CN103920753B - 一种锆合金管材高精度矫直方法 - Google Patents

Abstract

一种锆合金管材高精度矫直方法，属于管材矫直技术领域。目前，核发电设备所使用的锆合金燃料管(Zr-4)壁厚仅为0.53mm，属于极薄壁管，由于燃料管需要在高压水冷环境中工作，而该环境中氢离子的含量又很高，如果燃料管的表面存在微裂，微裂处极易吸附氢离子，从而产生“氢脆”现象，使燃料管的氢化物取向超标，增加了核泄漏的风险。本发明的矫直方法所采用的矫直辊，保证了锆合金管材在辊缝中达到均布压力状态，在锆合金管材矫直过程中，均布的矫直力与一般反弯辊形矫直辊施加的矫直力相比，只占到一般反弯辊形矫直辊施加的矫直力的1/3.3，避免了锆合金管材在矫直过程中被压微裂，实现了无微裂矫直的目的。

Description

一种锆合金管材高精度矫直方法

技术领域

本发明属于管材矫直技术领域，特别是涉及一种锆合金管材高精度矫直方法。

背景技术

目前，核发电设备所使用的锆合金燃料管(Zr-4)壁厚仅为0.53mm，属于极薄壁管，由于燃料管需要在高压水冷环境中工作，而该环境中氢离子的含量又很高，如果燃料管的表面存在微裂，微裂处极易吸附氢离子，从而产生“氢脆”现象，使燃料管的氢化物取向超标，增加了核泄漏的风险。

锆合金燃料管需要经过矫直处理后方可使用，而矫直后的燃料管需要达到无微裂、无划痕、无反弹、无盲区和无椭圆的表面技术指标要求，且燃料管直线度不能大于0.3mm/m。采用传统矫直机进行矫直的方法，暂时还都无法避免燃料管表面产生微裂，虽然国外出现了一种无对压矫直技术，能够实现燃料管表面无微裂的技术指标要求，但是对于燃料管无椭圆、无反弹的技术指标仍不够理想。现有的矫直技术依然无法满足燃料管表面技术指标的全面要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种锆合金管材高精度矫直方法，通过该矫直方法，能够满足燃料管表面无微裂的技术指标要求，同时能够满足燃料管无反弹、无盲区、无椭圆、表面无划痕的技术指标要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锆合金管材高精度矫直方法，包括如下步骤：

步骤一：确定锆合金管材的尺寸参数

步骤二：确定矫直机的结构参数

①确定矫直机辊系结构；

②确定矫直辊的辊形，矫直辊采用三段等曲率反弯辊形；

③确定矫直辊与主机机台夹角；

④确定矫直导程，矫直导程的计算公式为

t＝πdtanα

其中，t为矫直导程，即锆合金管材的某一相位在辊缝内螺旋式旋转一周为一个矫直导程，π为圆周率，d为锆合金管材外径，α为矫直辊与主机机台夹角；

步骤三：确定矫直辊的辊形参数，具体为确定矫直辊反弯半径，使辊缝内的矫直力呈均布状态；

①确定辊缝内最大弯矩M₁，其计算公式为

M₁＝0.8r³δ_s/1000

其中，r为锆合金管材的半径，δ_s为锆合金管材的屈服强度；

②按分段距离计算均布压力对应的弯矩，第一段距离内均布压力对应的弯矩为M₂，第二段距离内均布压力对应的弯矩为M₃，第三段距离内均布压力对应的弯矩为M₄；

其中

M₂＝0.563M₁

M₃＝0.25M₁

M₄＝0.0625M₁

各分段距离均为a，其中a＝t/2，t为矫直导程；

③在各分段距离为a的区间内，辊缝中各点的压力值分别为F₁、F₂、F₃及F₄，则F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝aq，q为均布压力值，其中

M₄＝qa²/2

由M₄＝0.0625M₁，可得

q＝0.125M₁/a²

则，F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝0.125M₁/a；

④确定M₁段的矫直辊反弯半径ρ₁，ρ₁具体为矫直辊辊腰处的反弯半径，且矫直辊反弯半径ρ₁作为标定值；

M₂段的矫直辊反弯半径ρ₂的计算公式为

ρ₂＝1.78ρ₁

M₃段的矫直辊反弯半径ρ₃的计算公式为

ρ₃＝4ρ₁

M₄段的矫直辊反弯半径ρ₄的计算公式为

ρ₄＝16ρ₁

步骤四：按照矫直辊反弯半径ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄的数值，加工制造矫直辊，并将制造好的矫直辊安装到矫直机上；

步骤五：对锆合金管材实施矫直作业，进行无微裂矫直。

所述矫直机辊系结构采用三组六辊的辊系结构。

所述三组矫直辊等距设置。

本发明的有益效果：

本发明的矫直方法所采用的矫直辊，保证了锆合金管材在辊缝中达到均布压力状态，在锆合金管材矫直过程中，均布的矫直力与一般反弯辊形矫直辊施加的矫直力相比，只占到一般反弯辊形矫直辊施加的矫直力的1/3.3，因此避免了锆合金管材在矫直过程中被压微裂，实现了无微裂矫直的目的，同时还能够满足锆合金管材无反弹、无盲区、无椭圆和表面无划痕的技术指标要求。

