核電用鋯合金無縫管材加工技術的相關分析

丁郁航 楊雪健 渠靜雯 謝夢 孫濤濤

【摘? 要】由于核電的環境具有特殊性，對核電用包殼材料的加工技術的要求尤為嚴苛，鋯合金無縫管材的應用可有效地提高包殼材料的安全性及延長使用壽命。論文對型號為R60702的鋯合金無縫管材加工技術進行分析與探究，并對核電用鋯合金無縫管材的加工趨勢進行分析。

【Abstract】Due to the particularity of nuclear power environment， the requirements for the processing technology of cladding materials fo nuclear power are particularly stringent. The application of zirconium alloy seamless tube can effectively improve the safety and prolong the service life of the cladding materials. This paper analyzes and explores the processing technology of zirconium alloy seamless tube， the tube model is R60702， and analyzes the processing trend of zirconium alloy seamless tube for nuclear power.

【關鍵詞】核電;無縫鋯管;加工技術

【Keywords】nuclear power; seamless zirconium tube; processing technology

【中圖分類號】TG335.71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0172-02

1 引言

鋯合金管材除了自身高強度的抗腐蝕以及耐熱性外，還具備較好的延展性，決定了鋯合金無縫管材可采用多種加工技術。鋯合金無縫管材的制備技術一方面影響管材的堆內性能，另一方面影響了管材的服役周期及核電安全。因此，本文對鋯合金無縫管材的加工技術進行分析與探究。

2 鋯合金無縫管材加工的技術要求

本文以某一核電項目中所使用的包殼材料進行舉例，此項目所采用的鋯合金無縫管材型號為R60702[1]。這一型號的無縫鋯管規格符合相應標準，在這一過程中，對于鋯合金無縫管材的相關要求如下：

①在鋯合金無縫管材的擴口方面。R60702型號的無縫管材的擴口部分的外徑擴口比率應當大于總體的15%，通常情況下，鋯合金無縫管材的外徑擴口不應該低于29.21mm。②在鋯合金無縫管材的力學性能方面。無縫管材對于電力學性能方面的要求是十分嚴格的，通常情況下，在進行管材的加工時，R60702的抗拉性能應當保持在379MPa以上，不能低于這一數值。在完全變形強度方面，R60702無縫管材應當大于208MPa。③在鋯合金無縫管材的水壓與氣壓性能方面。由于鋯合金無縫管材的氣壓試驗能夠完全代替水壓，所以在對鋯合金無縫管材的本身P值進行設置時，應當選擇1.03MPa以上才能確保無縫管材在水壓與氣壓的性能方面符合相關標準要求。

3 鋯合金無縫管材加工的生產工藝

3.1 生產工藝流程

由于本文所選用的是R60702型號的鋯合金無縫管材，所以主要闡述的是R60702型號無縫鋯合金管材的生產工藝流程，詳細情況如下：

①在鋯合金無縫管材的生產過程中，首先要做的就是對鋯原料進行處理，由于這一過程所使用的鋯原材料并沒有經過任何加工處理，又被稱為坯料。②當鋯原料經過坯料處理這一過程后要進行穿孔作業或者擠壓作業，在這一過程中要將鋯原料打造成符合相關設計要求的模型，稱之為無縫鋯合金管坯。③對已經經歷過穿孔作業或者擠壓作業的鋯合金管坯進行酸堿洗，通過這一過程不僅能檢測出鋯原料的抗腐蝕程度是否符合相關要求，還能提升鋯合金無縫管材的酸堿抗性[2]。④對鋯合金無縫管坯的內外表面進行相應處理。⑤當鋯合金無縫管坯經過表面處理后，還要經過軋制、去油、酸堿洗等環節，對去應力或再結晶退火后的管材內外表面進行二次處理。⑥通過第二次表面處理工作，鋯合金無縫管材就可以進行成品檢驗過程，但是在進行檢驗前，還要對鋯合金無縫管材自身的各個部位進行矯正。⑦鋯合金無縫管材在經過成品檢驗后便可以包裝入庫，開展后續的組件加工工作。

3.2 管坯加工工藝的實際選擇

鋯合金無縫管坯是鋯合金無縫管材的加工半成品原材料，管坯加工的優劣對最終產品管材加工性能造成較大影響，因此，需要根據實際要求選擇管坯的加工工藝。鋯合金無縫管坯的加工工藝通常有兩種：熱擠壓及斜軋穿孔。

