鋯合金棒材常用于核反應堆用燃料棒的端塞材料。熱旋鍛工序是鋯棒生產工藝流程中的關鍵 工序之一。鋯棒熱旋鍛過程中，需先將鋯棒加熱到一定的溫度后隨即進行旋鍛生產。鋯合金是典 型的吸氫材料。若在熱旋鍛前的加熱溫度控制不當，則易造成鋯合金吸附空氣中的氫氣從而造成 鋯棒中的氫元素超標，引發嚴重的的質量問題。文章以某批次鋯棒檢驗時發現的氫元素超標問題 為例，采用故障樹的方法列舉了可能導致鋯棒熱旋鍛過程中的吸氫因素，確定了鋯棒氫元素超標 的原因，提出了后續改進措施，并按照改進措施提出的工藝進行了驗證實驗，結果表明，試驗棒 材的氫元素檢測結果均合格。該質量問題的解決為提高鋯棒熱旋鍛質量控制過程提供了新思想和 新方法。 

鋯及鋯合金因具有熱中子截面吸收率低、高溫 高壓下其具有優異的力學性能和腐蝕性能的特點， 廣泛應用于核反應堆的結構材料和包殼管材料。氫 在鋯及鋯合金中的固溶度有限，從Zr-H相圖可知， 氫在α-Zr內的溶解度明顯的隨溫度變化而變化，一 定溫度下，有一定的極限固溶度。在室溫下低于幾  個10(質量分數)，在300℃時約為80×10^-6，在400℃ 時可上升到200×10^-6。當氫含量超過極限固溶度或者 降低鋯環境溫度時，鋯及鋯合金析出氫化物，所以 鋯及鋯合金是一種強烈的吸氫材料，它對氫元素的 溶解度會隨著溫度升高而升高。有資料表明，氫 對鋯合金材料的危害主要為產生氫蝕、氫脆和氫鼓 泡。當鋯合金包殼觀在高溫運行時，吸收腐蝕反應 生成的氫化物可嚴重的破壞α-Zr晶粒的完整性，產生微裂紋或者體積增大，從而嚴重的影響鋯合金的氫 化物取樣因子和力學性能，可導致鋯合金燃料棒在 堆內惡劣的環境中發生氫致延遲斷裂(DHC)。伴 隨著人們對核文化、核反應堆質量和安全標準理解 的不斷深入，嚴格控制鋯合金中的氫含量和氫化物 是各國核材料工作者研究的重點工作之一。

本文以 核反應堆用燃料元件用鋯棒的氫元素超標質量問題 為研究對象，采用故障樹的方法列舉了可能導致鋯 棒熱旋鍛過程中的吸氫因素，確定了鋯棒氫元素超 標的原因，提出了后續改進措施，并按照改進措施 提出的工藝進行了驗證試驗，最終試驗鋯棒氫元素 結果均合格。該質量事件為豐富鋯合金理論和實踐 研究、提高鋯合金生產過程中的質量控制和過程管 理提供了一種新思路和新方法。

1、事件描述 

通常成品鋯合金棒材中的氫元素含量標準要 求為氫元素≤0.0025%(質量分數)，然而對某公司 生產出的成品鋯棒進行氫元素檢測，其抽檢結果分 別為0.0029%和0.0038%。經過與客戶溝通，對原 樣品原部位重新加倍取樣復驗，該批次鋯棒氫元素 的抽檢結果分別為0.0018%、0.0024%、0.0029%、 0.0016%。該批成品鋯棒中的部分檢驗樣品氫元素含 量超出了技術條件標準的要求。 

2、原因定位 

針對成品鋯棒氫元素超標的質量問題，某公司先對鋯棒的原料進行了排查確認。結果表明鋯 棒坯原料的氫元素的檢測結果分別為0.0018%、0.0012%、0.0018%、0.0016%。從鋯棒坯原料的檢測 結果可見，鋯棒坯的原料結果合格。隨后，對鋯棒 生產流程中的所有冷加工(軋制、除油、酸洗、無芯 磨和拋光工序)和熱加工(退火和熱旋鍛工序)工序進 行實驗和檢查。經過開展相應的排查實驗和檢查， 結果表明可以排除冷加工所有工序和熱加工中的退 火工序。最終定位為熱旋鍛工序可能導致該批次的 鋯棒氫超標，現建立故障樹，從氫源和吸氫條件兩 方面分別系統分析外委熱旋鍛工序，故障樹如 圖1所示。 

