沧海一粟QC小组成果报告

编号：页数：密级：中国核动力研究设计院QC小组成果报告小组名称：沧海一粟课题名称：热室内金相制样工艺改进编写：王斐校对：温榜审批：刘荣二OO九年十二月2一、简介沧海一粟QC小组于2009年7月30日成立，由中国核动力研究设计院一所热室的六名人员组成，本QC小组的类型属于“现场型”。由热室物性组组长王斐担任小组组长，由热室副主任温榜担任技术指导，其成员有周云、姚亮、彭艳华和冷茂林，均为物性组成员。表1沧海一粟QC小组成员表小组成员姓名性别年龄职称/职务组长王斐女25研究实习员/组长组员温榜男29助理研究员/副主任周云男34中级工姚亮男28助理研究员彭艳华女28研究实习员冷茂林男29研究实习员热室（hotcell）是进行高放射性试验和操作的屏蔽试验室，如图1a所示。它和周围环境隔绝，以防止射线辐射和放射性污染。前墙上装有铅玻璃或高密度液体的窥视窗，装有机械手可进行远距离操作，见图1b。热室后墙装有铸铁门，必要时可以进入，清洗、安装和拆卸设备。此外热室还配备有照明系统、运输系统、排风系统、排水系统等。运输系统用于运送物品进出热室，排风系统使热室在使用时内部保持负压，防止放射性气溶胶和尘埃逸出造成操作前区沾污。热室常用于反应堆燃料元件辐照后检验与处理，材料的物理性能测试、机械性能测试及微观分析，同位素分装和放射化学实验等。热室物性组主要承担核燃料及材料辐照后微观分析、密度测量、辐照肿胀测量等工作，其中金相检查是微观分析中非常重要的手段之一。a）热室前区b）磨抛实验室图1中国核动力研究设计院热室3二、课题选择金相检查是核燃料及材料辐照后性能检验的主要方法，制备合格的样品是金相检查的关键环节，为提高金相制样的效率，加强小组成员对于过程控制和数据分析的理解，增强质量意识，保质保量完成各项科研任务，结合实际制样过程中存在的问题，选择了《热室内金相制样工艺改进》作为QC小组活动的课题。三、现状调查金相样品的制备流程如图2所示，金相样品制备首先用220#、600#金刚石磨盘依次磨光、再用9μm、3μm、1μm的抛光盘抛光，在试样的磨光过程中，需加水冷却，抛光过程中需用相应粒度的金刚石悬浮液和润滑液冷却，在样品制备完成后，用金相显微镜进行金相检查，若制备合格即完成了该样品的制备工作，若制备不合格则重新进行制备。在样品制备过程中，需要用机械手装夹样品，在磨抛热室、金相检查热室之间反复转运，操作难度大，劳动强度高，需要消耗大量的时间；同时，核燃料及材料的辐照费用相当高，辐照后样品显得尤为珍贵，反复磨制、抛光有可能会造成样品消耗殆尽，造成不可挽回的损失。图2金相样品制备流程图图3为合格样品和不合格样品的照片，其中图3a为合格样品的照片，在制备完成后，样品表面无大的划痕，满足金相检查要求，而图3b为不合格样品的照片，样品表制备不合格金相样品220#磨光1μm抛光600#磨光9μm抛光3μm抛光金相检查4面划痕较大，不满足金相检查要求。a）合格样品b）不合格样品图3合格和不合格样品对比照片热室司特尔磨抛机于2008年3月安装在10#热室，控制系统安装在金相前区，如图4所示。磨抛机可同时对3个样品进行磨光和抛光，样品制备的工艺参数如表2所示。司特尔磨抛机的磨光盘和抛光盘与驱动盘的连接方式为磁力吸附，经过长时间的使用发现，在抛光过程中抛光盘经常打滑，不能实现对3个样品同时进行3μm和1μm的抛光，制备3个样品的时间需要240分钟。通过对以往制备样品的记录进行统计，制备样品的合格率约为66%，也就是每制备3个样品时，有一个样品不合格，因此，制备3个合格样品需要的时间为320分钟，试样制备效率低，金相耗材消耗大，影响了项目实施的进度，同时也加大了成本。a）热室内主机b）前区控制器图4热室司特尔磨抛机5表2样品制备工艺参数四、目标设定针对热室金相制样工艺现状，制备3个合格样品的时间为320分钟，平均每制备3个合格样品时，因不合格样品的返工而造成的无效工作时间约为80分钟，如果消除或减少返工现象，制样效率便可大幅度提高，另外通过改进，若能实现3个样品同时抛光，可使样品制备时间提高至180分钟制备3个合格样品。