核電站用鋯-4合金包殼管直線度成套技術(shù)研究

《核電站用鋯-4合金包殼管直線度成套技術(shù)研究》詳細(xì)內(nèi)容及證明材料1、來源與背景核能作為一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、可靠的能源，是構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。核能在實(shí)現(xiàn)“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）目標(biāo)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源供給安全，并應(yīng)對氣候變化。國核寶鈦鋯業(yè)股份公司是國內(nèi)唯一一家自主化、工程化掌握了萃取分離獲得核級海綿鋯，使用海綿鋯真空熔煉成鑄錠，并使用鑄錠鍛造、擠壓成管、棒坯，最終加工為核用成品管、棒材，并具備相應(yīng)的無損檢測、表面檢測、理化性能檢測的全流程生產(chǎn)檢驗(yàn)的單位。已連續(xù)多年穩(wěn)定供應(yīng)該核電站核反應(yīng)堆燃料棒組件用包殼管。針對產(chǎn)品的特性，能從產(chǎn)品全工藝流程出發(fā)，開發(fā)設(shè)計(jì)合理的制造工藝，并提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。圖1核燃料組件照片鋯合金包殼管是核電站反應(yīng)堆的第一道安全屏障，該產(chǎn)品具有：①尺寸要求嚴(yán)格，精度誤差到微米級；②采用非完全再結(jié)晶退火方式導(dǎo)致產(chǎn)品性能對溫度、鑄錠成分極為敏感，性能穩(wěn)定性不高；③管材氫化物和直線度要求嚴(yán)格，對矯直要求較高，矯直工藝和控制要點(diǎn)需做到精細(xì)；④管材表面質(zhì)量要求較高，內(nèi)外表面均需達(dá)到極高的均勻性、光潔度、粗糙度，無劃痕劃傷等肉眼可見缺陷；⑤性能指標(biāo)要求高，特別是強(qiáng)度和塑性之間的有效平衡面對很大挑戰(zhàn)，高溫拉伸性能和CSR性能匹配難度較高。核電站用包殼管有一項(xiàng)特殊性能-氫化物檢測，在反應(yīng)堆服役過程中，因高溫高壓水與鋯的腐蝕反應(yīng)，鋯合金包殼管具有較強(qiáng)的吸氫能力，當(dāng)吸收的氫超過在α鋯基體的固溶度時(shí)，多余的氫將以氫化物的形式析出。因氫化物本身為脆性相，鋯合金包殼管易受到氫致退化作用，導(dǎo)致材料延性、斷裂韌性降低，尤其是沿直徑方向的徑向氫化物，多視為輻射條件下的裂紋源，超出一定數(shù)值可能出現(xiàn)包殼管破損，導(dǎo)致放射性物質(zhì)外漏。所以必須嚴(yán)格控制在技術(shù)條件要求的范圍內(nèi)，并留有足夠的余量，保證工業(yè)生產(chǎn)批次的穩(wěn)定性。圖2管材手工校正作業(yè)圖管材氫化物和直線度是兩個(gè)相互矛盾的指標(biāo)要求，極其容易顧此失彼，在實(shí)際生產(chǎn)中為保證產(chǎn)品氫化物指標(biāo)不出現(xiàn)批次性的質(zhì)量問題，都會(huì)對直線度作出讓步。所以管材直線度問題是長期以來困擾現(xiàn)場生產(chǎn)的技術(shù)難題，其已不符合企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，因此系統(tǒng)的研究并全力攻克核級鋯合金包殼管直線度問題已成為必然。從軋制工模具曲線設(shè)計(jì)、退火變形影響、管材矯直優(yōu)化等方面全方位研究核級鋯合金包殼管直線度，并形成了一套行之有效的解決方案，最終達(dá)到降低勞動(dòng)成本，提高生產(chǎn)效率的目的。