內酸洗去除核用鋯合金管材內表面缺陷的影響

喬旺旺，龐玉華，魯旭卓

(1.西安建筑科技大學，陜西西安 710055;2.上海九納環保科技有限公司，上海 201010)

鋯合金因其優異的核性能被用作水冷反應堆的燃料包覆材料和其他堆芯結構材料，典型的商業化Zr－2合金用于沸水堆(BWR)，Zr－4合金用于壓力堆(PWR)，已取得長期的運行經驗，被ASTM列為核工業應用的成熟合金，40多年來沒有被其他合金所代替。隨著高性能燃料組件的開發，新型高性能鋯合金的研究與開發已十分活躍。改進鋯合金的加工工藝與研制新合金是材料研制的兩個重要方面，缺一不可。近年來，鋯合金加工工藝技術在新工藝、新設備方面有了很大的發展［1］。鋯合金管材的表面狀態對其抗腐蝕性能和吸氫性能特別是堆內使用性能有很大影響，表面處理工藝是管材加工中的一項關鍵技術。表面處理技術主要是對成品管材進行內表面流動酸洗，外表面機械拋光，或者內表面噴砂，外表面酸洗處理，前一種工藝被認為更合理［1］。目前所采用的減壁和減徑組合變形過程對管材內表面造成較大的影響，為了確保管材內表面質量滿足要求，特別對管材內表面處理方法進行摸索［2］。

1 實驗過程

實驗料選用退火態的Zr－4鋯合金Φ31.75管材坯料，坯料在軋制后取剖樣，使用600目砂紙對內表面打磨后發現局部點坑，還存在加工流線及流線中隱藏的小黑點，為了確定點坑深度，驗證內流動酸洗對消除點坑等缺陷的有效性，并通過處理后的坯料軋制驗證該點坑是否會對半成品軋制產生影響。從兩個管號的2個尺寸樣中選取缺陷最深的試樣對其兩端使用金相法測量缺陷深度(磨制4次，觀察一端4個橫截面，取其最大值)，測得的最大點坑深度為66.6μm測量結果見圖1。

圖1 坯料缺陷深度金相法測量結果

取A和B管材部分，中剖后取一半試樣進行內酸洗試驗，酸液組成為1.1%HF－20.3%HNO3－余量水，酸液溫度控制在20～35℃，壁厚測量工具是量程為0～25 mm，精度為0.01 mm的壁厚千分尺。第一次內酸洗壁厚去除量為0.05 mm，酸洗后觀察內表面仍存在明顯加工流線和微小缺陷，在此基礎上第二次內酸洗壁厚去除量為0.05 mm，累計0.10 mm，內表面流線仍未完全消除;在此基礎上第三次內酸洗壁厚去除量為0.05 mm，累計0.15 mm，內表面流線明顯消除，但發現1～2個扁平狀的小點坑;在此基礎上第四次內酸洗壁厚去除量為0.03 m，累計0.18 mm，加工流線基本消除，扁平狀的小點坑有所改善。酸洗前后的管材內表面照片見表2。

表2 A、B管號內酸洗后內表面質量

接下來對經過四次內酸洗，壁厚去除量為0.18 mm的管材進行Φ17.78半成品軋制，按照正常工藝進行脫脂、烘干，隨后從尺寸樣中選取缺陷最深的試樣使用金相法測量缺陷深度(磨制4次，觀察一端4個橫截面，取其最大值)，測得的最大點坑深度為26.1μm，詳見圖2。

圖2 半成品缺陷深度金相法測量結果

按照處理Φ31.75管材的方法，對8支Φ17.78管材進行內酸洗作業，酸液濃度為0.8%HF－19.7%HNO3－余量水，壁厚去除量控制在0.06～0.08 mm。經過內酸洗后的半成品管材在軋制前使用專用的超聲檢測設備進行無損檢測，檢測結果詳見圖3，根據比對發現Φ17.78管材無超過標準當量傷的缺陷。

圖3 超聲圖譜

2 結果與分析

2.1 內酸洗對軋制缺陷的消除

A和B管號Φ31.75管坯內酸洗壁厚去除0.15～0.18 mm后，內表面加工流線和流線中隱藏的小黑點消除。由于缺陷和基體在酸液中均勻腐蝕，表面的加工流線與基體為一體，僅是由于軋制變形過程中金屬流動不一致導致的色差。流線中隱藏的小黑點是軋制時金屬流動過程中包括雜質嵌入基體中，在內酸洗過程中酸液先與該部位的雜質反應，或先與雜質和基體之間的合金反應，待雜質反應或被沖刷走后，被雜質占據的部位基體表面呈現點坑狀，由于均勻腐蝕的共同作用，點坑無法通過化學拋光的手段消除，但經過酸洗后點坑變得扁平，且深度變淺。在后續的軋制作業過程中，變得扁平的點坑通過軋制作用壓展和延伸，不再以點坑的形式存在。

2.2 內酸洗對超聲檢測的影響

在應用中，可通過對管材的超聲波檢測，實現對生產過程的監控，如通過觀察縱向缺陷通道和尺寸通道，監控管材軋制工藝及軋機狀態是否合理。利用超聲波檢測技術在對核用鋯合金管材進行缺陷檢測的同時進行管材的尺寸測量，不僅保證了產品質量，提高了檢驗效率，還可促進管材加工工藝的不斷改進［3］。通過對內酸洗前后的管材超聲檢測比對，明顯可以看出內酸洗對于橫傷和縱傷的改善，主要原因是酸洗對于異常的凸起可以實現削峰的作用，對于點坑可以將點坑落差截面改善為平滑過渡，這樣一來使得由管壁中形成的多次反射回波更為穩定，其檢測結果也更滿足工藝要求。

3 結論

(1)Φ31.8規格管材取樣測量的內表面點坑的最大深度約為0.067mm，經脫脂、內流動作業基本可確認本次點坑缺陷產生主要原因是內潤滑乳液污染。

(2)Φ31.8規格管材內表面的點坑是由內潤滑乳液污染引起，點坑經過內酸洗后變得扁平且深度變淺。

(3)帶點坑的Φ31.8規格管材經過內酸洗P3道次軋制后，點坑缺陷全部消除。