核燃料元件中燃料棒制造过程FMEA分析

核燃料元件中燃料棒制造过程 FMEA分析 谢凌云 � 徐 � 刚 (中核建中核燃料元件有限公司 ) 燃料棒制造过程和质量特性对于燃料组件的安全稳定运行起着重要的作用。对燃料棒的制造 过程进行 FMEA分析, 有助于提前发现制造中的薄弱环节, 有针对性地采取质量控制手段, 确保 产品制造质量, 获得更高的经济效益和产品堆内运行的安全性。针对核元件产品及制造过程的特 殊性, 在 FMEA分析之前, 首先确定了燃料棒制造过程中的故障严酷度评分, 结合生产实际制定 了故障发生概率和被检测难度评分 , 使 FMEA分析具备可操作性。 关键词 � 燃料棒 � 过程 FMEA� 故障发生概率 � 被检测难度 1� 概述 燃料棒是燃料组件的关键部件, 其制造过程和质量特性对于燃料组件在堆内的安全稳定运 行起着至关重要的作用。本公司目前为国内所有的压水堆核电站提供的燃料组件中, 一百多万 支燃料棒无一因制造原因破损, 其质量可靠性获得了用户的认可。 随着核电的发展, 产量增多, 对燃料棒的可靠性提出了更高的要求, 因此, 本文首次使用 过程 FMEA技术对燃料棒的制造过程进行研究, 通过确定合理的严酷度、故障发生概率、被检 测难度等级, 计算出风险优先数 ( RPN ) 值的大小, 同时识别制造中的关键工序, 找出故障模 式进行原因和影响分析, 有针对性地对薄弱环节采取质量控制手段, 跟踪采取改进措施后 RPN 的有效性, 使其达到可接受的水平, 提高了燃料棒的质量和可靠性, 获得更高的经济效益和产 品堆内运行的安全性。 2� 系统定义和功能分析 根据压水堆燃料棒设计要求, 燃料棒具有产生热能并将其传递给冷却剂以及包容燃料和裂 变产物的功能。为此, 燃料棒设计必须在满足设计准则的前提下能达到设计的最高燃耗, 并在 工况�、 下保持燃料棒的完整性, 在工况!、∀下维持可冷却的几何形状 [ 1]。 燃料芯块采用低富集度的短圆柱状烧结二氧化铀陶瓷块, 密度为 95% T�D�, 芯块两端为浅 碟形并倒角, 以补偿膨胀差和减轻 PC I效应。包壳选用消除应力的 Zr- 4合金或 M5合金制作, 要求包壳材料具有较好的抗水侧腐蚀性能。上、下端塞均由退火状态的 Zr- 4合金或 M5合金制 成, 插入包壳管, 有足够的长度保证焊接时管与端塞的准直度; 顶端带操作凸台, 可由操作设 备上的钩爪锁固, 以便将燃料棒拉进或拉出燃料组件骨架; 端塞外部锐边倒钝。端塞和包壳之 间环缝采用全穿透焊接, 以确保将端塞受到的拉力传递到包壳管整个截面上。 2�1� 绘制流程表 按照燃料棒生产和检验的过程, 详细绘制流程表, 详见表 1[ 2]。 #20# ∃核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 表 1� 燃料棒制造流程表 (部分 ) 零部件名称: 燃料棒 零部件号: 72000 组件型号: 07 生产过程: 燃料棒制造 部门名称: X车间 填表时间: 2008� 8�10 分析人员 : XX 审核: XX 批准: XX 共 1页 � 第 1页 流程 输入 输出结果 10零部件炉批号跟踪和转移 零部件、放行单号 流通卡、跟踪号 20包壳管的清洗与标识 内外壁擦拭和喷吹、条形码 包壳管清洁度、管标识号 30零部件清洗 清洗方式和参数 零部件表面清洁度 40压下端塞 压塞力、夹持情况 台阶面配合、端塞 /管间隙、管口直径、端塞抓头区 50下端塞焊接 焊接方式、电 (束 ) 流、焊接速度、真空度、夹头、人员 焊缝机械性能、环焊缝熔深、缺陷、腐 蚀性能、焊缝直径、密封性能、直线度 % % % 2�2� 制定零部件 & 过程关系矩阵 (略 ) 零部件特性 & 过程关系矩阵表用于表示 ∋零部件特性( 与 ∋操作( 的关系, 也是 FMEA的 准备工作, 主要用于在 FEMA分析表格填写之前, 为确定故障用户影响、后续工序影响提供 依据。 