200233 上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海|李玲 王豐 王永東

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控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型材料熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)研究

200233 上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海|李玲 王豐 王永東

摘要：本試驗(yàn)對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)典型材料304奧氏體鋼，410馬氏體鋼，718和750鎳基合金以及球墨鑄鐵材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。試驗(yàn)方法根據(jù)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4339進(jìn)行，所測(cè)得的熱膨脹系數(shù)與ASME規(guī)范第II卷D篇中所查數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，偏差都在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的合理性。關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；304；熱膨脹系數(shù)；ASME

三代非能動(dòng)壓水堆核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，使用了國(guó)產(chǎn)304奧氏體鋼，410馬氏體鋼，718和750鎳基合金以及球墨鑄鐵材料［1］。由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常工作環(huán)境溫度為350℃，因此需要考慮到這些材料在工作環(huán)境中由于熱膨脹而引起的零件尺寸變化，否則將會(huì)直接影響到控制棒的順利落棒和能否及時(shí)停堆。

熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)方法及原理

熱膨脹系數(shù)測(cè)試方法參照GB/ T 4339-2008［2］，測(cè)試設(shè)備為德國(guó)耐馳公司的DIL402C型熱膨脹儀，通過(guò)測(cè)定樣品尺寸隨溫度的變化規(guī)律，獲得熱膨脹系數(shù)。該設(shè)備的工作溫度為室溫至1600℃，位移測(cè)量范圍2.5 mm，靈敏度為1.25 nm，位移測(cè)量重復(fù)性好，膨脹系數(shù)精度≤±1%，溫度精度±1℃。測(cè)量過(guò)程中使用氬氣保護(hù)。熱膨脹系數(shù)測(cè)試試樣尺寸為4×4×25mm，通過(guò)線切割從母材上取樣，上下表面采用240#～800#砂紙打磨光滑，最后使用丙酮清洗干凈，吹干備用。

熱膨脹系數(shù)測(cè)試采用步進(jìn)式變溫方式或緩慢恒速變溫方式對(duì)溫度進(jìn)行控制，利用膨脹儀檢測(cè)作為溫度函數(shù)的、固體材料試樣相對(duì)于其載體的長(zhǎng)度變化。

熱膨脹系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次測(cè)量溫度選為室溫～450℃，間隔50℃測(cè)一次，試驗(yàn)所測(cè)熱膨脹系數(shù)是指室溫至所示溫度的平均值。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，五種材料的熱膨脹系數(shù)均隨溫度的升高而增加。304鋼的熱膨脹系數(shù)最大，718合金與750合金的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)，12Cr13鋼的熱膨脹系數(shù)最小，而QT400-18球磨鑄鐵的熱膨脹系數(shù)次之。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

此次試驗(yàn)中，有四種材料的性能數(shù)據(jù)可以在ASME鍋爐和壓力容器規(guī)規(guī)范第II卷D篇中獲得。

718合金的熱膨脹系數(shù)，本次試驗(yàn)結(jié)果略高于ASME給出的值，且隨溫度的升高，誤差逐漸變大，最大相差約3%。

304鋼的熱膨脹系數(shù)，本次測(cè)試結(jié)果只在50℃時(shí)與ASME給出的值相差較大，但也僅高出4%。其它溫度對(duì)應(yīng)的結(jié)果則基本吻合。

12Cr13鋼的熱膨脹系數(shù)，本次測(cè)試結(jié)果低于ASME給出的值，最大相差約8%，發(fā)生在較低溫度區(qū)間。隨著溫度的升高，誤差逐漸降低。另外，ASME給出的是12Cr、12Cr-1Al、13Cr和13Cr-4Ni的平均熱膨脹系數(shù)，這也是產(chǎn)生較大誤差的原因。

750合金的熱膨脹系數(shù)，在溫度低于200℃范圍內(nèi)，本次測(cè)試結(jié)果與ASME給出的值吻合度高，相差不到1%。然而，當(dāng)溫度高于200℃，隨著溫度的升高，測(cè)試結(jié)果的變化幅度大于ASME給出的變化趨勢(shì)，但最大相差僅4%。

ASME第II卷D篇中沒(méi)有給出QT400-18的熱膨脹系數(shù)。但從以上的對(duì)比結(jié)果可知，本次熱膨脹系數(shù)的測(cè)試結(jié)果與ASME給出的值吻合度較高。

結(jié)論

本次試驗(yàn)按照GB/T 4339-2008標(biāo)準(zhǔn)方法，測(cè)量了304鋼、12Cr13鋼、718合金、750合金和QT400-18五種材料的熱膨脹系數(shù)。測(cè)試結(jié)果與ASME規(guī)范第II卷D篇中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

a測(cè)試結(jié)果與ASME規(guī)范第II卷D篇中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，所測(cè)數(shù)據(jù)誤差均在±10%以內(nèi)。測(cè)試設(shè)備、材料成分變化、數(shù)據(jù)累積誤差等等都會(huì)影響結(jié)果的精度；

b五種材料的熱膨脹系數(shù)均隨溫度的升高而增加。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)的結(jié)果排序?yàn)?04＞718 ＞750＞QT400-18＞12Cr13。

參考：

［1］孫漢虹，程平東，繆鴻興，張維忠，朱鑫官，翁明輝編著.第三代核電技術(shù)AP1000［M］.中國(guó)電力出版社，2010

［2］金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測(cè)定，GB/T 4339-2008［S］，中國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2008

［3］ASME Boiler & Pressure Vessel Code［S］，2010 edition，July 1，2010

作者簡(jiǎn)介：

李玲（1983—），女，漢族，上海人，工程師，本科，主要研究方向：金屬材料。

基金項(xiàng)目：大型先進(jìn)壓水堆核電站國(guó)家科技重大專項(xiàng)——中國(guó)先進(jìn)核電標(biāo)準(zhǔn)體系研究——ASME規(guī)范的應(yīng)用研究 ——ASME核設(shè)施部件建造規(guī)范的轉(zhuǎn)化研究（編號(hào)：2012ZX06004-001-001-02）。