核燃料元件中燃料棒制造过程FMEA分析构架

核燃料元件中燃料棒制造过程FMEA分析构架

苗琪

中核北方核燃料元件有限公司 内蒙古自治区包头市 014035

摘要：由于核燃料元件在反应堆内的环境极端恶劣，所以对燃料棒的质量要求极高，在燃料棒的制造过程中除了要严格控制生产工艺外，还要对包壳管和燃料棒进行严格的检验。作为产品制造人员，不止应该知道如何制造，还应基本了解出现的缺陷的原因和防止措施。在核燃料元件制造过程中，工艺过程比较复杂，并且对工艺条件的要求比较高。随着生产规模不断扩大，目前，在核燃料元件燃料棒制造过程中，对自动化生产装置的应用越来越普遍。为了保证核燃料元件制造的安全水平，需要加强燃料棒制造过程风险分析工作，并对燃料棒制造过程甲架构进行深入研究。

关键词：核燃料元件；燃料棒制造；甲分析架构

前言

在燃料棒应用过程中，其作为核反应堆的核心部件，是保证反应堆能够正常运行的重要环节，是反应堆在运行过程中产生热量、维持链式反应的主要来源。在核燃料组件制造生产过程中必须对其安全风险进行科学评价，并掌握燃料元件的性能，以不断改进产品质量，提高产品可靠性和安全性。

一、燃料棒制造过程风险系统分析概述

目前，在燃料棒制作过程中，根据AP1000燃料棒的设计要求，其有产生热能的特点，需要将热能传递给冷却剂，还有包容燃料和裂变产物的功能。因此，在燃料棒设计过程中，需要严格按照相应的要求确保其能够达到设计的最高燃耗。同时在不同工况下保持燃料棒的完整性，还要维持可冷却的几何形状。

燃料棒的质量直接影响反应堆安全性、经济性和先进性。燃料芯块一般会利用低富集度的圆柱状烧结二氧化铀陶瓷块进行制造，密度为95%T.D.，芯块的两端为浅碟形并倒角，可以补偿膨胀差，并降低PCI效应。而包壳管是防止放射性外逸的第一道屏障，因此在包壳制造过程中需要选择能够有效消除应力的ZIRLO合金进行制作，包壳材料还要具有较强的抗腐蚀性能。上下端塞使用应用经验丰富的锆4合金制作，并将其压入包壳管内，保证有足够的长度，确保在焊接时端塞与管的准直度。在端塞外部会设置外部锐边倒钝。端塞以及包壳之间的环缝会利用全穿透焊接，能够在最大程度上确保端塞受到的拉力传递到包壳管的整个截面，实现有效的密封，防止裂变气体逸出，机械强度高，在加压水中具有足够的耐腐蚀性能。在燃料棒生产和检验过程中，需要绘制详细的流程图。在甲分析过程中，需要完成分析表格填写，确保为之后的故障以及后续工序影响研究提供可靠依据[1]。

二、燃料棒制造过程甲分析构架

系统定义后，各小组需要根据实际情况输入输出零部件特性－过程关系，完成故障模式、故障原因、故障影响分析工作。并且要对每一个故障的模式等级、发生概率等级和被检测难度等级等进行明确，计算每一种故障模式的风险优先数，对一些风险优先数超过临界值的故障模式进行研究时，需要指定责任部门对过程控制以及工艺提出有效的改进措施，同时重新计算改进后的风险优先数，并且对整个工艺过程进行反复迭代，一直到风险优先数满足要求为止，根据分析完成甲表格填写作业，在过程甲实施功能分析过程中，需要完成表格设计说明，具体包括以下内容：

（一）表格基本内容

在研究中主要从不同方面确定表格基本内容：

（1）确定过程名称。在分析生产过程中需要对产品加工装配过程的具体步骤名称进行明确，并且名称必须与过程流程表中的不同步骤名称统一；

（2）对过程功耗要求进行明确。分析或者工序功能时，要对产品的相关过程工序编号进行记录并分析。如果过程中包含多种故障模式工序，需要对不同的工序进行独立研究，将项目逐一列出；