3� 过程 FEMA的实施 功能分析和系统定义完成之后, 各小组根据确定的过程、输入和输出、零部件特性 & 过程 关系, 进行详细的故障模式、故障原因、故障影响分析, 并确定每一故障模式的严酷度等级、 发生概率等级和被检测难度等级, 计算各故障模式的风险优先数; 对于风险有限数超过临界值 的故障模式, 指定责任部门对工艺或者过程控制提出改进措施, 并重新计算改进后的 RPN, 对 该过程反复迭代, 直至 RPN满足要求。根据以上分析填写 PFMEA表格 [ 2] (见表 2)。 表 2� 过程 FMECA表 过程 名称 过程 功能 要求 故障 模式 故障 原因 故 障 影 响 后续 工序 影响 其他 内部 影响 用户 影响 S O D RPN 改进 措施 责任 部门 改进措 施执行 情况 措施执行后的 RPN S O D RPN 表格设计说明 ( 1) 过程名称 是指被分析生产过程的产品加工、装配过程的步骤名称, 该名称应与过程流程表中的各步 骤名称相一致。 ( 2) 过程功能 /要求 #21# 核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 ∃ 是指被分析的过程或工序的功能, 并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 被分析产品的相关过程工序编号。如果过程包括 很多不同故障模式的工序, 则可以把这些工序以独立项目逐一列出。 ( 3) 故障模式 小组人员根据之前确定的零部件特性 & 过程关系矩阵, 共同讨论确定过程故障模式。故障 模式是指不能满足产品加工、装配过程要求和 /或设计意图的工艺缺陷, 它可能是引起下道工序 故障模式的原因, 也可能是上道工序故障模式的后果。在过程 FMEA中不考虑产品设计中的缺 陷, 而是假定产品设计符合使用要求。故障模式应采取专业的术语, 而不是用所见故障的现象 进行故障模式的描述。要集思广义, 尽量完整地列出所有工艺故障模式, 形成以过程名称为关 键字的故障模式库。故障模式库应当随着 PFMEA工作的开展和实际出现的故障不断扩充。 ( 4) 故障原因 故障原因是指与故障模式相对应的缺陷为何发生; 同一种故障模式可能会有两种以上故障 原因。在填写 PFMEA分析表格时应对同一故障模式的多种故障原因分别进行分析。 ( 5) 故障影响 故障的影响是指故障模式对工序和对反映最终产品堆内运行的产品要求的影响。故障影响 可分为后续工序影响, 内部影响和运行影响。后续工序影响是指该故障模式对被分析的产品加 工制造等后续工序 (包括本生产过程和后续生产过程 ) 的影响, 分析人员应根据产品约定层次 图对后续生产过程的影响做出分析。该部分故障影响应使用过程 /工序特性进行描述; 内部影响 表示故障模式对单位内部的直接影响, 可能包括 (不限于 ) 人员伤亡、设备损坏、环境污染、 产品返修、产品报废等; 运行影响是指故障模式对产品使用的影响, 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 产品的指标可以 (不 限于 ) 以用户要求为依据。 ( 6) 改进前风险优先数 RPN 风险优先数 (RPN) 是工艺故障模式严酷度等级 ( S )、工艺故障模式发生概率等级 ( O ) 和工艺故障模式被检测难度等级的乘积, 即 RPN = S ) O )D RPN是对故障模式发生可能性和后果严重性的综合评价, 参与评分人员应当根据故障模式 的影响和被检测难度、故障原因的发生概率, 依照 S、O、D的评分准则选择相应的值。燃料棒 S、O、D评分准则分别见表 3、表 4、表 5。 故障模式严酷度等级 ( S) : 是故障模式在产品加工和运行过程中造成影响的严重程度。该 影响为某一相对等级, 分值越高表示造成的影响越严重。某一故障模式可能有多种故障原因, 但其故障模式严酷度等级应当为唯一值, 故障模式影响可从两个方面进行评估: 第一, 按照故 障模式对企业内部的影响进行评估, 根据故障模式对工序影响总准则进行选取。第二, 按照故 障模式对产品使用的影响进行评估, 根据故障模式对产品使用影响总准则及各分准则进行选取。 最终的严酷度等级应当选择两者中的较高值。