控制棒驅動機構典型材料熱膨脹系數試驗研究

200233 上海核工程研究設計院 上海|李玲 王豐 王永東

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控制棒驅動機構典型材料熱膨脹系數試驗研究

200233 上海核工程研究設計院 上海|李玲 王豐 王永東

摘要：本試驗對控制棒驅動機構典型材料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進行了試驗測量。試驗方法根據國標標準GB/T 4339進行，所測得的熱膨脹系數與ASME規范第II卷D篇中所查數據進行了對比，偏差都在10%以內，驗證了國產驅動機構材料設計的合理性。關鍵詞：驅動機構；304；熱膨脹系數；ASME

三代非能動壓水堆核電站控制棒驅動機構中，使用了國產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］。由于驅動機構的正常工作環境溫度為350℃，因此需要考慮到這些材料在工作環境中由于熱膨脹而引起的零件尺寸變化，否則將會直接影響到控制棒的順利落棒和能否及時停堆。

熱膨脹系數試驗方法及原理

熱膨脹系數測試方法參照GB/ T 4339-2008［2］，測試設備為德國耐馳公司的DIL402C型熱膨脹儀，通過測定樣品尺寸隨溫度的變化規律，獲得熱膨脹系數。該設備的工作溫度為室溫至1600℃，位移測量范圍2.5 mm，靈敏度為1.25 nm，位移測量重復性好，膨脹系數精度≤±1%，溫度精度±1℃。測量過程中使用氬氣保護。熱膨脹系數測試試樣尺寸為4×4×25mm，通過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。

熱膨脹系數測試采用步進式變溫方式或緩慢恒速變溫方式對溫度進行控制，利用膨脹儀檢測作為溫度函數的、固體材料試樣相對于其載體的長度變化。

熱膨脹系數試驗結果及分析

本次測量溫度選為室溫～450℃，間隔50℃測一次，試驗所測熱膨脹系數是指室溫至所示溫度的平均值。在測試溫度范圍內，五種材料的熱膨脹系數均隨溫度的升高而增加。304鋼的熱膨脹系數最大，718合金與750合金的熱膨脹系數相當，12Cr13鋼的熱膨脹系數最小，而QT400-18球磨鑄鐵的熱膨脹系數次之。

試驗數據與ASME標準對比

此次試驗中，有四種材料的性能數據可以在ASME鍋爐和壓力容器規規范第II卷D篇中獲得。

718合金的熱膨脹系數，本次試驗結果略高于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，本次測試結果只在50℃時與ASME給出的值相差較大，但也僅高出4%。其它溫度對應的結果則基本吻合。

12Cr13鋼的熱膨脹系數，本次測試結果低于ASME給出的值，最大相差約8%，發生在較低溫度區間。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，這也是產生較大誤差的原因。

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

ASME第II卷D篇中沒有給出QT400-18的熱膨脹系數。但從以上的對比結果可知，本次熱膨脹系數的測試結果與ASME給出的值吻合度較高。

結論

本次試驗按照GB/T 4339-2008標準方法，測量了304鋼、12Cr13鋼、718合金、750合金和QT400-18五種材料的熱膨脹系數。測試結果與ASME規范第II卷D篇中的數據進行了對比，得到如下結論：

a測試結果與ASME規范第II卷D篇中的數據進行了比對，所測數據誤差均在±10%以內。測試設備、材料成分變化、數據累積誤差等等都會影響結果的精度；

b五種材料的熱膨脹系數均隨溫度的升高而增加。在所測溫度范圍內，熱膨脹系數的結果排序為304＞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AP1000［M］.中國電力出版社，2010

［2］金屬材料熱膨脹特征參數的測定，GB/T 4339-2008［S］，中國質量監督檢驗檢疫總局，2008

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

作者簡介：

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

基金項目：大型先進壓水堆核電站國家科技重大專項——中國先進核電標準體系研究——ASME規范的應用研究 ——ASME核設施部件建造規范的轉化研究（編號：2012ZX06004-001-001-02）。