附图说明

图1为辊缝内矫直力呈均布状态时弯矩与矫直力分布状态图；

图2为一般等曲率反弯辊形辊缝内弯矩与矫直力分布状态图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：

一种锆合金管材高精度矫直方法，包括如下步骤：

步骤一：确定锆合金管材的尺寸参数

本实施例中，锆合金管材外径为10mm，壁厚为0.53mm；

步骤二：确定矫直机的结构参数

①确定矫直机辊系结构，本实施例中，矫直机选用三组六辊的辊系结构；

②确定矫直辊的辊形，矫直辊采用三段等曲率反弯辊形；

③确定矫直辊与主机机台夹角，本实施例中，矫直辊与主机机台夹角定为30°；

④确定矫直导程，矫直导程的计算公式为

t＝πdtanα

其中，t为矫直导程，即锆合金管材的某一相位在辊缝内螺旋式旋转一周为一个矫直导程，π为圆周率，d为锆合金管材外径，α为矫直辊与主机机台夹角；由d＝10mm及α＝30°可得，t＝18.13mm；

步骤三：确定矫直辊的辊形参数，具体为确定矫直辊反弯半径，使辊缝内的矫直力呈均布状态，辊缝内弯矩与矫直力分布状态如图1所示；

①确定辊缝内最大弯矩M₁，其计算公式为

M₁＝0.8r³δ_s/1000

其中，r为锆合金管材的半径，δ_s为锆合金管材的屈服强度，本实施例中，r＝5mm，δ_s＝321.1MPa，则M₁＝32.11N·mm；

②按分段距离计算均布压力对应的弯矩，第一段距离内均布压力对应的弯矩为M₂，第二段距离内均布压力对应的弯矩为M₃，第三段距离内均布压力对应的弯矩为M₄；

其中

M₂＝0.563M₁

M₃＝0.25M₁

M₄＝0.0625M₁

可得，M₂＝18.08N·mm，M₃＝8.03N·mm，M₄＝2.01N·mm；

各分段距离均为a，其中a＝t/2，t为矫直导程，由t＝18.13mm可得，a＝9.065mm；

③在各分段距离为a的区间内，辊缝中各点的压力值分别为F₁、F₂、F₃及F₄，则F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝aq，q为均布压力值，其中

M₄＝qa²/2

由M₄＝0.0625M₁，可得

q＝0.125M₁/a²

则，F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝0.125M₁/a；

由M₁＝32.11N·mm及a＝9.065mm可得，F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝0.44N；

④确定M₁段的矫直辊反弯半径ρ₁，ρ₁具体为矫直辊辊腰处的反弯半径，且矫直辊反弯半径ρ₁作为标定值；本实施例中，取ρ₁＝50mm；

M₂段的矫直辊反弯半径ρ₂的计算公式为

ρ₂＝1.78ρ₁

M₃段的矫直辊反弯半径ρ₃的计算公式为

ρ₃＝4ρ₁

M₄段的矫直辊反弯半径ρ₄的计算公式为

ρ₄＝16ρ₁

由ρ₁＝50mm可得，ρ₂＝89mm，ρ₃＝200mm，ρ₄＝800mm；

步骤四：按照矫直辊反弯半径ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄的数值，加工制造矫直辊，并将制造好的矫直辊安装到矫直机上，三组矫直辊等距设置，本实施例中，辊距定为95mm，矫直辊辊长定为70mm；

步骤五：对锆合金管材实施矫直作业，进行无微裂矫直。

采用具有均布压力功能的三段等曲率反弯辊形的矫直辊，现已经投入生产，经矫直后的锆合金管材经氢化物试验后，没有发现氢化物取向超标，证明了本发明的矫直方法能够解决锆合金管材矫直后无微裂的问题，矫直后的锆合金管材已作为燃料管被核发电设备使用。

下面提供一个对比实施例，具体为一般反弯辊形(辊缝内弯矩与矫直力分布状态如图2所示)的矫直辊辊形参数设计过程，用作与本发明的矫直方法进行参照对比，其中锆合金管材外径为10mm，壁厚为0.53mm，具体步骤如下：

步骤一：确定辊缝的极限反弯半径ρ_t及辊缝的反弯半径ρ_{i(i＝1、2、3)}

极限反弯半径ρ_t的计算公式为

ρ_t＝E·r/δ_t＝E·r/δ_s

第一段辊缝反弯半径ρ₁的计算公式为

ρ₁＝ρ_t

第二段辊缝反弯半径ρ₂的计算公式为

ρ₂＝(c-0.1)ρ_t

第三段辊缝反弯半径ρ₃的计算公式为

ρ₃＝nρ_t，(n＝0.6～0.62)

