基于故障樹法的核級鋯管退火表面黑點(diǎn)原因分析

供稿|黨輝 / DANG Hui

作者單位：1. 國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，寶雞 721013；2. 國家能源核級鋯材研發(fā)中心，寶雞 721013；3. 陜西省核級鋯材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寶雞 721013

內(nèi)容導(dǎo)讀為獲得適宜的塑性和加工性能，核級鋯管每道次軋制除油后均進(jìn)行退火處理，但是生產(chǎn)過程中退火后的核級管材表面出現(xiàn)黑點(diǎn)現(xiàn)象。文章采用故障樹分析法對鋯管生產(chǎn)過程的設(shè)備、人員、原料和生產(chǎn)環(huán)境等過程進(jìn)行分析，認(rèn)為引起故障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及原因是乳液箱敞口可能引入雜質(zhì)以及擦拭布存在污染，提出更換乳液、清理乳液箱、增加防塵濾網(wǎng)、隔離軋制區(qū)和更換除油擦拭布等處理措施及建議，為核級鋯管生產(chǎn)質(zhì)量管理提供了參考。

鋯合金因具有優(yōu)良的核性能、加工性能，且在高溫高壓下具有優(yōu)異的抗腐蝕性，常用于水冷反應(yīng)堆的核級鋯包殼管材料[1]。核級鋯管每道次軋制除油后均進(jìn)行退火處理可獲得適宜的塑性和加工性能。某公司發(fā)現(xiàn)退火后的核級管材表面存在黑點(diǎn)現(xiàn)象。由于鋯管表面質(zhì)量與成品腐蝕性能影響很大：粗糙、有劃傷和化學(xué)污染的表面會(huì)加速鋯合金腐蝕速率[2]。為了確保核級鋯管產(chǎn)品質(zhì)量，本文采用故障樹分析方法，從系統(tǒng)的角度對核級鋯管退火后黑點(diǎn)進(jìn)行分析，并尋找出導(dǎo)致缺陷發(fā)生的重要因素，針對這些因素建議采取相應(yīng)的糾正和預(yù)防措施，確保核級鋯管生產(chǎn)的質(zhì)量。

事件描述

某公司核級鋯管生產(chǎn)期間，首批次生產(chǎn)的核級鋯管個(gè)別管材退火后出現(xiàn)了黑點(diǎn)現(xiàn)象，隨后在大批量的管材生產(chǎn)過程中，每批次的管材退火后均發(fā)現(xiàn)了黑點(diǎn)現(xiàn)象。黑點(diǎn)形貌見圖1，黑點(diǎn)直徑約1 mm。采用能譜分析電鏡對黑點(diǎn)邊緣和中心部位進(jìn)行能譜分析。圖2和圖3結(jié)果表明：黑點(diǎn)中心為坑狀形貌，邊緣區(qū)域較為平坦；黑點(diǎn)處的碳元素、氧元素呈現(xiàn)中心區(qū)域高，邊緣區(qū)域低的分布。

圖1 核級鋯管退火后黑點(diǎn)形貌

圖2 黑點(diǎn)中心區(qū)域電鏡形貌及能譜分析結(jié)果

圖3 黑點(diǎn)邊緣區(qū)域電鏡形貌及能譜分析結(jié)果

原因定位

故障樹分析法是系統(tǒng)分析質(zhì)量事件的一種常用方法，具有直觀、邏輯性強(qiáng)和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、化工、航天、電子、機(jī)械等領(lǐng)域[3]。根據(jù)核級鋯管退火表面黑點(diǎn)的電鏡觀察和能譜分析的結(jié)果，繪制核級鋯管退火表面黑點(diǎn)現(xiàn)象故障樹分析圖，如圖4。