（二）确定故障模式

在之前的零部件特性研究过程中，小组人员可以根据获取的特性－过程关系矩阵对过程故障模式进行确定。故障模式指的是无法满足产品加工装配要求或者设计意图的工艺，可能会导致下道工序出现故障，也可能是上道工序在发生故障后产生的结果。在过程甲架构分析过程中，并不需要对产品设计中的缺陷进行考虑，假定产品设计与使用要求相符合。在故障模式确定时必须利用专业术语，并不是根据所见的故障现象进行故障模式描述。要尽可能完整地列出所有工艺故障模式，这样才能够构建以过程名称为主的故障模式库。在故障模式库构建过程中，需要根据甲工作的实际情况和具体故障进行扩充。

（三）故障原因分析

需要注意在故障模式设定时，还要对故障原因进行分析，故障原因是与故障模式对应的缺陷发生的。同一种故障模式可能是由不同故障原因导致的，在填写甲分析表格的过程中，必须对同一种故障模式的不同故障原因进行深入分析。

（四）故障影响研究

在这一方面分析时，主要是研究故障模式对工序和最终产品对内运行的产品要求产生的影响。故障影响主要包含后续故障影响、运行影响和内部影响。

（1）后续故障影响指的是在故障模式下被分析产品加工制造过程出现问题后之后共享受到的影响。这一部分影响要利用过程工序特性进行描述的。

（2）运行影响指的是故障模式直接影响了产品的使用情况，对产品指标进行评价时，需要从多方面出发，并不能单纯以用户要求为依据；

（3）内部影响指的是故障模式对单位内部产生的影响，具体指可能会导致的人员伤亡、设备损害、产品返修、产品报废等各种问题。

（四）甲过程研究特点

在确定风险评估方法的过程中，需要利用安全检查表分析、危害与可操作性分析、故障假设分析、故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析等不同方法进行综合性研究。其中故障模式与影响分析是当前在过程分析过程中应用的主要方法。现阶段，在核燃料元件制造设施设计、建造以及运行过程中，需要以工程经验进行初步判断，并利用甲方法对装置过程中单个设备以及系统的故障模式和产生的后果等进行深入分析，这样才能够提高设备的可靠性。

（五）改进措施

在对改进措施进行研究时，需要对风险优先数超过临界值、发生概率等级、被检测难度等级等都超过9的故障模式进行有效改进。在改进时，要以经济效益和安全效益为主，责任部门需要对改进措施进行有效实施，并且要加强改进措施监督管理工作，在确定改进措施后确定期限，并标注目标的具体负责人编制人员，还要填写过程记录表。将相关信息发放到有关部门，并对改进措施执行后的具体改进情况进行分析。

三、结语

综上所述，对燃料元件中燃料棒的制造过程进行分析，发现在生产过程中必须对故障模式的具体情况进行研究。目前，在燃料棒制造过程中比较容易产生的故障是焊后产品表面划伤和焊接缺陷。这与在燃料棒生产制造过程中的相关经验符合。因此，在之后的燃料棒生产制造过程中，需要对这些缺陷进行深入分析，控制燃料棒的性能，加强包壳管表面质量管控、管口环焊和密封焊监管工作。特别是对焊接过程中的相关工艺参数进行严格把控，对焊接电流和速度等进行分析，提高燃料棒生产制造水平，提升产品入堆可靠性。

参考文献：

[1]核燃料棒性能分析方法:,杨玲玉,何晓军,杨文,等.CN108806810A[P].2018.

[2]FMEA在核电厂反应堆保护系统中的应用[J]. 郭小星,廖一波,夏丹阳,蔺淑倩.核电子学与探测技术.2015(09)

[3]基于FMEA提升核电厂铅酸电池的可靠性[J].谢俊业,邹诗华.电池.2021(03)

[4]后处理厂溶剂再生系统始发事件的FMEA评价[J].吕丹,李锐柔,张春龙,刘运陶,张敏,童节娟,赵军.原子能科学技术.2015(11)

[5]基于FMEA分析和大数据的核电厂主泵维修策略优化[J].杨立飞,吴优,朱小波.水泵技术.2019(S1)

[6]秦二厂RGL系统FMEA分析与设备分级[J].李捷,黄远,卢建,朱鹏飞.仪器仪表用户.2021(07)

[7]基于FMEA的密封氘氚中子管可靠性分析[J]. 李亚球,朱嘉伟,孙强,杨林森,占勤,雷柏茂.核技术.2018(11)