2、主要內(nèi)容、適用范圍及實(shí)施要點(diǎn)2.1主要內(nèi)容核能作為一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、可靠地能源，是構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分，在實(shí)現(xiàn)“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）目標(biāo)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，鋯合金包殼管是核電站反應(yīng)堆的第一道安全屏障，有著很高的加工指標(biāo)要求，其中氫化物和直線度是兩個(gè)相互制約的指標(biāo)要求，直線度作為影響燃料組件拉棒質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)、越直質(zhì)量穩(wěn)定性越高；氫化物為脆性相，易導(dǎo)致延性、斷裂韌性降低，越低越有利于性能穩(wěn)定，但會(huì)限制加工過程中的壓延變形和矯直作業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)中為保證產(chǎn)品氫化物指標(biāo)不出現(xiàn)批次性的質(zhì)量問題，都會(huì)對直線度作出讓步，且直線度的影響因素眾多、相互交錯(cuò)，所以管材直線度問題是長期以來困擾現(xiàn)場生產(chǎn)的技術(shù)難題，其已不符合企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求，因此系統(tǒng)的研究并攻克核級鋯合金包殼管直線度問題就成為本項(xiàng)目通過對核級鋯合金包殼管軋制工模具曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)，細(xì)化軋制組件裝配、中心線調(diào)整等，在提升軋制產(chǎn)品直線度的同時(shí)，軋制送進(jìn)量提升100%，實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先；掌握了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的針對大尺寸退火料倉通過優(yōu)化配重、料倉校平、優(yōu)化裝料方式等方法提升退火管材直線度的方法；掌握了針對核用鋯合金管材純彎曲矯直的參數(shù)優(yōu)化匹配和通過增加延長桿解決尾部直線度不佳，實(shí)現(xiàn)矯直氫化物和直線度的有效平衡，使機(jī)械矯直管材直線度基本合格。擬定以下研究指標(biāo)：①掌握核級鋯合金包殼管直線度控制的成套技術(shù)；②手工校正數(shù)量由原來的100%降低至5%；③批次生產(chǎn)效率提升5%；2.2適用范圍本項(xiàng)目研究內(nèi)容和成果主要適用于長細(xì)狀管棒材直線度控制，特別是核電站用鋯-4合金包殼管的直線度控制，其特有的氫化物指標(biāo)和極高的直線度要求，決定了其使用純彎曲矯直的方式進(jìn)行，且可推廣至工業(yè)鋯合金及鈦合金管、棒材軋制。2.3實(shí)施要點(diǎn)2.3.1TRIZ工具分析管材制造工藝流程如下：其中成品軋制、成品退火和成品矯直為影響管材直線度的主要工序，表現(xiàn)為該工序的產(chǎn)品直線度差異較大、且對后續(xù)工序產(chǎn)生直接影響。利用矩陣圖進(jìn)行方案分析。序號要因?qū)Σ叻桨笇Σ咴u估綜合得分選定方案有效性可實(shí)施性經(jīng)濟(jì)性可靠性1成品軋制優(yōu)化工模具曲線5355√優(yōu)化工模具裝配4453√規(guī)范調(diào)整方法3553√2成品退火更換退火料倉5115×料倉校平3453√優(yōu)化裝料方式4544√3成品矯直調(diào)整參數(shù)匹配4553√加壓矯直54009×尾部增加延長桿3553√注：各項(xiàng)以5分為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。2.3.2機(jī)理分析矯直是基于金屬的彈性特征：不同金屬都有大小不等的彈性極限，即使在塑性變形條件下仍然伴隨著彈性變形，而彈性變形就意味著勢能的貯存，表現(xiàn)為一種彈性返回的能力。所以理論上，在彈性范圍內(nèi)，只要存在彎曲，能找到合理的彎曲度，就能實(shí)現(xiàn)矯直。鋯合金包殼管為保證最終氫化物指標(biāo)合格，一般都使用六輥或十輥矯直機(jī)采用無壓力的純彎曲矯直，理論上只要彎曲度適宜，當(dāng)彈性變形與原始彎曲剛好抵消時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)管材矯直。