堆内构件用奥氏体不锈钢线膨胀系数的测试和分析

蒋　恩，　李延葆

上海第一机床厂有限公司　上海　201308



堆内构件用奥氏体不锈钢线膨胀系数的测试和分析

蒋恩，李延葆

上海第一机床厂有限公司上海201308

通过对核岛主设备堆内构件用奥氏体不锈钢Z2CN19-10+N2板材平均线膨胀系数进行测量，分析了板材不同方向的线膨胀系数差异。结合工程实践应用，提出工艺要求以减小热膨胀对零部件所产生的影响。

堆内构件; 奥氏体不锈钢；平均线膨胀系数

1　课题的提出

膨胀系数是表征物体热膨胀性质的物理量，即表征物体受热时长度、面积、体积的增大程度，长度方向的增大称线膨胀，面积的增大称面膨胀，体积的增大称体膨胀。在工程制造中，部件工况温度一般远高于设备制造阶段的环境温度，因此对于精密部件，应在设计、制造、安装阶段充分考虑由热膨胀引起的尺寸变化。核电主设备堆内构件属于精密制造、焊接与装配的部件，设计温度343.3℃，实际工况使用温度325.4℃[1]，图纸一般要求在(20±2)℃环境下进行装配尺寸的测量，因此在制造过程中大量使用工装以保证加工精度，并且在恒温车间中进行精密加工。堆内构件原材料主要包括奥氏体不锈钢板材、大锻件、棒材、管材及少量镍基合金棒材，每套堆内构件一般使用17种规格的奥氏体不锈钢板材[2]，因此了解不锈钢的线膨胀系数对生产制造有实际指导意义。

在工程上，一般采用平均线膨胀系数(简称线膨胀系数)来表示膨胀量，平均线膨胀系数αT1-T2是指温度由T1升高到T2过程中，每升高1℃或1K，试样长度L的相对伸长量，可用公式表示：

(1)

式中：L1为温度T1时试样的长度，mm；L2为温度T2时试样的长度，mm；L0为试验起始温度T0时试样的长度，mm；dL/L0为线性热膨胀，表示与温度变化相对应的试样单位长度变化。

从《机械设计手册》第一卷表1-1-12可查常用材料的线膨胀系数，但仅可查出牌号1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢在20～100℃的线膨胀系数为16.6×10-6/K[3]。另外，查阅RCC-M Z篇表ZI 7.0，可知18-10类型奥氏体不锈钢在20～100℃的线膨胀系数为16.80×10-6/K[4]。关于核设备用Z2CN19-10+N2(相当于国标022Cr19Ni10N)的线膨胀系数，并无相关文献资料记载数据，因此有必要对Z2CN19-10+N2奥氏体不锈钢线膨胀系数进行试验测试和数据分析。

笔者检测和分析了按RCC-M M3310标准采购的用于制造堆内构件的Z2CN19-10+N2不锈钢板材的线膨胀系数，试验采用顶杆法测量。对数据结果进行分析，确认所测得的线膨胀系数满

足要求。

2　试验材料及方法

2.1试验材料

不锈钢板材按照RCC-M M3310采购自国外某钢厂，板材规格为29mm×2000mm×4900mm，板材牌号为Z2CN19-10+N2，板号为17895-011，炉号为F6811，化学成分见表1，力学性能见表2[5]。

表1　板材化学成分　%

表2　板材力学性能

2.2试验过程

2.2.1试验试样

在板材一端1/4宽度位置取100mm×200mm试料，在该试料1/2厚度位置取a、b、c三个试样，其中： a试样平行于轧制方向，即板材长度方向；b试样与轧制方向夹角为45°；c试样垂直于轧制方向，即板材宽度方向。试样规格为(φ5±0.05)mm×(25±0.1) mm，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

2.2.2试验方法

线膨胀系数的常用测量方法有三种： 顶杆式间接法、望远镜直读法及最新的激光法。顶杆法是一种经典方法，采用机械测量原理，将试样的一端固定在支持器的端头上，另一端与顶杆接触，试样、支持器和顶杆同时加热，试样与这些部件的热膨胀差值被顶杆传递出来,进而可以被测量。笔者采用较常用的顶杆法，按《GJB 332A—2004固体材料线膨胀系数测试方法》对Z2CN19-10+N2不锈钢进行线膨胀系数测量。

2.2.3试验设备

采用德国耐驰DIL 402C型热膨胀仪(如图1所示)，主要参数为： 测试温度范围0～1600℃，控温精度0.3K，位移传感器量程5mm，精度8nm，升温速率0～50K/min，样品直径φ(1～12)mm，样品长度25～50mm[6]。

