批成品合格率86.4%，主要表现为超声纵伤缺陷。经过对成品超声纵伤缺陷的管材进行解剖，其内表面形貌如图1所示。

核级锆管的质量和安全是核反应堆安全和质量的重要保障，公司针对问题批次核级锆管合格率偏低的质量事件，停止了其余批次的生产，以首批生产时各方面的质量为基准，绘制故障树(如图2所示)进行排查[2]。对于故障树中的基本事件[3，4]，现对其发生时导致的结果分析：

X1(人员违规)：由于操作人员经验不足，管材在轧制过程中操作不当，造成管材轧制后出现缺陷。

X2(转角异常)：管材轧制时，若轧制的转角异常，管材与孔型设计不匹配，导致管材轧制中出现缺陷。

X3(车速异常)：管材轧制时，若轧制的车速存在异常，管材车速过快，导致管材轧制变形不均匀，轧制后的管材出现缺陷。这些含有缺陷管材在超声探伤过程中检测出缺陷，导致该批超声合格率偏低。

X4(送进量异常)：管材轧制时，若轧制的送进量存在异常，导致管材轧制润滑不充分且变形不均匀，从而导致管材轧制中出现缺陷。

X5(孔型磨损)：孔型磨损导致轧制后的管材外表面状态不佳和润滑不均匀，造成轧制后的管材外表面出现缺陷。

X6(芯头磨损)：芯头磨损导致轧制后的管材内表面状态不佳和润滑不均匀，造成轧制后的管材外表面出现缺陷。

X7(曲线不合理)：孔型曲线设置不合理导致管材轧制过程中过渡段、变形段及精整段变形不均匀，从而造成管材产生缺陷。

X8(孔型和芯头不匹配)：孔型和芯头不匹配导致管材在轧制过程中出现折叠。

图1 Zr-4合金管材内表面缺陷形貌图

图2 核级锆包壳管超声合格率偏低事件故障树分析图

X9(化学成分超标)：管材化学成分超标造成管材变形不均匀，轧制后的管材出现缺陷。

X10(组织粗大)：管材组织粗大造成管材轧制变形异常，轧制后的管材出现缺陷。

X11(Q值，即减壁与减径比)：管材各规格轧制过程的Q值偏低，导致管材在过度段、变形段及精整段变形不均匀。

X12(退火温度偏高)：退火温度偏高导致管材局部组织偏大，造成管材变形不均匀。

X13(内酸洗去除量不足)：内酸洗工序去除量不足会导致轧制产生的缺陷，这些缺陷会在下一道次轧制中继续扩展，从而导致成品管材出现裂纹缺陷。

经过对各基本事件的调查并开展相应的实验分析得出：

(1) 在管材第三道次轧制过程中，孔型的设计曲线在第26个截面Q值急剧下降至1.0以下。这可能是导致第三道次轧制后产品内表面质量不好的原因之一。该原因对应X7基事件。

(2) 在管材第三道次的内酸洗过程中，内酸洗去除量仅有20 μm，对轧制前坯料的内表面质量改善不大。该原因对应X13基事件。

(3) 第四道次轧制变形工艺，Q值仅有0.75。可能使第四道次轧制坯料管材内表面的缺陷放大并演变成裂纹。第三道次管材内表面典型缺陷见图3和4，第四道次管材内表面典型缺陷见图5。含有缺陷的管材轧制成品管材时会出现图1的超声纵伤缺陷。

图3 第三道次管材内表面划伤缺陷

图4 第三道次管材内表面点坑缺陷

图5 第四道次管材内表面裂纹缺陷

机理分析

基于FEM(Finite Element Method)理论，建立了锆合金管材裂纹形成的模型，如图6所示。在模型中管坯内表面预先设定类似于点坑或划伤的缺陷，如图6(a)所示。这些点坑或划伤区域会随着管材变形出现不均匀的现象，即出现以点坑或划伤为中心的缺陷堆积或金属流变，形成初始的裂纹源，具体结果如图6(b)和图6(c)所示。随着管材进一步轧制，管材内表面裂纹源继续扩展，局部区域会因变形不均匀而出现不规则的形貌，从而形成如图6(d)所示的裂纹。

图6 Zr-4合金管材内壁折叠缺陷产生的FEM模型

整改措施

针对原因排查发现的问题，提出整改措施：重新设计第三道次孔型和芯头的曲线，摸索工模具曲线设计对产品内表面质量的影响；对于第三道次规格的内酸洗按照内径去除量的上限值进行控制，尽量消除该道次产品的内表面缺陷；对于第三道次轧制后的管材进行过程质量监控，及时预警。

由于该产品的工艺已经定型，各道次的产品暂时难以改变，后续可以优化各道次的Q值，确保各道次Q值满足理论要求。

持续改进

通过工艺参数控制、质量监控等改进措施，该公司体系可有效运行，但还存在一定的改进空间。如人员培训和提高的机会偏少，单位考核制度惩罚和奖励力度不够明确、文件操作要求与现场实际操作还有一定的弹性空间[4]。

建议该公司建立长效机制，细化管理，改进措施为：建立核安全文化为主题的氛围，提升公司员工自主创新的意识和环境。进一步完善公司管理程序文件、工艺指导书内容，切实把核安全文化真正渗透到各项规章制度和文件要求之中。强化人员管理，进一步细化岗位责任要求，不断完善绩效考核与奖惩制度，调动员工的工作积极性，树立良好的安全质量意识。加强技术人员和现场操作人员的充分沟通，消除文件要求内容和现场实际操作中存在的弹性空间。加强现场监督，提高工艺纪律监督检查的作用。

结束语

核级锆管的质量是影响核电站安全的重要保障，是保护堆芯质量的基本保障。在生产过程中，操作人员必须按照文件要求进行操作，每次操作保留相应的原始记录、每次操作过程均有专人负责和监督，将“凡事有章可循、凡事有据可查、凡事有人负责、凡事有人监督”的核文化理念融入到核产品加工制造的全过程中，确保核材料生产过程的质量可控、过程可溯、责任可查。确保每位员工牢固地树立“安全第一、质量第一”的思想并使之铭刻于心。

[1] 扎依莫夫斯基. 核动力用锆合金. 北京：原子能出版社，1988

[2] 核材料会议文集编辑小组. 核材料会议文集(1982). 北京：原子能出版社，1982

[3] 田冬青，高润生，焦殿辉，等. 核安全1级阀门典型违规事件分析. 核安全，2014，13(3)：56

[4] 李力，郭猛，韩垂煌，等. 基于故障树的核电站循环水泵电机烧瓦问题研究. 机电工程，2015，32(9)：1246