在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中, 通常将严酷度分为灾难的、严重的、 中等的和轻度的, 但对于具体的产品, 可以根据可能发生的故障分解出对应的严酷度等级, 见 表 3。 #22# ∃核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 表 3� 燃料棒故障模式严酷度评分准则 (部分 ) 序号 质量特性 影响来源 /程度 严酷度等级 1 卤族元素和限用材料 接触材料 /运行性能下降 6 2 当量氢 芯块转运或装管时污染 /破损 10 3 环焊和密封焊熔深 工艺参数 /批量性缺陷 6 4 环焊和密封焊缺陷 工艺参数、焊前准备等 /批量性缺陷或影响运行 4- 6 5 环焊和密封焊腐蚀性能 工艺参数、焊前准备等 /返修或影响使用性能 7 6 棒的密封性能 焊缝焊点质量, 外力导致的破坏 /破损 10 7 芯块富集度 混富集度或岗位上未清理的其它富集度产品 /影响使用 8 8 异常芯块 岗位上未清理的其它产品 /影响使用 9 9 直线度 输送线、生产设备、搬运过程 /棒间距 4 10 焊缝直径 工艺参数 /产品返修或少量报废 3 11 铀沾污 生产线 /初期运行 4 表 4� 燃料棒故障模式发生概率评分准则 故障模式发生的可能性 可能的故障模式发生概率 ( P0 ) 发生概率等级 ( O ) 很高 (持续发生的故障 ) ∗ 1 ) 10 - 2 10 8 ) 10- 3+ P0 < 1 ) 10- 2 9 高 (经常发生的故障 ) 6 ) 10 - 3+ P0 < 8 ) 10- 3 8 4 ) 10- 3+ P0 < 6 ) 10- 3 7 中等 (偶尔发生的故障 ) 3 ) 10- 3+ P0 < 4 ) 10- 3 6 2 ) 10- 3+ P 0 < 3 ) 10- 3 5 1 ) 10- 3+ P0 < 2 ) 10- 3 4 低 (很少发生的故障 ) 5 ) 10- 4+ P0 < 1 ) 10- 3 3 极低 (不太可能发生的故障 ) 1 ) 10 - 4+ P0 < 5 ) 10- 4 2 P0 + 1 ) 10- 4 1 故障模式发生概率等级 ( O) : 是指某个故障模式发生的可能性, 该参数也为发生概率的相 对值。同一故障模式不同故障原因的发生概率等级应当结合多种故障原因共同的发生概率选取, 以确定该故障模式的最终风险 [ 2 ]。 故障模式被检测难度等级 ( D ): 是指产品加工过程中, 故障模式被检测的可能性。被检测 难度等级也是一个相对的比较等级, 需要结合生产中实际的检测方法加以细化。可通过改进过 程控制来降低工艺故障模式的被检测难度等级 [ 2]。 ( 7) 改进措施 改进措施: 对 RPN超过临界值 (本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 中 RPN临界值为 120 ), 或严酷度等级、发生概率 等级、被检测难度等级超过 9的故障模式提出相应的改进措施。对解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的提议争论不休时, 以经济效益为准。 #23# 核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 ∃ 表 5� 燃料棒故障模式被检测难度评分准则 被检测 难度 评分准则 检查方式 A B C 推荐的被检测难度的方法 难度等级 ( D ) 几乎不可能 无法检测 , 无法检测或无法检查 10 很微小 现行检测方法几乎不可能检测出 , 仅通过鉴定来验证质量等间接 方法 9 微小 现行检测方法只有微小的机会检测出 , 用鉴定双重保证质量的方法 8 很小 现行检测方法只有很小的机会检测出 , 通过过程监控或工装模具设计保 证等方法, 或间接检查 7 小 现行检测方法可以检测出 , , 理化分析检测等, 或用量检具进行抽样检查 6 中等 现行检测方法基本上可以检测出 , 100%检查, 目视方法或以仪器 测量, 或产品最终验收检查 5 中上 现行检测方法有较多机会可以检测出 , , 产品进行 100% 检测, 或仪器测 量数据进行至少两次检测判定 4 高 现行检测方法很可能检测出 , , 岗位装有过程监督跟踪装置, 或由岗位人员直接检查出的缺陷等 3 很高 现行检测或过程控制方法几乎肯定能检测出 , , 由生产线自动化测量装置当场检 测保证 2 肯定 现行检测或过程控制方法肯定能检测出 , 过程 /产品设计了防错措施, 不 会生产出有缺陷的产品 1 � � 注: 检查方式: A& 采用防错措施 ; B& 使用量具测量或仪器设备检查; C& 人工或仪器检查。 