一種鋯合金管材高精度矯直方法
【專(zhuān)利摘要】一種鋯合金管材高精度矯直方法，屬于管材矯直【技術(shù)領(lǐng)域】。目前，核發(fā)電設(shè)備所使用的鋯合金燃料管(Zr-4)壁厚僅為0.53mm，屬于極薄壁管，由于燃料管需要在高壓水冷環(huán)境中工作，而該環(huán)境中氫離子的含量又很高，如果燃料管的表面存在微裂，微裂處極易吸附氫離子，從而產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象，使燃料管的氫化物取向超標(biāo)，增加了核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明的矯直方法所采用的矯直輥，保證了鋯合金管材在輥縫中達(dá)到均布?jí)毫顟B(tài)，在鋯合金管材矯直過(guò)程中，均布的矯直力與一般反彎輥形矯直輥施加的矯直力相比，只占到一般反彎輥形矯直輥施加的矯直力的1/3.3，避免了鋯合金管材在矯直過(guò)程中被壓微裂，實(shí)現(xiàn)了無(wú)微裂矯直的目的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種鋯合金管材高精度矯直方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于管材矯直【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種鋯合金管材高精度矯直方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，核發(fā)電設(shè)備所使用的鋯合金燃料管(Zr-4)壁厚僅為0.53mm，屬于極薄壁管，由于燃料管需要在高壓水冷環(huán)境中工作，而該環(huán)境中氫離子的含量又很高，如果燃料管的表面存在微裂，微裂處極易吸附氫離子，從而產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象，使燃料管的氫化物取向超標(biāo)，增加了核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003]鋯合金燃料管需要經(jīng)過(guò)矯直處理后方可使用，而矯直后的燃料管需要達(dá)到無(wú)微裂、無(wú)劃痕、無(wú)反彈、無(wú)盲區(qū)和無(wú)橢圓的表面技術(shù)指標(biāo)要求，且燃料管直線度不能大于
0.3mm/m。采用傳統(tǒng)矯直機(jī)進(jìn)行矯直的方法，暫時(shí)還都無(wú)法避免燃料管表面產(chǎn)生微裂，雖然國(guó)外出現(xiàn)了一種無(wú)對(duì)壓矯直技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料管表面無(wú)微裂的技術(shù)指標(biāo)要求，但是對(duì)于燃料管無(wú)橢圓、無(wú)反彈的技術(shù)指標(biāo)仍不夠理想?，F(xiàn)有的矯直技術(shù)依然無(wú)法滿(mǎn)足燃料管表面技術(shù)指標(biāo)的全面要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鋯合金管材高精度矯直方法，通過(guò)該矯直方法，能夠滿(mǎn)足燃料管表面無(wú)微裂的技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)能夠滿(mǎn)足燃料管無(wú)反彈、無(wú)盲區(qū)、無(wú)橢圓、表面無(wú)劃痕的技術(shù)指標(biāo)要求。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種鋯合金管材高精度矯直方法，包括如下步驟:
[0006]步驟一:確定鋯合金管材的尺寸參數(shù)
[0007]步驟二:確定矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0008]①確定矯直機(jī)輥系結(jié)構(gòu)；
[0009]②確定矯直輥的輥形，矯直輥采用三段等曲率反彎輥形；
[0010]③確定矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角；
[0011 ] ④確定矯直導(dǎo)程，矯直導(dǎo)程的計(jì)算公式為
[0012]t = n dtan α
[0013]其中，t為矯直導(dǎo)程,即錯(cuò)合金管材的某一相位在棍縫內(nèi)螺旋式旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)矯直導(dǎo)程，η為圓周率，d為鋯合金管材外徑，α為矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角；
[0014]步驟三:確定矯直輥的輥形參數(shù)，具體為確定矯直輥反彎半徑，使輥縫內(nèi)的矯直力呈均布狀態(tài)；
[0015]①確定輥縫內(nèi)最大彎矩M1，其計(jì)算公式為
[0016]M1 = 0.8r3 δ s/1000
[0017]其中，r為鋯合金管材的半徑，δ s為鋯合金管材的屈服強(qiáng)度；
[0018]②按分段距離計(jì)算均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩，第一段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M2，第二段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M3，第三段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M4 ；
[0019]其中
[0020]M2 = 0.563M!
[0021]M3 = 0.25M!
[0022]M4 = 0.0625M!