1）操作人員 

在該批鋯棒生產過程中，生產的操作人員具有 豐富的生產經驗，每次生產前均經過相關的培訓， 具有相應的資質，所以可以排除操作人員操作不當 造成的鋯棒氫超標。

2）物料污染 

在熱旋鍛生產過程中，熱旋鍛軸承需要潤滑(潤 滑油為碳氫有機物)。若軸承潤滑油泄露或爐膛不干 凈(含氫物質的污染)，則導致潤滑油污染鋯棒。在熱 旋鍛前加熱的環境中會產生大量含氫氣氛，從而導 致鋯棒熱旋鍛吸氫。此外，從該批熱旋鍛設備運行 檢查記錄進行排查，熱旋鍛設備運行檢查記錄不完 整，熱旋鍛設備潤滑油泄露、加熱爐膛內油粘污、爐膛不干燥可能會導致鋯棒氫元素超標。 由于鋯棒的熱旋鍛主要為外委生產，且鋯棒存 放和搬運不當，則會造成鋯棒表面存在含氫物質的 污染(如油沾污)，從而導致棒材吸氫。 選取同規格的鋯棒，在熱旋鍛前的加熱階段開 展鋯棒涂油模擬熱旋鍛加熱實驗，最終實驗結果表 明：涂油后的鋯棒在加熱旋鍛后氫元素超標。 綜上所述，熱旋鍛設備漏油、鋯棒生產或運輸 過程表面含氫物質的污染，可能會導致鋯棒氫元素 超標。 

3）環境 

空氣濕度 

查閱熱旋鍛外委建造記錄和現場實測濕度，開 展空氣濕度對鋯棒熱旋鍛實驗，鋯棒實驗后氫元素檢 測均合格，可以排除氫源對鋯棒氫元素超標的影響。 

氫源 

經過外委現場檢查，發現外委加工單位熱旋鍛 場地雖然存在氫源，但在熱旋鍛過程中該氫源處于關 閉狀態，可以排除氫源對鋯棒氫元素超標的影響。 

綜上所述，熱旋鍛過程中的旋鍛設備潤滑油泄 露、加熱爐膛內油粘污、爐膛不干燥、棒材存放和搬 運不當造成的沾污是造成鋯棒氫元素超標的原因。 

3、機理分析 

從Zr-H的相圖可知，氫在α-Zr內的溶解度明顯 的隨溫度變化而變化。氫的固溶度在室溫下低于 10-6%，在300℃的溫度下約為80×10-6%，在400℃的 溫度下約為200×10-6%，在700~800℃的溫度下氫的 固溶度更高。而熱旋鍛態的溫度恰好在700~800℃之 間，若爐內鋯合金表面或旋鍛環境中存在含氫氣物 質，鋯棒會急速的產生吸氫行為，從而造成該批鋯 棒氫元素超標。 

4、改進措施 

根據圖1故障樹分析所定位的原因，提出后續改 進措施，內容如下：啟動熱旋鍛設備生產前，對熱旋鍛設備進行檢查，確保設備軸承潤滑正常，設備 無漏油現象；外委生產熱旋鍛生產鋯棒時，現場制 氫設備必須停止生產；熱旋鍛過程中保證物料存放在清潔料架上；搬運過程中，與物料接觸的手套和 夾具應清潔，避免對物料造成污染；生產前對加熱 爐膛進行清理，確保爐膛干凈無污染；每次熱旋鍛 前應對熱旋鍛爐填充鋯屑進行烘爐處理，在工藝要 求的保溫溫度下烘爐時間應不少于3h。 

按照改進措施重新進行鋯棒熱旋鍛實驗，熱旋 鍛后的棒材氫元素均合格，進一步證明提出的改進 措施有效。 

5、結束語 

以某公司外委熱旋鍛發生的鋯棒氫元素超標質 量事件為例，采用故障樹的方法以鋯棒外委熱旋鍛 過程中的氫源和吸氫條件為內容進行分析和探討。 熱旋鍛過程中的旋鍛設備潤滑油泄露、加熱爐膛內 油粘污、爐膛不干燥、棒材存放和搬運不當造成的 沾污是造成鋯棒氫元素超標的原因。提出了檢查設 備、清潔料架、爐膛清理和鋯屑烘爐等改進措施。 按照改進措施進行試驗驗證，試驗后的棒材氫元素 性能合格。該質量事件為豐富鋯合金理論和實踐研 究、提高鋯合金生產過程中的質量控制和過程管理 提供了一種新思路和新方法。

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