内酸洗去除核用锆合金管材内表面缺陷的影响

2018-12-28乔旺旺庞玉华鲁旭卓

山东化工 2018年23期

乔旺旺，庞玉华，鲁旭卓

(1.西安建筑科技大学，陕西西安 710055;2.上海九纳环保科技有限公司，上海 201010)

锆合金因其优异的核性能被用作水冷反应堆的燃料包覆材料和其他堆芯结构材料，典型的商业化Zr－2合金用于沸水堆(BWR)，Zr－4合金用于压力堆(PWR)，已取得长期的运行经验，被ASTM列为核工业应用的成熟合金，40多年来没有被其他合金所代替。随着高性能燃料组件的开发，新型高性能锆合金的研究与开发已十分活跃。改进锆合金的加工工艺与研制新合金是材料研制的两个重要方面，缺一不可。近年来，锆合金加工工艺技术在新工艺、新设备方面有了很大的发展［1］。锆合金管材的表面状态对其抗腐蚀性能和吸氢性能特别是堆内使用性能有很大影响，表面处理工艺是管材加工中的一项关键技术。表面处理技术主要是对成品管材进行内表面流动酸洗，外表面机械抛光，或者内表面喷砂，外表面酸洗处理，前一种工艺被认为更合理［1］。目前所采用的减壁和减径组合变形过程对管材内表面造成较大的影响，为了确保管材内表面质量满足要求，特别对管材内表面处理方法进行摸索［2］。

1 实验过程

实验料选用退火态的Zr－4锆合金Φ31.75管材坯料，坯料在轧制后取剖样，使用600目砂纸对内表面打磨后发现局部点坑，还存在加工流线及流线中隐藏的小黑点，为了确定点坑深度，验证内流动酸洗对消除点坑等缺陷的有效性，并通过处理后的坯料轧制验证该点坑是否会对半成品轧制产生影响。从两个管号的2个尺寸样中选取缺陷最深的试样对其两端使用金相法测量缺陷深度(磨制4次，观察一端4个横截面，取其最大值)，测得的最大点坑深度为66.6μm测量结果见图1。

图1 坯料缺陷深度金相法测量结果

取A和B管材部分，中剖后取一半试样进行内酸洗试验，酸液组成为1.1%HF－20.3%HNO3－余量水，酸液温度控制在20～35℃，壁厚测量工具是量程为0～25 mm，精度为0.01 mm的壁厚千分尺。第一次内酸洗壁厚去除量为0.05 mm，酸洗后观察内表面仍存在明显加工流线和微小缺陷，在此基础上第二次内酸洗壁厚去除量为0.05 mm，累计0.10 mm，内表面流线仍未完全消除;在此基础上第三次内酸洗壁厚去除量为0.05 mm，累计0.15 mm，内表面流线明显消除，但发现1～2个扁平状的小点坑;在此基础上第四次内酸洗壁厚去除量为0.03 m，累计0.18 mm，加工流线基本消除，扁平状的小点坑有所改善。酸洗前后的管材内表面照片见表2。

表2 A、B管号内酸洗后内表面质量

接下来对经过四次内酸洗，壁厚去除量为0.18 mm的管材进行Φ17.78半成品轧制，按照正常工艺进行脱脂、烘干，随后从尺寸样中选取缺陷最深的试样使用金相法测量缺陷深度(磨制4次，观察一端4个横截面，取其最大值)，测得的最大点坑深度为26.1μm，详见图2。

图2 半成品缺陷深度金相法测量结果

按照处理Φ31.75管材的方法，对8支Φ17.78管材进行内酸洗作业，酸液浓度为0.8%HF－19.7%HNO3－余量水，壁厚去除量控制在0.06～0.08 mm。经过内酸洗后的半成品管材在轧制前使用专用的超声检测设备进行无损检测，检测结果详见图3，根据比对发现Φ17.78管材无超过标准当量伤的缺陷。

图3 超声图谱

2 结果与分析

2.1 内酸洗对轧制缺陷的消除

A和B管号Φ31.75管坯内酸洗壁厚去除0.15～0.18 mm后，内表面加工流线和流线中隐藏的小黑点消除。由于缺陷和基体在酸液中均匀腐蚀，表面的加工流线与基体为一体，仅是由于轧制变形过程中金属流动不一致导致的色差。流线中隐藏的小黑点是轧制时金属流动过程中包括杂质嵌入基体中，在内酸洗过程中酸液先与该部位的杂质反应，或先与杂质和基体之间的合金反应，待杂质反应或被冲刷走后，被杂质占据的部位基体表面呈现点坑状，由于均匀腐蚀的共同作用，点坑无法通过化学抛光的手段消除，但经过酸洗后点坑变得扁平，且深度变浅。在后续的轧制作业过程中，变得扁平的点坑通过轧制作用压展和延伸，不再以点坑的形式存在。

2.2 内酸洗对超声检测的影响

在应用中，可通过对管材的超声波检测，实现对生产过程的监控，如通过观察纵向缺陷通道和尺寸通道，监控管材轧制工艺及轧机状态是否合理。利用超声波检测技术在对核用锆合金管材进行缺陷检测的同时进行管材的尺寸测量，不仅保证了产品质量，提高了检验效率，还可促进管材加工工艺的不断改进［3］。通过对内酸洗前后的管材超声检测比对，明显可以看出内酸洗对于横伤和纵伤的改善，主要原因是酸洗对于异常的凸起可以实现削峰的作用，对于点坑可以将点坑落差截面改善为平滑过渡，这样一来使得由管壁中形成的多次反射回波更为稳定，其检测结果也更满足工艺要求。