200233 上海核工程研究設(shè)計院 上海|李玲 王豐 王永東

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控制棒驅(qū)動機構(gòu)典型材料熱膨脹系數(shù)試驗研究

200233 上海核工程研究設(shè)計院 上海|李玲 王豐 王永東

摘要：本試驗對控制棒驅(qū)動機構(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)進行了試驗測量。試驗方法根據(jù)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4339進行，所測得的熱膨脹系數(shù)與ASME規(guī)范第II卷D篇中所查數(shù)據(jù)進行了對比，偏差都在10%以內(nèi)，驗證了國產(chǎn)驅(qū)動機構(gòu)材料設(shè)計的合理性。關(guān)鍵詞：驅(qū)動機構(gòu)；304；熱膨脹系數(shù)；ASME

三代非能動壓水堆核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu)中，使用了國產(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)動機構(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(shù)試驗方法及原理

熱膨脹系數(shù)測試方法參照GB/ T 4339-2008［2］，測試設(shè)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(guī)律，獲得熱膨脹系數(shù)。該設(shè)備的工作溫度為室溫至1600℃，位移測量范圍2.5 mm，靈敏度為1.25 nm，位移測量重復(fù)性好，膨脹系數(shù)精度≤±1%，溫度精度±1℃。測量過程中使用氬氣保護。熱膨脹系數(shù)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(shù)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(shù)的、固體材料試樣相對于其載體的長度變化。

熱膨脹系數(shù)試驗結(jié)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(shù)是指室溫至所示溫度的平均值。在測試溫度范圍內(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。

試驗數(shù)據(jù)與ASME標(biāo)準(zhǔn)對比

此次試驗中，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)，本次測試結(jié)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(yīng)的結(jié)果則基本吻合。

12Cr13鋼的熱膨脹系數(shù)，本次測試結(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，測試結(jié)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(shù)。但從以上的對比結(jié)果可知，本次熱膨脹系數(shù)的測試結(jié)果與ASME給出的值吻合度較高。

結(jié)論

本次試驗按照GB/T 4339-2008標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。測試結(jié)果與ASME規(guī)范第II卷D篇中的數(shù)據(jù)進行了對比，得到如下結(jié)論：

a測試結(jié)果與ASME規(guī)范第II卷D篇中的數(shù)據(jù)進行了比對，所測數(shù)據(jù)誤差均在±10%以內(nèi)。測試設(shè)備、材料成分變化、數(shù)據(jù)累積誤差等等都會影響結(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。在所測溫度范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)的結(jié)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(shù)AP1000［M］.中國電力出版社，2010

［2］金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測定，GB/T 4339-2008［S］，中國質(zhì)量監(jiān)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(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：2012ZX06004-001-001-02）。