供稿|于軍輝，丁嵐，郭周強(qiáng)，李曉珊，王晨陽

核電能源因占地面積小等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)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(xué)性能，常用于水冷核反應(yīng)堆的包殼管和結(jié)構(gòu)材料[1]。核級(jí)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(huì)造成包殼管的破損，進(jìn)而導(dǎo)致一回路中檢測(cè)劑量超標(biāo)，直接影響核反應(yīng)堆的安全和正常運(yùn)行。鑒于核級(jí)鋯管在堆內(nèi)承擔(dān)著特殊作用，其產(chǎn)品的質(zhì)量一直是核材料生產(chǎn)單位關(guān)注和研究的重點(diǎn)。本文以核級(jí)鋯管材料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)成品軋制超聲監(jiān)測(cè)合格率偏低的質(zhì)量事件為例，利用故障樹的方法對(duì)生產(chǎn)過程的人員、工藝、設(shè)備及原料進(jìn)行分析和探討，明確質(zhì)量事件產(chǎn)生的原因，分析產(chǎn)生該事件的機(jī)理，采取了一定措施獲得了有效的結(jié)果。為加強(qiáng)核級(jí)鋯管生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和過程控制、消除生產(chǎn)過程中的質(zhì)量隱患，提升公司核安全文化理念奠定基礎(chǔ)。

原因排查

某公司使用鋯合金管材首批產(chǎn)品的工藝流程進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在首批后的第一個(gè)批次(以下簡(jiǎn)稱問題批)的成品軋制過程中，該批次的超聲監(jiān)測(cè)合格率為58.3%，遠(yuǎn)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(duì)成品超聲縱傷缺陷的管材進(jìn)行解剖，其內(nèi)表面形貌如圖1所示。

核級(jí)鋯管的質(zhì)量和安全是核反應(yīng)堆安全和質(zhì)量的重要保障，公司針對(duì)問題批次核級(jí)鋯管合格率偏低的質(zhì)量事件，停止了其余批次的生產(chǎn)，以首批生產(chǎn)時(shí)各方面的質(zhì)量為基準(zhǔn)，繪制故障樹(如圖2所示)進(jìn)行排查[2]。對(duì)于故障樹中的基本事件[3，4]，現(xiàn)對(duì)其發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的結(jié)果分析：

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

X2(轉(zhuǎn)角異常)：管材軋制時(shí)，若軋制的轉(zhuǎn)角異常，管材與孔型設(shè)計(jì)不匹配，導(dǎo)致管材軋制中出現(xiàn)缺陷。

X3(車速異常)：管材軋制時(shí)，若軋制的車速存在異常，管材車速過快，導(dǎo)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(cè)出缺陷，導(dǎo)致該批超聲合格率偏低。

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

X5(孔型磨損)：孔型磨損導(dǎo)致軋制后的管材外表面狀態(tài)不佳和潤(rùn)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(dǎo)致軋制后的管材內(nèi)表面狀態(tài)不佳和潤(rùn)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(shè)置不合理導(dǎo)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(chǎn)生缺陷。

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

圖1 Zr-4合金管材內(nèi)表面缺陷形貌圖

圖2 核級(jí)鋯包殼管超聲合格率偏低事件故障樹分析圖

X9(化學(xué)成分超標(biāo))：管材化學(xué)成分超標(biāo)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(dǎo)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(dǎo)致管材局部組織偏大，造成管材變形不均勻。

X13(內(nèi)酸洗去除量不足)：內(nèi)酸洗工序去除量不足會(huì)導(dǎo)致軋制產(chǎn)生的缺陷，這些缺陷會(huì)在下一道次軋制中繼續(xù)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致成品管材出現(xiàn)裂紋缺陷。

經(jīng)過對(duì)各基本事件的調(diào)查并開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析得出：

(1) 在管材第三道次軋制過程中，孔型的設(shè)計(jì)曲線在第26個(gè)截面Q值急劇下降至1.0以下。這可能是導(dǎo)致第三道次軋制后產(chǎn)品內(nèi)表面質(zhì)量不好的原因之一。該原因?qū)?yīng)X7基事件。

(2) 在管材第三道次的內(nèi)酸洗過程中，內(nèi)酸洗去除量?jī)H有20 μm，對(duì)軋制前坯料的內(nèi)表面質(zhì)量改善不大。該原因?qū)?yīng)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?nèi)表面的缺陷放大并演變成裂紋。第三道次管材內(nèi)表面典型缺陷見圖3和4，第四道次管材內(nèi)表面典型缺陷見圖5。含有缺陷的管材軋制成品管材時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖1的超聲縱傷缺陷。

圖3 第三道次管材內(nèi)表面劃傷缺陷

圖4 第三道次管材內(nèi)表面點(diǎn)坑缺陷

圖5 第四道次管材內(nèi)表面裂紋缺陷

機(jī)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(nèi)表面預(yù)先設(shè)定類似于點(diǎn)坑或劃傷的缺陷，如圖6(a)所示。這些點(diǎn)坑或劃傷區(qū)域會(huì)隨著管材變形出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，即出現(xiàn)以點(diǎn)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(jié)果如圖6(b)和圖6(c)所示。隨著管材進(jìn)一步軋制，管材內(nèi)表面裂紋源繼續(xù)擴(kuò)展，局部區(qū)域會(huì)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(nèi)壁折疊缺陷產(chǎn)生的FEM模型

整改措施

針對(duì)原因排查發(fā)現(xiàn)的問題，提出整改措施：重新設(shè)計(jì)第三道次孔型和芯頭的曲線，摸索工模具曲線設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)表面質(zhì)量的影響；對(duì)于第三道次規(guī)格的內(nèi)酸洗按照內(nèi)徑去除量的上限值進(jìn)行控制，盡量消除該道次產(chǎn)品的內(nèi)表面缺陷；對(duì)于第三道次軋制后的管材進(jìn)行過程質(zhì)量監(jiān)控，及時(shí)預(yù)警。

由于該產(chǎn)品的工藝已經(jīng)定型，各道次的產(chǎn)品暫時(shí)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(jìn)

通過工藝參數(shù)控制、質(zhì)量監(jiān)控等改進(jìn)措施，該公司體系可有效運(yùn)行，但還存在一定的改進(jìn)空間。如人員培訓(xùn)和提高的機(jī)會(huì)偏少，單位考核制度懲罰和獎(jiǎng)勵(lì)力度不夠明確、文件操作要求與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作還有一定的彈性空間[4]。

建議該公司建立長(zhǎng)效機(jī)制，細(xì)化管理，改進(jìn)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(shí)和環(huán)境。進(jìn)一步完善公司管理程序文件、工藝指導(dǎo)書內(nèi)容，切實(shí)把核安全文化真正滲透到各項(xiàng)規(guī)章制度和文件要求之中。強(qiáng)化人員管理，進(jìn)一步細(xì)化崗位責(zé)任要求，不斷完善績(jī)效考核與獎(jiǎng)懲制度，調(diào)動(dòng)員工的工作積極性，樹立良好的安全質(zhì)量意識(shí)。加強(qiáng)技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的充分溝通，消除文件要求內(nèi)容和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中存在的彈性空間。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，提高工藝紀(jì)律監(jiān)督檢查的作用。

結(jié)束語

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

[1] 扎依莫夫斯基. 核動(dòng)力用鋯合金. 北京：原子能出版社，1988

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

[3] 田冬青，高潤(rùn)生，焦殿輝，等. 核安全1級(jí)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(jī)燒瓦問題研究. 機(jī)電工程，2015，32(9)：1246