因此，设定目标为由原来240分钟制备3个样品（320分钟制备3个合格样品）提高至180分钟制备3个合格样品，使金相制样效率提高30%以上。五、原因分析目前，热室内金相样品的制备还存在一些问题，主要是制样效率较低，金相耗材消耗大，主要从“法”、“环”、“机”、“人”四个方面进行了分析：1、“法”：工艺参数制定不合理，使样品制备时间长，效率低。2、“环”：由于热室内特殊的操作环境，试样制备需要用机械手操作，制备过程只能从窥视窗进行观察，因此，在制备过程中由于清洗不彻底造成粗砂粒带到粒度较小的磨光/抛光盘上，造成试样划痕太深，延长了后续工作的时间。3、“机”：在试样的制备过程中，抛光盘容易打滑，这是由于抛光盘底面为不锈钢表面，摩擦力不够，在3μm抛光时每次只能抛光2个样品，1μm抛光时每次只能抛光一个样品，浪费了金刚石悬浮液也消耗了时间；600#磨盘和9μm抛光盘之间的跨度太大，造成较大的划痕，延长了后续工作的时间。4、“人”：人员操作时间长，使样品清洗、更换磨/抛光盘的操作时间过长。磨光抛光粒度220#600#9μm3μm3μm1μm1μm1μm试样个数33321111时间（分钟）2020202020252525压力（N）30303025252525256机法人磨抛盘清洗不彻底环样品制备效率低磨光盘与抛光盘之间跨度太大抛光盘底部太光滑工艺参数设定不合理人员操作时间长图5金相样品制备效率低原因分析六、要因分析根据图5中的原因进行分析，针对每一个原因进行了试验，确定影响热室金相制样效率的要因，具体确定过程如下：1、工艺参数的调整在2009年8月18日针对原来的样品制备工艺，进行了第一次参数的调整，由于设定不合理，样品制备未完成。在2009年8月27日进行了第二次工艺参数的调整，样品制备完成后，用金相显微镜进行检查，检查结果如图6所示，从图中可以看出仍有较大的划痕出现，说明工艺参数设定不合理不是样品制备质量差、效率低的主要原因。图6调整工艺参数后样品形貌2、磨/抛光盘清洗不彻底由于磨/抛光盘清洗不彻底，有时砂粒会粘在抛光盘的绒毛内，在样品表面产生较7大、较深的划痕，经过试验，在每道磨/抛工序的最后1分钟，用水冲洗磨/抛光盘，制备完成后经显微镜检查，样品表面较大的划痕减少如图7所示，说明用流动的水冲洗磨抛盘，能有效的减少了砂粒粘在磨抛盘上，因此磨/抛盘清洗不彻底是造成样品制备效率低的主要原因之一。图7彻底清洗后样品表面形貌3、磨光/抛光盘的跨度太大在彻底清洗磨/抛光盘后样品表面依然有划痕，经课题组成员分析，可能是由于磨光和抛光之间的粒度相差较大，因此增加了1200#金刚石磨盘，有效的减少了试样抛光的时间和金刚石悬浮液的使用量，制备完成后经显微镜检查，满足金相检查的需要（如图8所示），说明磨/抛光盘的跨度大也是造成样品制备效率低的一个主要原因。但金相制样的效率还是比较低，制备3个合格样品需要210分钟。图8增加1200#磨盘后样品表面形貌4、抛光盘底面太光滑针对抛光盘太光滑的原因，经过反复试验得出在安装3μm抛光盘时，先将驱动盘空转1分钟，放上抛光盘，然后装上2个样品，抛光1分钟后再装上第3个样品，对于1μm的抛光盘操作步骤相同，但每次只装1个样品，用这样的方法制备3个合格样品8的累计时间为180分钟，大大提高了样品制备的效率，说明抛光盘底面太光滑是造成样品制备效率低的主要原因。5、人员操作时间长操作人员严格按照操作规程进行，操作时间与机械手操作熟练程度有关，可以通过培训提高操作技能，不是造成不合格样品和制样效应低的主要原因。经过以上分析，得出造成样品制备效率低的主要原因为表3所示。表3要因分析表序号原因原因分析是否主要原因1磨/抛光盘清洗不彻底清洗不彻底，使粗砂粒带到磨抛盘上，造成样品表面较大较深的划痕是2磨/抛光盘的跨度太大600#磨光后的划痕需要较长时间抛光是3抛光盘底面太光滑由于抛光盘经常打滑，造成试验中断，重新进行试验是七、对策制定针对导致制样效率低的主要原因进行分析，提出了能够实施的对策，能提高工作效率。