基于故障树法的核级锆管退火表面黑点原因分析

供稿|党辉 / DANG Hui

作者单位：1. 国核宝钛锆业股份公司，宝鸡 721013；2. 国家能源核级锆材研发中心，宝鸡 721013；3. 陕西省核级锆材重点实验室，宝鸡 721013

内容导读为获得适宜的塑性和加工性能，核级锆管每道次轧制除油后均进行退火处理，但是生产过程中退火后的核级管材表面出现黑点现象。文章采用故障树分析法对锆管生产过程的设备、人员、原料和生产环境等过程进行分析，认为引起故障的关键环节及原因是乳液箱敞口可能引入杂质以及擦拭布存在污染，提出更换乳液、清理乳液箱、增加防尘滤网、隔离轧制区和更换除油擦拭布等处理措施及建议，为核级锆管生产质量管理提供了参考。

锆合金因具有优良的核性能、加工性能，且在高温高压下具有优异的抗腐蚀性，常用于水冷反应堆的核级锆包壳管材料[1]。核级锆管每道次轧制除油后均进行退火处理可获得适宜的塑性和加工性能。某公司发现退火后的核级管材表面存在黑点现象。由于锆管表面质量与成品腐蚀性能影响很大：粗糙、有划伤和化学污染的表面会加速锆合金腐蚀速率[2]。为了确保核级锆管产品质量，本文采用故障树分析方法，从系统的角度对核级锆管退火后黑点进行分析，并寻找出导致缺陷发生的重要因素，针对这些因素建议采取相应的纠正和预防措施，确保核级锆管生产的质量。

事件描述

某公司核级锆管生产期间，首批次生产的核级锆管个别管材退火后出现了黑点现象，随后在大批量的管材生产过程中，每批次的管材退火后均发现了黑点现象。黑点形貌见图1，黑点直径约1 mm。采用能谱分析电镜对黑点边缘和中心部位进行能谱分析。图2和图3结果表明：黑点中心为坑状形貌，边缘区域较为平坦；黑点处的碳元素、氧元素呈现中心区域高，边缘区域低的分布。

图1 核级锆管退火后黑点形貌

图2 黑点中心区域电镜形貌及能谱分析结果

图3 黑点边缘区域电镜形貌及能谱分析结果

原因定位

故障树分析法是系统分析质量事件的一种常用方法，具有直观、逻辑性强和可操作性强的特点，目前广泛应用于核工业、化工、航天、电子、机械等领域[3]。根据核级锆管退火表面黑点的电镜观察和能谱分析的结果，绘制核级锆管退火表面黑点现象故障树分析图，如图4。

图4 核级锆管退火后黑点现象故障树分析图

分析故障树中的各基本事件发生时导致的结果：

X1(工模具粗糙)：管材轧制时，如果管坯接触的轧制工模具表面粗糙，那么将会导致轧制后的管材产生点坑、黏接等缺陷，在后续除油工序中不能有效去除点坑、黏接处的油污，最终造成管材退火后出现黑点。

X2(电极漏电)：除油设备中如果电极漏电，那么管材在除油槽中进行除油作业时在漏电电弧的作用下出现黑点。

X3(退火漏油)：如果退火设备密封圈处漏油在升温过程中污染管材表面，那么油污在退火过程中蒸发，从而造成管材退火后出现黑点。

X4(退火真空度偏低)：由于退火设备真空度偏低，因此管材在退火过程中与空气中的氧、氢气体反应，从而表面出现黑点。

X5(人员操作失误)：工作人员经验不足，没有擦拭干净管材局部油污，从而造成管材退火后出现黑点。

X6(材料成分偏差)：核级锆材局部区域化学元素出现超标，导致这些管材超标元素区域在退火后出现黑点。

X7(轧制乳液有杂质)：由于轧制乳液中含有杂质，管材在轧制过程中，这些杂质会造成管材表面出现压坑，这些压坑中的油污不能在后续除油过程中有效去除，因此管材在退火后压坑区域出现黑点。

X8(除油剂过期)：由于除油剂过期，管材在除油过程中不能有效去除表面油污，因而致使这些油污在退火后变为黑点。

X9(擦拭布污染)：如果除油或者退火过程中的擦拭布有污染，那么会造成管材除油后擦拭过程中被污染，管材在退火后出现黑点。

对各基本事件进行调查并开展相应的实验，调查情况如表1所示。

表1 各基本事件调查情况

通过对表1的各项基本事件进行检查，可以得出导致核级锆管退火后表面黑点的主要原因是：(1)乳液箱敞口可能引入杂质，轧制中将杂质压入而造成点坑，除油后不能将点坑处的油污清除干净；(2)擦拭布存在污染。

改进措施

根据故障树分析可知，基本事件X7和X9发生必然导致顶部事件核级锆管退火后表面出现黑点现象，因此在后续生产过程中的改进措施为：

(1) 针对乳液箱敞口基本事件，将管材轧制原有乳液更换为新乳液，并对原乳液进行过滤，消除原乳液中杂质。

(2) 对轧制乳液箱再次进行清理，去除乳液箱上的油污和杂质，避免乳液箱中存在杂质或者粉尘。

(3) 对轧制乳液箱进行改进设计，增加防粉尘滤网，防止外来粉尘或者杂质进入乳液箱。

(4) 对管材轧制区域进行隔离，确保核级锆管轧制工作区为洁净区间。

(5) 对除油擦拭布进行更换。减少除油擦拭布擦拭管材的次数，消除除油擦拭布对管材表面的影响。

采取改进措施后，在生产过程中核级锆管表面黑点现象得以消除，该质量事件得以圆满解决。

结束语

核级锆管表面黑点质量事件的分析过程与处理结果表明，应用故障树分析法可有效找出引起故障的关键环节。结合故障树中的基本事件，可以找出引起事件的原因为为乳液箱敞口可能引入杂质或者擦拭布存在污染。根据基本事件确定更换原乳液、清理乳液箱、增加防尘滤网、隔离轧制区、更换除油擦拭布等处理措施。核级锆管表面黑点质量事件的圆满解决为核级锆管生产质量管理提供了参考。