其中，E为锆合金管材的弹性模量，r为锆合金管材的半径，δ_t为锆合金管材的弹性极限应力，δ_s为锆合金管材的屈服强度，c为锆合金管材内径与外径之比，n为比例常数；

本实施例中，E＝99.2GPa，δ_t＝321.1MPa，δ_s＝321.1MPa，c＝0.894，n＝0.62，可得ρ_t＝1.544×10³mm；

则，ρ₁＝1.544×10³mm，ρ₂＝1.226×10³mm，ρ₃＝0.957×10³mm；

步骤二：确定辊缝的弯矩M_{i(i＝1、2、3)}

弯矩M_i的计算公式为

M_i＝E·I/ρ_i，(i＝1、2、3)

其中，E为锆合金管材的弹性模量，I为锆合金管材的惯性距，ρ_i为辊缝第i段反弯半径，锆合金管材的惯性距I的计算公式为

I＝πd⁴(1-c⁴)/32

其中，π为圆周率，d为锆合金管材外径，c为锆合金管材内径与外径之比；

本实施例中，由d＝10mm，c＝0.894，可得，I＝354.4；

则，第一段辊缝弯矩M₁＝22.8×10³N·mm；

第二段辊缝弯矩M₂＝28.7×10³N·mm；

第三段辊缝弯矩M₃＝36.7×10³N·mm；

步骤三：确定矫直力F_{i(i＝1、2、3、4)}

矫直力F₁(F₂)的计算公式为

F₁＝F₂＝(M₂-M₁)/t

矫直力F₃(F₄)的计算公式为

F₃＝F₄＝M₂/t

由M₁＝22.8×10³N·mm及M₂＝28.7×10³N·mm可得，F₁＝F₂＝0.33×10³N及F₃＝F₄＝1.58×10³N。

从矫直力可以看出，采用一般反弯辊形的矫直辊，矫直力F₁与F₃(F₂与F₄)的差值很大，在锆合金管材矫直过程中，F₃(F₄)会把锆合金管材表面压出微裂，导致无微裂矫直的要求无法被满足。

而本发明的矫直方法能够实现均布压力矫直，其均布压力条件下，均布的矫直力仅为0.44N，仅占一般反弯辊形矫直辊辊缝最大压力F₃(F₄)的1/3.3，从而避免了锆合金管材被压出微裂，满足了无微裂矫直的目的。

管径范围为Φ6mm～Φ12mm，壁厚为0.53mm的锆合金管材，均适用于本发明。

Claims (3)

1.一种锆合金管材高精度矫直方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：确定锆合金管材的尺寸参数

步骤二：确定矫直机的结构参数

①确定矫直机辊系结构；

②确定矫直辊的辊形，矫直辊采用三段等曲率反弯辊形；

③确定矫直辊与主机机台夹角；

④确定矫直导程，矫直导程的计算公式为

t＝πdtanα

其中，t为矫直导程，即锆合金管材的某一相位在辊缝内螺旋式旋转一周为一个矫直导程，π为圆周率，d为锆合金管材外径，α为矫直辊与主机机台夹角；

步骤三：确定矫直辊的辊形参数，具体为确定矫直辊反弯半径，使辊缝内的矫直力呈均布状态；

①确定辊缝内最大弯矩M₁，其计算公式为

M₁＝0.8r³δ_s/1000

其中，r为锆合金管材的半径，δ_s为锆合金管材的屈服强度；

②按分段距离计算均布压力对应的弯矩，第一段距离内均布压力对应的弯矩为M₂，第二段距离内均布压力对应的弯矩为M₃，第三段距离内均布压力对应的弯矩为M₄；

其中

M₂＝0.563M₁

M₃＝0.25M₁

M₄＝0.0625M₁

各分段距离均为a，其中a＝t/2，t为矫直导程；

③在各分段距离为a的区间内，辊缝中各点的压力值分别为F₁、F₂、F₃及F₄，则F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝aq，q为均布压力值，其中

M₄＝qa²/2

由M₄＝0.0625M₁，可得

q＝0.125M₁/a²

则，F₁＝F₂＝F₃＝F₄＝0.125M₁/a；

④确定M₁段的矫直辊反弯半径ρ₁，ρ₁具体为矫直辊辊腰处的反弯半径，且矫直辊反弯半径ρ₁作为标定值；

M₂段的矫直辊反弯半径ρ₂的计算公式为

ρ₂＝1.78ρ₁

M₃段的矫直辊反弯半径ρ₃的计算公式为

ρ₃＝4ρ₁

M₄段的矫直辊反弯半径ρ₄的计算公式为

ρ₄＝16ρ₁

步骤四：按照矫直辊反弯半径ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄的数值，加工制造矫直辊，并将制造好的矫直辊安装到矫直机上；

步骤五：对锆合金管材实施矫直作业，进行无微裂矫直。

2.根据权利要求1所述的一种锆合金管材高精度矫直方法，其特征在于：步骤二中所述的矫直机辊系结构采用三组六辊的辊系结构。

3.根据权利要求2所述的一种锆合金管材高精度矫直方法，其特征在于：所述三组矫直辊等距设置。