3.2.1 熱擠壓

熱擠壓加工工藝是在進行鋯合金無縫管坯生產過程中最常用到的加工方式，熱擠壓的工作原理就是使鋯原材料在三種壓力的作用下出現塑性變形，即熱擠壓加工工藝能夠在某種層面上使鋯合金原材料發生變形，對于鋯合金原材料的變形量起到了良性的促進作用。在加工過程中，有很多鋯合金管坯內表面因應力過大而出現破碎及裂紋，可通過熱擠壓的加工方式正確梳理鋯合金無縫管坯內部的晶粒組織。此外，核電用鋯合金無縫管坯的精準度要求較高，熱擠壓的加工方式可提升無縫管坯的精準度，所以熱擠壓對于鋯合金無縫管坯生產起到了十分重要的作用。

3.2.2 斜軋穿孔

與熱擠壓加工工藝不同，選擇斜軋穿孔方式進行鋯合金無縫管坯的生產時，所使用的生產設備操作相對簡單，而且斜軋穿孔比熱擠壓加工工藝的出產量要高，并且對于相關生產模型道具的消耗程度更低。最為重要的是，斜軋穿孔加工工藝要比熱擠壓加工工藝成本低。另外，在應用斜軋穿孔加工工藝時，不需要使用任何潤滑工具或方法，從而極大地減少潤滑工具對管坯外表面造成雜質元素的污染，減少鋯合金無縫管坯的內外表面處理工作量。

3.3 軋制工藝的選擇及成品管材的制備

R60702型號鋯合金無縫管材具有較好的延展性，因此，選用較大變形量的冷加工軋制完成管坯到成品規格管材的制備。首先綜合鋯合金材料加工特性及核電用包殼材料的要求，冷加工軋制可避免熱加工對鋯合金無縫管材結晶度的影響，保證材料的服役周期，提高堆內安全性;其次，可保證鋯合金無縫管材的尺寸均勻性，避免壁厚不均勻導致管材某一點應力釋放，造成核燃料泄漏事故;最后，冷加工軋制可提高無縫管材的表面質量，減少后續管材內外表面處理加工工序。

鋯合金無縫管材在投入使用后，所承受的應力不會發生改變，但是本身的強度會受到時間的推移而不斷減弱，鋯合金無縫管材也會出現不同程度的變形，從而增加本身的加工變形率。通常情況下，鋯合金無縫管材一旦出現較為明顯的硬化現象，那么就可以確定這時鋯合金無縫管材的加工變形率已經達到了20%左右。不過當鋯合金無縫管材的伸長率達到了10%時，無縫管材的變形程度將不會出現較大幅度的改變，這是因為無縫管材的塑性變形已經處于規定的范圍內。在軋制工藝的選擇過程中，要根據鋯合金無縫管材所使用的原材料以及不同的規格進行考慮。通常情況下，在選擇鋯合金無縫管材的軋制工藝時，會利用平均分配的方式完成對鋯合金無縫管材變形量的初道次軋制過程。在成品道次軋制方面，則需要通過使用較小變形量的方法對鋯合金無縫管材進行軋制，提高成品管材的直線度。

由于鋯合金無縫管材在進行熱處理過程中容易出現氧化作用，為了確保鋯合金無縫管材的表面質量與性能滿足要求，通常選擇使用真空退火爐對鋯合金無縫管材進行去應力或再結晶退火，以提高鋯合金無縫管材的最終質量及性能。

3.4 研究分析結果

經試驗分析后，通過對管坯加工工藝、管材軋制工藝的實驗研究，根據本項目核電用R60702型號鋯合金無縫管材的成品尺寸（如表1所示）及性能要求（如表2所示）分析，其中，表2中1號管材采用熱擠壓加工方式、2號管材采用斜軋穿孔加工方式，管材性能均滿足相關要求。

4 結語

綜上所述，采用熱擠壓或斜軋穿孔加冷加工軋制的制備方式，可制備出滿足性能要求的鋯合金無縫管材。鋯合金的加工特性使得核電用無縫管材的加工方式具有無限的前景，從而提高生產效率及產品質量，對鋯合金無縫管材加工技術進行不斷發掘和完善，才能提高我國核電用鋯合金無縫管材的性能及延長服役壽命，從而促進我國綠色能源的可持續發展，提高核電用包殼材料的安全性。

【參考文獻】

【1】毛萍莉.無縫管材的短流程制備工藝及相關基礎研究[D].沈陽：中國科學院金屬研究所，2002.

【2】陳頻，王昕.金屬表面化學轉化膜相關技術的現狀分析[J].金陵科技學院學報，2013（4）：24-27.