200233 上海核工程研究设计院 上海|李玲 王丰 王永东



控制棒驱动机构典型材料热膨胀系数试验研究

200233 上海核工程研究设计院 上海|李玲 王丰 王永东

摘要：本试验对控制棒驱动机构典型材料304奥氏体钢，410马氏体钢，718和750镍基合金以及球墨铸铁材料的热膨胀系数进行了试验测量。试验方法根据国标标准GB/T 4339进行，所测得的热膨胀系数与ASME规范第II卷D篇中所查数据进行了对比，偏差都在10%以内，验证了国产驱动机构材料设计的合理性。关键词：驱动机构；304；热膨胀系数；ASME

三代非能动压水堆核电站控制棒驱动机构中，使用了国产304奥氏体钢，410马氏体钢，718和750镍基合金以及球墨铸铁材料［1］。由于驱动机构的正常工作环境温度为350℃，因此需要考虑到这些材料在工作环境中由于热膨胀而引起的零件尺寸变化，否则将会直接影响到控制棒的顺利落棒和能否及时停堆。

热膨胀系数试验方法及原理

热膨胀系数测试方法参照GB/ T 4339-2008［2］，测试设备为德国耐驰公司的DIL402C型热膨胀仪，通过测定样品尺寸随温度的变化规律，获得热膨胀系数。该设备的工作温度为室温至1600℃，位移测量范围2.5 mm，灵敏度为1.25 nm，位移测量重复性好，膨胀系数精度≤±1%，温度精度±1℃。测量过程中使用氩气保护。热膨胀系数测试试样尺寸为4×4×25mm，通过线切割从母材上取样，上下表面采用240#～800#砂纸打磨光滑，最后使用丙酮清洗干净，吹干备用。

热膨胀系数测试采用步进式变温方式或缓慢恒速变温方式对温度进行控制，利用膨胀仪检测作为温度函数的、固体材料试样相对于其载体的长度变化。

热膨胀系数试验结果及分析

本次测量温度选为室温～450℃，间隔50℃测一次，试验所测热膨胀系数是指室温至所示温度的平均值。在测试温度范围内，五种材料的热膨胀系数均随温度的升高而增加。304钢的热膨胀系数最大，718合金与750合金的热膨胀系数相当，12Cr13钢的热膨胀系数最小，而QT400-18球磨铸铁的热膨胀系数次之。

试验数据与ASME标准对比

此次试验中，有四种材料的性能数据可以在ASME锅炉和压力容器规规范第II卷D篇中获得。

718合金的热膨胀系数，本次试验结果略高于ASME给出的值，且随温度的升高，误差逐渐变大，最大相差约3%。

304钢的热膨胀系数，本次测试结果只在50℃时与ASME给出的值相差较大，但也仅高出4%。其它温度对应的结果则基本吻合。

12Cr13钢的热膨胀系数，本次测试结果低于ASME给出的值，最大相差约8%，发生在较低温度区间。随着温度的升高，误差逐渐降低。另外，ASME给出的是12Cr、12Cr-1Al、13Cr和13Cr-4Ni的平均热膨胀系数，这也是产生较大误差的原因。

750合金的热膨胀系数，在温度低于200℃范围内，本次测试结果与ASME给出的值吻合度高，相差不到1%。然而，当温度高于200℃，随着温度的升高，测试结果的变化幅度大于ASME给出的变化趋势，但最大相差仅4%。

ASME第II卷D篇中没有给出QT400-18的热膨胀系数。但从以上的对比结果可知，本次热膨胀系数的测试结果与ASME给出的值吻合度较高。

结论

本次试验按照GB/T 4339-2008标准方法，测量了304钢、12Cr13钢、718合金、750合金和QT400-18五种材料的热膨胀系数。测试结果与ASME规范第II卷D篇中的数据进行了对比，得到如下结论：

a测试结果与ASME规范第II卷D篇中的数据进行了比对，所测数据误差均在±10%以内。测试设备、材料成分变化、数据累积误差等等都会影响结果的精度；

b五种材料的热膨胀系数均随温度的升高而增加。在所测温度范围内，热膨胀系数的结果排序为304＞718 ＞750＞QT400-18＞12Cr13。

参考：

［1］孙汉虹，程平东，缪鸿兴，张维忠，朱鑫官，翁明辉编著.第三代核电技术AP1000［M］.中国电力出版社，2010

［2］金属材料热膨胀特征参数的测定，GB/T 4339-2008［S］，中国质量监督检验检疫总局，2008

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

作者简介：

李玲（1983—），女，汉族，上海人，工程师，本科，主要研究方向：金属材料。

基金项目：大型先进压水堆核电站国家科技重大专项——中国先进核电标准体系研究——ASME规范的应用研究 ——ASME核设施部件建造规范的转化研究（编号：2012ZX06004-001-001-02）。