鋯合金管材內表面折疊缺陷及控制

竇麗娟　黨輝　徐呈　唐穎

【摘 要】在鋯合金管材生產軋制過程中，內表面粘結缺陷是鋯合金管材內表面常見的質量控制缺陷之一。本文針對可能導致粘結缺陷產生的原因進行分析，并提出改進措施。為提高鋯合金管材的質量奠定基礎。

【關鍵詞】鋯合金管材；內表面；粘結缺陷；原因分析；改進措施

0 目的

鋯合金因其具有良好的核性能、加工性能及抗腐蝕性能，由此被廣泛應用于壓水堆的反應結構材料[1]。在核反應堆中，鋯合金管材主要承擔著密封鈾芯塊的作用，其產品質量直接決定著反應堆的安全和性能。目前，二輥周期軋制是鋯合金管材加工的主要方法。鋯合金管材軋制后，內表面會出現一種沿管內壁呈現 “線狀”近似約45°夾角形貌的折疊現象，我們將其稱為粘結缺陷。這些含有粘結缺陷的管材在反應堆中會導致鋯合金包殼管破損，從而造成核泄漏。

針對鋯合金管材內表面存在粘結缺陷問題，國內外專家進行了大量的研究。Hide -aki Abe等研究認為Zr-4合金管材內壁軋制產生的缺陷主要是由于減徑量與減壁量的比值（Q值）共同作用的結果]。P. Montmitonnet等人則通過鋯合金軋制模型最終認為產生缺陷的原因是由于軋制回程階段的受力方式造成的[2]。上述研究僅限于實驗室的理論研究，然而工廠批量化生產過程中的鋯合金管材內表面產生的粘結缺陷原因及控制措施尚未有相應的研究。本文以鋯合金管材內表面粘結缺陷為研究對象，從生產過程中進行排查，為提高鋯合金管材的質量奠定基礎。

1 原因分析

根據人、機、料、法、環影響產品五大因素來分析，從軋制和內酸洗工序中進行排查對鋯合金管材內表面可能造成折疊缺陷的原因進行分析。結果表明：鋯合金管坯內表面存在點坑和劃傷缺陷。這些含有缺陷的管坯在軋制過程中由于管坯的擠壓變形，在管材的內表面出現了折疊現象，造成內壁缺陷[3-6]。

管材在軋制過程中，折疊缺陷具體形成過程所示。由于管坯內壁和芯頭之間未能充分潤滑，從而導致管材軋制過程中的摩擦力較大，這樣軋制后的Zr-4合金管材局部區域會形成堆積、折疊現象，其具體形貌如圖3（a）所示。這些含有堆積、折疊等現象的管坯在下一道次過程會出現應變分布不均的現象，產生這種現象的原因是由于Zr-4合金管材在軋制過程中由平行于管材延伸方向的軸向拉應力和垂直于管材內壁的徑向壓應力的共同作用。在后續單道次軋制變形量過大時，管材在孔型的旋轉加壓下收縮直徑，當孔型旋轉到粘接的位置，管壁金屬在不均的外力下產生流動，從而在管內壁形成應變分布不均勻的現象，并以缺陷為中心在缺陷部位形成局部堆積現象，形成折疊初期形貌，如3圖（b）和（c）所示。管材繼續軋制時，管材內部的折疊邊緣收到芯頭施加的軸向摩擦力的作用，部分發生磨損、則呈現不規則的鋸齒形貌，從而形成折疊線狀最終形貌如2圖（d）的粘結缺陷。利用Zr-4合金管材粘結形成的FEM的模型對折疊形成原因進一步分析，該模型的模擬結果與實際排查結果結論一致，進一步驗證了排查原因的準確性。

2 改進措施

根據鋯合金管材粘結定位的原因，現提出后續暫時改進措施，內容如下：

（a）管坯軋制前，對管坯進行超聲檢測，若管坯中存在缺陷，則將缺陷標識出。

（b）管坯生產過程中增加內酸洗工序，消除管坯中的缺陷。

（c）管材軋制過程中，增加抽樣自檢和專職過程檢驗，若發現缺陷，及時將缺陷管材進行標識，按照正常的返工工序進行處理，消除管材中的缺陷。

（d） 對軋制乳液箱和乳液容器進行密封，避免粉塵或者雜質進入。

（e）將鋯合金管坯和管材內酸洗去除量設計為上限值。

按照上述改進措施對鋯合金管材軋制和內酸洗過程進行改進，基本消除了鋯合金管材中的粘結缺陷，上述只是暫時的改進措施，從核質保管理體系來說，質量的管理是一個持續改進的過程。為了消除管材中的粘結缺陷，提出長期改進工藝措施，內容如下：

1）重新設計管材軋制工藝，優化現有鋯合金管材中的Q值。

2）重新設計鋯合金管材工模具曲線，優化鋯合金管軋制過程中的變形區間。

3 結束語

在鋯合金的生產過程中，經常有各種問題存在。采用人、機、料、法、環可有效的分析出問題產生的原因。這就要求我們在生產過程中不斷積累經驗，并結合新的理論和方法，不斷對產生的問題原因進行總結，進一步提高鋯合金管材產品質量。

【參考文獻】

[1]劉建章.核結構材料[M].北京：化學工業出版社，2007：4-12.

[2]P.Montmitonnet，R.Loge，M.Hamery，et al.3D elastic-plastic finite element simulation of cold pilgering of Ziraloy tube[J]. Jounal of Materials Processing Technolgoy， 2002， 125-126： 814-820.

[3]林剛，楊院生，郭大勇，等.具有復合組織的不銹鋼管周期軋制過程的數值模擬[J].金屬學報，6，2004：779-784.

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[責任編輯：張濤]endprint