[0023]各分段距離均為a，其中a = t/2, t為矯直導(dǎo)程；
[0024]③在各分段距離為a的區(qū)間內(nèi)，輥縫中各點(diǎn)的壓力值分別為Fp F2, F3及F4，則F1=F2 = F3 = F4 = aq, q為均布?jí)毫χ?其中
[0025]M4 = qa2/2
[0026]由M4 = 0.0625M!，可得
[0027]q = 0.UmiZa2
[0028]貝lj,F1 = F2 = F3 = F4 = 0.1251^/a ；
[0029]④確定M1段的矯直輥反彎半徑PliP1具體為矯直輥輥腰處的反彎半徑，且矯直輥反彎半徑P !作為標(biāo)定值；
[0030]M2段的矯直輥反彎半徑P 2的計(jì)算公式為
[0031]P 2 = 1.78 P !
[0032]M3段的矯直輥反彎半徑P 3的計(jì)算公式為
[0033]P 3 = 4 P !
[0034]M4段的矯直輥反彎半徑P 4的計(jì)算公式為
[0035]P4= 16 P !
[0036]步驟四:按照矯直輥反彎半徑Pl、P 2、P 3、P4的數(shù)值，加工制造矯直輥，并將制造好的矯直輥安裝到矯直機(jī)上；
[0037]步驟五:對(duì)鋯合金管材實(shí)施矯直作業(yè)，進(jìn)行無(wú)微裂矯直。
[0038]所述矯直機(jī)輥系結(jié)構(gòu)采用三組六輥的輥系結(jié)構(gòu)。
[0039]所述三組矯直輥等距設(shè)置。
[0040]本發(fā)明的有益效果:
[0041]本發(fā)明的矯直方法所采用的矯直輥，保證了鋯合金管材在輥縫中達(dá)到均布?jí)毫顟B(tài)，在鋯合金管材矯直過(guò)程中，均布的矯直力與一般反彎輥形矯直輥施加的矯直力相比，只占到一般反彎輥形矯直輥施加的矯直力的1/3.3，因此避免了鋯合金管材在矯直過(guò)程中被壓微裂，實(shí)現(xiàn)了無(wú)微裂矯直的目的，同時(shí)還能夠滿(mǎn)足鋯合金管材無(wú)反彈、無(wú)盲區(qū)、無(wú)橢圓和表面無(wú)劃痕的技術(shù)指標(biāo)要求。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1為輥縫內(nèi)矯直力呈均布狀態(tài)時(shí)彎矩與矯直力分布狀態(tài)圖；
[0043]圖2為一般等曲率反彎輥形輥縫內(nèi)彎矩與矯直力分布狀態(tài)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和具 體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0045]實(shí)施例:[0046]—種鋯合金管材高精度矯直方法，包括如下步驟:
[0047]步驟一:確定鋯合金管材的尺寸參數(shù)
[0048]本實(shí)施例中，錯(cuò)合金管材外徑為IOmm,壁厚為0.53mm ；
[0049]步驟二:確定矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0050]①確定矯 直機(jī)輥系結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中，矯直機(jī)選用三組六輥的輥系結(jié)構(gòu)；
[0051]②確定矯直輥的輥形，矯直輥采用三段等曲率反彎輥形；
[0052]③確定矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角，本實(shí)施例中，矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角定為30° ;
[0053]④確定矯直導(dǎo)程，矯直導(dǎo)程的計(jì)算公式為
[0054]t = Ji dtan α
[0055]其中，t為矯直導(dǎo)程，即鋯合金管材的某一相位在輥縫內(nèi)螺旋式旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)矯直導(dǎo)程，π為圓周率，d為鋯合金管材外徑，α為矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角；由d= IOmm及α = 30?？傻?，t = 18.13mm ;
[0056]步驟三:確定矯直輥的輥形參數(shù)，具體為確定矯直輥反彎半徑，使輥縫內(nèi)的矯直力呈均布狀態(tài)，輥縫內(nèi)彎矩與矯直力分布狀態(tài)如圖1所示；
[0057]①確定輥縫內(nèi)最大彎矩M1，其計(jì)算公式為
[0058]M1 = 0.8r3 δ s/1000
[0059]其中，r為鋯合金管材的半徑，δ3為鋯合金管材的屈服強(qiáng)度，本實(shí)施例中，r =5mm, δ s = 321.1MPa，則 M1 = 32.1lN.mm ;
[0060]②按分段距離計(jì)算均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩，第一段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M2，第二段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M3，第三段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M4 ；
[0061]其中
[0062]M2 = 0.563M!
[0063]M3 = 0.25M!
[0064]M4 = 0.0625M!