所以，從理論上講，是可能實(shí)現(xiàn)機(jī)械矯直100%合格2.3.3對策實(shí)施我公司通過優(yōu)化軋制工模具曲線和裝配、提高軋制潤滑冷卻效果、規(guī)范軋制調(diào)整和過程檢驗(yàn)方式等措施開發(fā)，有效提升了軋制產(chǎn)品直線度，工序直線度優(yōu)良率由原來的50%提升至90%，軋制送進(jìn)量提升100%，實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先。圖4軋制孔型設(shè)計(jì)曲線2.3.3.2退火因退火裝料一般都在300kg以上，且多位于中部，會(huì)導(dǎo)致兩頭存在翹曲，致使脫鉤卡位異常，所以對于長料倉，一般都會(huì)在兩頭設(shè)置配重塊，進(jìn)行重量平衡，測量數(shù)據(jù)如下，可以看出，料倉在中部已嚴(yán)重壓彎。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在長年累月退火過程中，料倉受到冷熱循環(huán)的沖擊，產(chǎn)生了很明顯的熱變形，導(dǎo)致底部出現(xiàn)波浪狀。經(jīng)現(xiàn)場測量最高處的不平整度近4cm，這樣導(dǎo)致料倉與物料為點(diǎn)接觸，高溫時(shí)，物料會(huì)隨料倉永久變彎曲。最理想的退火料倉形貌如下：措施：①中部加裝配重塊根據(jù)退火爐料倉中部鼓包變形情況，在料車中部加裝配重塊，根據(jù)料車承重量，匹配合適重量的配重塊，根據(jù)料倉熱膨脹系數(shù)確定熱校形溫度，迫使料倉在熱膨脹時(shí)向兩端延伸。②底部校平根據(jù)料倉S形變形情況，加工專用壓倉板，根據(jù)料車承重量，匹配合適重量的配重塊，根據(jù)料倉熱膨脹系數(shù)確定熱校形溫度，并根據(jù)底部變形情況針對性確定擺放壓塊位置，進(jìn)行底部校平。③底部鋪墊料：另外在料倉底部與物料之間鋪墊管材(?9~16m、壁厚0.5~2mm、層數(shù)1~5來緩沖料倉與物料的硬接觸，擺料過程中，以料倉中部為基點(diǎn)，確保每支管材都能達(dá)到平行相切，解決管材性能穩(wěn)定性和強(qiáng)度塑性匹配問題。通過上述優(yōu)化，成品退火工序的直線度惡化率由原來的50%降低至4%，基本滿足矯直工序?qū)τ趤砹系闹本€度要求。2.3.3.3矯直矯直工序的解決思路：1.根據(jù)現(xiàn)有直線度多為尾部不滿足加嚴(yán)要求，其余部位均合格的情況，考慮增加有效矯直長度來改善尾部直線度，可通過增加定尺管材長度或利用延長桿方式，將直線度不佳部位移植無效區(qū)。2.通過彎曲量和矯直輥角度、間隙優(yōu)化匹配，確定矯直管材直線度、氫化物、表面質(zhì)量均滿足要求的矯直參數(shù)。①加延長桿改善尾部直線度在小間隙調(diào)整基礎(chǔ)上，摸索矯直管材尾部加延長桿對直線度的影響規(guī)律。第一步：選擇長度，分別選擇長度跨兩輥和跨三輥的Φ10mm管材/棒材，長度為80mm~150mm，在矯直機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；第二步：選擇直徑，在第一步基礎(chǔ)上分別選擇直徑為Φ10mm、Φ8mm和Φ12mm的管材和Φ8mm棒材，在東西區(qū)矯直機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)；同步進(jìn)行連接方式的優(yōu)化選擇。擇優(yōu)選用適宜的延長桿開展后續(xù)試驗(yàn)工作。②矯直參數(shù)與直線度、氫化物優(yōu)化匹配在選用適宜的延長桿基礎(chǔ)上，進(jìn)行彎曲量（3~6mm）、矯表面質(zhì)量匹配試驗(yàn)。第一步：在小間隙調(diào)整基礎(chǔ)上，通過彎曲量和矯直輥角度匹配，摸索直線度、氫化物、表面質(zhì)量規(guī)律；第二步：在上述基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)矯直輥角度，試驗(yàn)大間隙和彎曲量的匹配關(guān)系，摸索直線度、氫化物、表面質(zhì)量最終經(jīng)過試驗(yàn)，大間隙配合大彎曲量，配合矯直輥角度可實(shí)現(xiàn)較理想的直線度水平。