制订的对策表如表4。表4对策表序号要因对策目标措施负责人地点完成日期1磨/抛光盘清洗不彻底彻底清洗磨/抛光盘避免粗砂粒带到粒度较细的磨/抛盘上在每道工序最后1分钟用较大流量的水冲洗彭艳华49-3Ⅰ段金相前区2009.8.102磨/抛光盘的跨度太大磨光盘和抛光盘之间增加1200#磨盘减少后续抛光时间增加1200#磨盘后明显减少了后续抛光时间王斐49-3Ⅰ段金相前区2009.9.153抛光盘底面太光滑更换抛光盘时，减少抛光盘底面的水可以使3μm和1μm抛光同时进行3个样品更换抛光盘前，进行空转周云49-3Ⅰ段金相前区2009.9.28八、实施对策2009年8月1日，在磨光工序的最后1分钟，调大冷却水的流量，用水冲洗抛光9盘，很大程度的避免了粗的砂粒带到粒度较小的磨/抛光盘上，制备完成的样品表面较深、较大的划痕消失。2009年9月14日，磨光/抛光盘的跨度太大，在磨光盘和抛光盘之间增加1200#磨盘，制备完成后，样品表面划痕消失，满足金相检查要求。2009年9月25日，更换3μm和1μm抛光盘前，对驱动盘进行空转甩干，然后再安装抛光盘，实现了3个样品同时抛光，有效的减少了样品制备的时间，提高了工作效率。九、效果检查1、操作时间对工艺参数进行了更改，更改后的工艺参数如表5所示，从表中数据可以看出，改进后制备3个合格的金相样品需要180分钟，比改进前减少了１４０分钟，使制样效率提高了43%，完成了制定的目标。表5改进后制样工艺粒度磨光抛光220#600#1200#9μm空盘3μm3μm3μm空盘1μm1μm1μm1μm试样个数3333—233—1233时间（分钟）2520202511125111125压力（N）403535303020202525202020252、对人员和机器的影响热室操作前区的辐射水平为4.75μSv/h，每制备3个合格样品可节约140分钟，以制备100个合格样品为例，在人员接受剂量、劳动强度和机器磨损时间改进前后的对比如表6所示。表6制样工艺改进前后对人员和机器的影响人员接受剂量人员劳动强度机器磨损时间改进前840μSv22天22天改进后470μSv13天13天3、经济效益由于抛光时要使用金刚石悬浮液和润滑液，本次活动成功实现了3个样品同时抛10光，节省了60%的金刚石悬浮液和润滑液；在试验过程中，热室通风、照明系统必须全部运行，本次活动后试验操作时间节省了43%，可使热室通风、照明系统的运行时间相应减少，同时减少了放射性废物的处理费用，制备100个样品可节省生产成本6000元以上。4、自我评价QC小组成员从自信心、QC知识、质量意识、个人能力和团队精神5个方面，在活动前后进行了自我评价，各方面都有了大幅度的提高，雷达图见图9（各单项满分5分）。012345自信心QC知识质量意识个人能力团队精神活动后活动前图9活动前后自我评价雷达图十、巩固措施在本次活动完成后，按照改进后的工艺，将司特尔磨抛机操作规程进行升版，并对全组成员培训升版后的司特尔磨抛机操作规程，使全组成员对金相样品制备的方法熟化。对机械手不断进行操作练习，在成功使用机械手制备样品的同时，组织全组人员在模拟热室进行机械手操作比赛，使全组人员在轻松的氛围内熟练掌握机械手操作技能，达到了预期的效果。目前已经用改进后的工艺进行了XX燃料元件、XX元件导向管内辐照样品和Zr-4辐照样品等近100个样品的制备，经检查只有燃料元件包壳中一个样品制备不合格，其余均满足金相检查要求，各样品制备的合格率如图10所示，样品形貌如图11所示，用改进后的工艺制备样品大大提高了某燃料元件的科研任务进度。11图10改进前后样品合格率对比a）XX元件导向管内样品b）XX燃料元件c）XX燃料元件焊缝检查d）Zr-4辐照样品图11改进后工艺制备样品的表面形貌十一、总结和下一步打算1、总结本次开展的QC活动改进了热