[0065]可得，M2= 18.08N.mm, M3 = 8.03N.mm, M4 = 2.0lN.mm ;
[0066]各分段距離均為a,其中a = t/2, t為矯直導(dǎo)程，由t = 18.13mm可得，a =
9.065mm ;
[0067]③在各分段距離為a的區(qū)間內(nèi)，輥縫中各點(diǎn)的壓力值分別為Fp F2, F3及F4，則F1=F2 = F3 = F4 = aq, q為均布?jí)毫χ?其中
[0068]M4 = qa2/2
[0069]由M4 = 0.0625M!，可得
[0070]q = 0.UmJa2
[0071]則,F1 = F2 = F3 = F4 = 0.1251^/a ；
[0072]由 M1 = 32.1lN.mm 及 a = 9.065mm 可得，F(xiàn)1 = F2 = F3 = F4 = 0.44N ；
[0073]④確定M1段的矯直輥反彎半徑PliP1具體為矯直輥輥腰處的反彎半徑，且矯直棍反彎半徑P I作為標(biāo)定值；本實(shí)施例中，取P I = 50mm ；
[0074]M2段的矯直輥反彎半徑P 2的計(jì)算公式為
[0075]P 2 = 1.78 P !
[0076]M3段的矯直輥反彎半徑P 3的計(jì)算公式為[0077]P 3 = 4p 1
[0078]M4段的矯直輥反彎半徑P 4的計(jì)算公式為
[0079]P4 = 16P 1
[0080]由 P i = 50mm 可得，P2 = 89mm, P 3 = 200mm, P 4 = 800mm ;
[0081]步驟四:按照矯直輥反彎半徑Pl、P 2、P 3、P4的數(shù)值，加工制造矯直輥，并將制造好的矯直輥安裝到矯直機(jī)上，三組矯直輥等距設(shè)置，本實(shí)施例中，輥距定為95mm，矯直輥輥長(zhǎng)定為70mm ；
[0082]步驟五:對(duì)鋯合金管材實(shí)施矯直作業(yè)，進(jìn)行無(wú)微裂矯直。
[0083]采用具有均布?jí)毫δ艿娜蔚惹史磸澼佇蔚某C直輥，現(xiàn)已經(jīng)投入生產(chǎn)，經(jīng)矯直后的鋯合金管材經(jīng)氫化物試驗(yàn)后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氫化物取向超標(biāo)，證明了本發(fā)明的矯直方法能夠解決鋯合金管材矯直后無(wú)微裂的問(wèn)題，矯直后的鋯合金管材已作為燃料管被核發(fā)電設(shè)備使用。
[0084]下面提供一個(gè)對(duì)比實(shí)施例，具體為一般反彎輥形(輥縫內(nèi)彎矩與矯直力分布狀態(tài)如圖2所示)的矯直輥輥形參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程，用作與本發(fā)明的矯直方法進(jìn)行參照對(duì)比，其中鋯合金管材外徑為IOmm,壁厚為0.53mm,具體步驟如下:
[0085]步驟一:確定輥縫的極限反彎半徑P t及輥縫的反彎半徑P i(i = K2、3)
[0086]極限反彎半徑P t的計(jì)算公式為
[0087]pt = E*r/5t = E*r/5s
[0088]第一段輥縫反彎半徑P !的計(jì)算公式為
[0089]P1=Pt
[0090]第二段輥縫反彎半徑P 2的計(jì)算公式為
[0091]P 2 = (c-0.1) P t
[0092]第三段輥縫反彎半徑P 3的計(jì)算公式為
[0093]P 3 = η P t, (η = 0.6 ~0.62)
[0094]其中，E為鋯合金管材的彈性模量，r為鋯合金管材的半徑，δ t為鋯合金管材的彈性極限應(yīng)力，δ s為鋯合金管材的屈服強(qiáng)度，c為鋯合金管材外徑與內(nèi)徑之比，η為比例常數(shù)；
[0095]本實(shí)施例中，E= 99.2MPa, δ t = 321.1MPa, δ s = 321.1MPa, c = 0.894，η = 0.62，可得 Pt= 1 540mm ;
[0096]貝lj,P1 = 1 540mm, p 2 = 1200mm, P 3 = 9548mm ；
[0097]步驟二:確定輥縫的彎矩Mi(i = K2、3)
[0098]彎矩Mi的計(jì)算公式為
[0099]Mi = E.I/p j, (i = 1、2、3)
[0100]其中，E為鋯合金管材的彈性模量，I為鋯合金管材的慣性距，P i為輥縫第i段反彎半徑，鋯合金管材的慣性距I的計(jì)算公式為
[0101]I = JI d4(l-c4)/32
[0102]其中，π為圓周率，d為鋯合金管材外徑，c為鋯合金管材外徑與內(nèi)徑之比；
[0103]本實(shí)施例中，由d = 10mm, c = 0.894,可得，I = 343.9 ；
[0104]貝丨J，第一段輥縫彎矩M1= 22.2N.mm ；[0105]第二段輥縫彎矩M2 = 28.4N.mm ;
[0106]第三段輥縫彎矩M3 = 35.9N.mm ;
[0107]步驟三:確定矯直力Fi (i = 1、2、3、4)
[0108]矯直力F1 (F2)的計(jì)算公式為