圖4 核級鋯管退火后黑點(diǎn)現(xiàn)象故障樹分析圖

分析故障樹中的各基本事件發(fā)生時(shí)導(dǎo)致的結(jié)果：

X1(工模具粗糙)：管材軋制時(shí)，如果管坯接觸的軋制工模具表面粗糙，那么將會(huì)導(dǎo)致軋制后的管材產(chǎn)生點(diǎn)坑、黏接等缺陷，在后續(xù)除油工序中不能有效去除點(diǎn)坑、黏接處的油污，最終造成管材退火后出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X2(電極漏電)：除油設(shè)備中如果電極漏電，那么管材在除油槽中進(jìn)行除油作業(yè)時(shí)在漏電電弧的作用下出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X3(退火漏油)：如果退火設(shè)備密封圈處漏油在升溫過程中污染管材表面，那么油污在退火過程中蒸發(fā)，從而造成管材退火后出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X4(退火真空度偏低)：由于退火設(shè)備真空度偏低，因此管材在退火過程中與空氣中的氧、氫氣體反應(yīng)，從而表面出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X5(人員操作失誤)：工作人員經(jīng)驗(yàn)不足，沒有擦拭干凈管材局部油污，從而造成管材退火后出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X6(材料成分偏差)：核級鋯材局部區(qū)域化學(xué)元素出現(xiàn)超標(biāo)，導(dǎo)致這些管材超標(biāo)元素區(qū)域在退火后出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X7(軋制乳液有雜質(zhì))：由于軋制乳液中含有雜質(zhì)，管材在軋制過程中，這些雜質(zhì)會(huì)造成管材表面出現(xiàn)壓坑，這些壓坑中的油污不能在后續(xù)除油過程中有效去除，因此管材在退火后壓坑區(qū)域出現(xiàn)黑點(diǎn)。

X8(除油劑過期)：由于除油劑過期，管材在除油過程中不能有效去除表面油污，因而致使這些油污在退火后變?yōu)楹邳c(diǎn)。

X9(擦拭布污染)：如果除油或者退火過程中的擦拭布有污染，那么會(huì)造成管材除油后擦拭過程中被污染，管材在退火后出現(xiàn)黑點(diǎn)。

對各基本事件進(jìn)行調(diào)查并開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，調(diào)查情況如表1所示。

表1 各基本事件調(diào)查情況

通過對表1的各項(xiàng)基本事件進(jìn)行檢查，可以得出導(dǎo)致核級鋯管退火后表面黑點(diǎn)的主要原因是：(1)乳液箱敞口可能引入雜質(zhì)，軋制中將雜質(zhì)壓入而造成點(diǎn)坑，除油后不能將點(diǎn)坑處的油污清除干凈；(2)擦拭布存在污染。

改進(jìn)措施

根據(jù)故障樹分析可知，基本事件X7和X9發(fā)生必然導(dǎo)致頂部事件核級鋯管退火后表面出現(xiàn)黑點(diǎn)現(xiàn)象，因此在后續(xù)生產(chǎn)過程中的改進(jìn)措施為：

(1) 針對乳液箱敞口基本事件，將管材軋制原有乳液更換為新乳液，并對原乳液進(jìn)行過濾，消除原乳液中雜質(zhì)。

(2) 對軋制乳液箱再次進(jìn)行清理，去除乳液箱上的油污和雜質(zhì)，避免乳液箱中存在雜質(zhì)或者粉塵。

(3) 對軋制乳液箱進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加防粉塵濾網(wǎng)，防止外來粉塵或者雜質(zhì)進(jìn)入乳液箱。

(4) 對管材軋制區(qū)域進(jìn)行隔離，確保核級鋯管軋制工作區(qū)為潔凈區(qū)間。

(5) 對除油擦拭布進(jìn)行更換。減少除油擦拭布擦拭管材的次數(shù)，消除除油擦拭布對管材表面的影響。

采取改進(jìn)措施后，在生產(chǎn)過程中核級鋯管表面黑點(diǎn)現(xiàn)象得以消除，該質(zhì)量事件得以圓滿解決。

結(jié)束語

核級鋯管表面黑點(diǎn)質(zhì)量事件的分析過程與處理結(jié)果表明，應(yīng)用故障樹分析法可有效找出引起故障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合故障樹中的基本事件，可以找出引起事件的原因?yàn)闉槿橐合涑诳赡芤腚s質(zhì)或者擦拭布存在污染。根據(jù)基本事件確定更換原乳液、清理乳液箱、增加防塵濾網(wǎng)、隔離軋制區(qū)、更換除油擦拭布等處理措施。核級鋯管表面黑點(diǎn)質(zhì)量事件的圓滿解決為核級鋯管生產(chǎn)質(zhì)量管理提供了參考。