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核級鋯管超聲合格率降低事件分析

2018-06-11 01:23供稿于軍輝丁嵐郭周強(qiáng)李曉珊王晨陽
金屬世界 2018年3期
關(guān)鍵詞:核級孔型管材

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,會造成包殼管的破損,進(jìn)而導(dǎo)致一回路中檢測劑量超標(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)。本文以核級鋯管材料在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)成品軋制超聲監(jiān)測合格率偏低的質(zhì)量事件為例,利用故障樹的方法對生產(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)。在首批后的第一個批次(以下簡稱問題批)的成品軋制過程中,該批次的超聲監(jiān)測合格率為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,公司針對問題批次核級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]。對于故障樹中的基本事件[3,4],現(xiàn)對其發(fā)生時導(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,若軋制的轉(zhuǎn)角異常,管材與孔型設(shè)計不匹配,導(dǎo)致管材軋制中出現(xiàn)缺陷。

X3(車速異常):管材軋制時,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,若軋制的送進(jìn)量存在異常,導(dǎo)致管材軋制潤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導(dǎo)致軋制產(chǎn)生的缺陷,這些缺陷會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)計曲線在第26個截面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)酸洗去除量僅有20 μm,對軋制前坯料的內(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。可能使第四道次軋制坯料管材內(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會出現(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

針對原因排查發(fā)現(xiàn)的問題,提出整改措施:重新設(shè)計第三道次孔型和芯頭的曲線,摸索工模具曲線設(shè)計對產(chǎn)品內(nèi)表面質(zhì)量的影響;對于第三道次規(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;對于第三道次軋制后的管材進(jìn)行過程質(zhì)量監(jiān)控,及時預(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)會偏少,單位考核制度懲罰和獎勵力度不夠明確、文件操作要求與現(xiàn)場實(shí)際操作還有一定的彈性空間[4]。

建議該公司建立長效機(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,不斷完善績效考核與獎懲制度,調(diào)動員工的工作積極性,樹立良好的安全質(zhì)量意識。加強(qiáng)技術(shù)人員和現(xiàn)場操作人員的充分溝通,消除文件要求內(nèi)容和現(xiàn)場實(shí)際操作中存在的彈性空間。加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督,提高工藝紀(jì)律監(jiān)督檢查的作用。

結(jié)束語

核級鋯管的質(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. 核動力用鋯合金. 北京:原子能出版社,1988

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

[3] 田冬青,高潤生,焦殿輝,等. 核安全1級閥門典型違規(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

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