12345///③結(jié)果及總結(jié)通過增加120mm左右Φ8mm棒材延長桿可有效改善矯直管材尾部直線度不佳問題；大間隙（十輥矯直機(jī)：0.4mm、0.5mm、0.5mm；六輥矯直機(jī)：0.6mm、0.8mm、0.8mm以上）矯直更有利于尺寸、直線度、表面狀態(tài)等存在細(xì)微差異的管材，在矯直過程中穩(wěn)定性及包容性更佳；3、創(chuàng)新性、實(shí)用性及可靠性通過對直線度控制成套技術(shù)的研制，從創(chuàng)新性、實(shí)用性及可靠性三個(gè)方面對其成果進(jìn)行評價(jià)，內(nèi)容如下。1）通過對軋制工模具曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)，細(xì)化軋制組件裝配、中心線調(diào)整等，在提升軋制產(chǎn)品直線度的同時(shí)，軋制送進(jìn)量提升100%，實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先。2）掌握了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的針對大尺寸退火料倉通過優(yōu)化配重、料倉校平、優(yōu)化裝料方式等方法提升退火管材直線度的方法。3）掌握了針對核用鋯合金管材純彎曲矯直的參數(shù)優(yōu)化匹配和通過增加延長桿解決尾部直線度不佳，實(shí)現(xiàn)矯直氫化物和直線度的有效平衡，使機(jī)械矯直管材直線度基本合格，手矯校正量不超過5%。本項(xiàng)目實(shí)施及主要成本均以較小資金投入為前提，類似產(chǎn)品和企業(yè)均可借鑒相應(yīng)的思路和成果，幫助解決各自產(chǎn)品的直線度問題，可有效保證其實(shí)用性和可推廣性。截止目前已穩(wěn)定進(jìn)行了約80批次、4萬支管材的生產(chǎn)，整體手工校正率為2.65%，足以證明項(xiàng)目的研究成果具有很強(qiáng)的可靠性，其成套控制技術(shù)已歷經(jīng)工程化應(yīng)用的考驗(yàn)，技術(shù)成熟，方法得當(dāng)，效果顯著。4、成果推廣效果通過對軋制工模具曲線優(yōu)化、退火裝料的改善、矯直機(jī)的調(diào)整，形成了核級鋯合金包殼管直線度成套技術(shù)，并應(yīng)用于核電站的包殼管生產(chǎn)。截止目前已進(jìn)行了約80批次、4萬支管材的生產(chǎn)，整體手工校正率為2.65%，校正難度也大大降低，班產(chǎn)量由40支/班/人提升至120支/班/人，提升200%。累計(jì)可節(jié)約人工成100余萬元，批次生產(chǎn)周期減少10個(gè)班次，效率提升7%，每批次可節(jié)約各類生產(chǎn)成本投入5萬4.2推廣前景研究、掌握的該核級鋯合金包殼管直線度成套技術(shù)，可有效推廣至我公司其他產(chǎn)品的生產(chǎn)，如華龍一號、國核一號、重水堆、環(huán)形燃料組件和其它小眾規(guī)格類型等多種規(guī)格管材產(chǎn)品的直線度控制。同時(shí)，對于行業(yè)內(nèi)的有較高直線度和有關(guān)性能指標(biāo)要求的鈦、鋯、鉿、不銹鋼管材的直線度控制也提供了具有低成本、易操作、效果顯著的解決方案。在社會(huì)效果方面，目前，全球各國都在致力發(fā)展清潔能源，而核電是清潔能源的重要組成部分，相對發(fā)達(dá)國家核發(fā)電在本國總發(fā)電的占有量，我國的核發(fā)電還有較大的提升空間。同時(shí)，隨著我國“一帶一路”的全面推進(jìn)，我國核電技多個(gè)國家已經(jīng)和正在計(jì)劃發(fā)展核電，預(yù)計(jì)到2030年新建機(jī)組將達(dá)200多臺(tái)。目前這些國家的核電事業(yè)處于空白狀態(tài)，我國自主研發(fā)核電技術(shù)已成為積極推廣的名片，現(xiàn)已成功向7個(gè)國家出口了核電機(jī)組、反應(yīng)堆或核動(dòng)力裝置，而隨著核電技術(shù)走出去的還包含了核電燃料材料。核用鋯合金管材是核電燃料材料的重要組成部分，而在核用鋯合金管材生產(chǎn)加工過程中，直線度作為重要指標(biāo)對生產(chǎn)的產(chǎn)品的使用均具有重要意義，對能否高質(zhì)量提供相應(yīng)產(chǎn)品，保證產(chǎn)品高水平的堆內(nèi)服役性能，滿足國家的能源需求和安全，尤其是近幾年中美之間的復(fù)雜關(guān)系，美國對我國出口民用核能產(chǎn)品進(jìn)行了長臂管轄，保證自主化穩(wěn)定提供高質(zhì)量的核用鋯合金管材更有實(shí)際意義。5成果存在的問題（1）從材料學(xué)