完成后记录审核人员 1和批准人员 1。 ( 8) 责任部门 是指负责改进措施实施的部门和个人, 以及预计完成的日期; 在确定改进措施后, 应确定 期限, 并写上实现此目标的负责人 (部门代号和名称 ); 编制人员必须填写一份过程 FMEA记 录表 (表单号 )。然后将记录表和 FMEA措施分发到有关部门。 ( 9) 改进措施执行情况 是指实施改进措施后, 简要记录其执行情况。 以上内容完成后形成完整的过程 FMEA分析表。 4� 燃料棒过程 FMEA实施和分析 4�1� 管口的沾污 对工序 20, 造成 ∋沾污或清洁度差 ( 的原因有三种, 其中 1种故障原因 ∋管口不干净 ( 影 响到产品腐蚀性能。 #24# ∃核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 故障原因: 管内外壁擦拭不干净, 在下道工序焊接的热影响下, 沾污容易进入焊接熔化区 或热影响区, 将影响燃料棒焊接接头的抗腐蚀性能, 可能会导致产品运行时性能下降, 严酷度 应为 S= 7; 产生的概率约为产品总数的 0�1% , 因此 O= 4; 按现行的方法, 可以通过擦拭用绸 布的表面状态来判断是否擦干净, 属于 ∋间接检查方式 (, 因此评分 D = 7。由于 RPN大于 120, 必须采取改进措施。 在操作文件中, 按企业标准 [ 4]规定对包壳管内外壁的清洁方式, 采用这种方式能适当减少 故障概率, 而且严格执行操作规定是一种可靠的工艺保证手段 (防错手段 ), 降低了故障检出 难度。改进后的 RPN降低为 63。 4�2� 焊接熔深和缺陷 三道焊接工序是燃料棒制造的关键工序。焊接的工艺故障种类较多, 产生原因也较复杂, 从生产的实际出发, 无法明确地判断出是哪一种故障原因在起作用, 因此只能将缺陷发生概率 合并在一起计算, 这就导致了 RPN的评分值较高。应该说, 在工艺控制运用合理时, 焊接工序 的质量有相当的保证。以下对各种故障分别作出说明。 a) 焊缝熔深不足 故障原因: 焊接电流小或速度高导致的能量输入小, 可能导致一定批量产品的返工或报废, 如未发现将有可能使最终产品性能下降。这一故障与焊缝腐蚀是互为矛盾的两种故障模式, 增 大能量输入将有可能导致腐蚀性能的降低。 b) 大于 0�25mm的气孔 故障原因: 大于 0�25mm的气孔。小于 0�25mm的气孔是技术条件允许的, 不会影响产品 最终质量。经过 FMEA燃料棒分小组的人员讨论, 主要从控制管口水分吸附和丙酮的质量入手, 降低发生频率。 c) 焊缝表面缺陷 这是一种完全由压塞质量引起的缺陷, 压塞时发生的各种缺陷率总计为 O = 6, 但并非所有 压塞时的缺陷都反映到焊缝表面缺陷, 根据长期生产经验, 针对不同产品选择合适的压塞力, 可以将缺陷降低。 5� 结论和建议 通过对燃料棒进行 PFMEA分析, 发现和改进的生产过程中的故障模式共 12种, 潜在的故 障模式 4种。燃料棒制造过程中最容易产生的故障是焊后产品腐蚀性能和焊接缺陷, 这一结论 与公司过去生产中的经验一致, 因此今后对这两项故障也应一直引起重视。 为了控制燃料棒的性能, 管口环焊和密封焊应定为关键过程, 需要进行控制和监视的工艺 参数有压塞力, 焊接电流、速度等参数, 可根据生产设备的稳定性确认监视的频率, 目前规定 为每班检查一次。 6� 参考文献 1� 陈宝山等, 轻水堆燃料元件, 核材料科学与工程, 2007. 2� GJB /Z 1391- 2006� 故障模式、影响及危害性分析指南. #25# 核工业可靠性论文专辑 # 2010年 #第 1期 ∃