[0109]F1 = F2 = (M2-M1) /1
[0110]矯直力F3(F4)的計(jì)算公式為
[0111]F3 = F4 = M2/1
[0112]由 M1 = 22.2N.mm 及 M2 = 28.4N.mm 可得，F(xiàn)1 = F2 = 0.34N 及 F3 = F4 = 1.57N。
[0113]從矯直力可以看出，采用一般反彎輥形的矯直輥，矯直力F1與F3(F2與F4)的差值很大，在鋯合金管材矯直過(guò)程中，F(xiàn)3(F4)會(huì)把鋯合金管材表面壓出微裂，導(dǎo)致無(wú)微裂矯直的要求無(wú)法被滿(mǎn)足。
[0114]而本發(fā)明的矯直方法能夠?qū)崿F(xiàn)均布?jí)毫ΤC直，其均布?jí)毫l件下，均布的矯直力僅為0.44N，僅占一般反彎輥形矯直輥輥縫最大壓力F3(F4)的1/3.3，從而避免了鋯合金管材被壓出微裂，滿(mǎn)足了無(wú)微裂矯直的目的。
[0115]管徑范圍為Φ6ι?πι?Φ 12mm,壁厚為0.53mm的錯(cuò)合金管材,均適用于本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.一種鋯合金管材高精度矯直方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一:確定鋯合金管材的尺寸參數(shù) 步驟二:確定矯直機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù) ①確定矯直機(jī)棍系結(jié)構(gòu)； ②確定矯直輥的輥形，矯直輥采用三段等曲率反彎輥形； ③確定矯直輥與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角； ④確定矯直導(dǎo)程，矯直導(dǎo)程的計(jì)算公式為 t = Ji dtan α 其中，t為矯直導(dǎo)程，即鋯合金管材的某一相位在輥縫內(nèi)螺旋式旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)矯直導(dǎo)程，π為圓周率，d為錯(cuò)合金管材外徑，α為矯直棍與主機(jī)機(jī)臺(tái)夾角； 步驟三:確定矯直輥的輥形參數(shù)，具體為確定矯直輥反彎半徑，使輥縫內(nèi)的矯直力呈均布狀態(tài)； ①確定輥縫內(nèi)最大彎矩M1，其計(jì)算公式為 M1 = 0.8r3 δ s/1000 其中，r為鋯合金管材的半徑，δ s為鋯合金管材的屈服強(qiáng)度； ②按分段距離計(jì)算均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩，第一段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M2,第二段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M3，第三段距離內(nèi)均布?jí)毫?duì)應(yīng)的彎矩為M4 ； 其中
M2 = 0.563M!
M3 = 0.25M!
M4 = 0.0625M! 各分段距離均為a，其中a = t/2，t為矯直導(dǎo)程； ③在各分段距離為a的區(qū)間內(nèi)，輥縫中各點(diǎn)的壓力值分別為FpF2, F3及F4，則F1 = F2=F3 = F4 = aq, q為均 布?jí)毫χ?其中
M4 = qa2/2
由 M4 = 0.0625?^，可得
q = 0.^M1Za2
貝丨J, F1 = F2 = F3 = F4 = 0.125^/a ； ④確定M1段的矯直輥反彎半徑PliP1具體為矯直輥輥腰處的反彎半徑，且矯直輥反彎半徑P I作為標(biāo)定值； M2段的矯直輥反彎半徑P 2的計(jì)算公式為 P2= 1.78 P I M3段的矯直輥反彎半徑P 3的計(jì)算公式為
P 3 = 4P ! M4段的矯直輥反彎半徑P 4的計(jì)算公式為 P4= 16 P I 步驟四:按照矯直輥反彎半徑PpP 2、P 3、P4的數(shù)值，加工制造矯直輥，并將制造好的矯直輥安裝到矯直機(jī)上； 步驟五:對(duì)鋯合金管材實(shí)施矯直作業(yè)，進(jìn)行無(wú)微裂矯直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋯合金管材高精度矯直方法，其特征在于:步驟二中所述的矯直機(jī)輥系結(jié)構(gòu)采用三組六輥的輥系結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋯合金管材高精度矯直方法，其特征在于:所述三組矯直 輥等距設(shè)置。
【文檔編號(hào)】B21D3/02GK103920753SQ201410182967
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】譚葉林, 呂艷蘭, 王丹陽(yáng), 候會(huì)文, 崔甫, 崔志昌, 王建民, 張帆, 方正義 申請(qǐng)人:遼寧銀捷裝備科技股份有限公司