图1　热膨胀仪

3　试验结果及讨论

3.1试验结果

从参考温度25℃左右开始升温，每0.5K记录线性热膨胀dL/L0和瞬时热膨胀系数αT，最终升温到550℃，每个试样记录1000多个数据并绘制成曲线。

图2(a)、(b)、(c)依次为试样a、b、c线性热膨胀、瞬时热膨胀系数与温度的关系曲线图，图2(d)为3个试样瞬时热膨胀系数的比较曲线。

图2　热膨胀系数与温度关系

3.2结果讨论

3.2.1Z2CN19-10+N2不锈钢线膨胀系数分类

根据图2(d)可知： 对于Z2CN19-10+N2不锈钢，在20～100℃温度范围内，瞬时线膨胀系数增大很快；当温度升高到200℃以后，增速逐渐平稳；当温度升高到500℃以后，系数逐渐恒定。绝大多数金属和合金都表现出这样的规律，即随着温度升高，线膨胀系数初期增大很快，之后增速逐渐平稳，这种情况属于正常热膨胀。还有些合金在小于500℃时具有比较恒定的线膨胀系数。综合而言，膨胀合金一般按线膨胀系数高低分为三类： ① 低膨胀合金，在-60～100℃范围内具有很低的线膨胀系数，一般低于3×10-6/K；② 定膨胀合金,在-70～500℃范围内具有比较恒定的中等线膨胀系数；③ 高膨胀合金，一般在室温至100℃范围内具有很高的线膨胀系数，通常大于16×10-6/K[7]。

由以上分析可见，Z2CN19-10+N2不锈钢属于高膨胀合金。

3.2.2Z2CN19-10+N2不锈钢实测膨胀系数与规范对比

一般设备加工环境温度在10～50℃范围内，压水堆堆内构件使用工况温度则是325.4℃，反应堆设计温度达350℃，因此分别确认在相应范围内的线膨胀系数对制造过程中的尺寸测量和设计过程中的零部件间隙计算有重要参考意义。如表3所示，选取试样a的试验数据得出50℃和350℃的线性热膨胀dL/L0分别为4.0425×10-4和6.9264×10-3，根据式(1)计算出20～50℃的线膨胀系数α20-50=13.48×10-6/K，20～350℃的线膨胀系数α20-350=17.96×10-6/K。根据RCC-M Z篇中表ZI 7.0，可知18-10型奥氏体不锈钢在20～50℃的平均线膨胀系数是16.54×10-6/K，试验实测值与规范标准值差异较大。RCC-M Z篇中表ZI 7.0中18-10型奥氏体不锈钢在20～350℃的平均线膨胀系数是17.90×10-6/K，试验实测值与规范标准值较为接近，故在堆内构件设计计算零件间隙时可参考17.96×10-6/K。

3.2.3板材轧制方向对膨胀系数的影响

由图2(a)可知，沿轧制方向的室温瞬时线膨胀系数是13.0×10-6/K。由图2(b)可知，与轧制方向夹角45°的室温瞬时线膨胀系数是7.30×10-6/K；由图2(c)可知，沿垂直轧制方向的室温线膨胀系数是6.19×10-6/K。可见室温时沿轧制方向的线膨

表3　平均线膨胀系数表

胀系数最大，垂直轧制方向的线膨胀系数最小，这主要是受到板材轧制织构的影响。单晶或多晶存在织构，导致晶体在各晶粒取向上的原子排列密度有差异，进而表现出热膨胀的各向异性，平行晶体主轴方向热膨胀系数大，垂直方向热膨胀系数小。由图2(d)可知，当温度高于400℃后，三个方向的线膨胀系数基本趋于一致，这是由于温度升高后板材的轧制织构不再是主要影响因素。

4　试验结果在生产中的应用

堆内构件零部件不仅结构复杂，而且精度要求高，特别是公差与间隙要求苛刻[8]。奥氏体不锈钢由于材料韧性较好，金属切削性能稍差，钢屑会粘在刀头上使刀具易磨损，同时还会产生很大的切削应力与热量[9]。

由试验结果可知，Z2CN19-10+N2不锈钢属于高膨胀合金，线膨胀系数比较大，所以切削加工中产生的应力和热量会使工件变形。特别是对细长轴类零件加工时，若加工、测量、装配工序环节环境温度差异较大，会引起较大的尺寸变化。以上部堆内构件(如图3所示)上支承组件中的上支承柱体(如图4所示)为例，每台三代堆内构件中，42组上支承柱体将上支承板和芯板上堆连成一个整体，通过这些支承柱体将冷却剂的上冲击载荷由上堆芯板传递至上支承板，然后传递至压力容器法兰。支承柱体为中空结构，周边有流水孔，冷却剂可流通[10]。所以每组上支承柱体的最终装配尺寸要求非常严格，图纸要求上支承柱体从底座与装配面到顶端头与上支承板装配面的尺寸是(2126±0.05)mm，以20～50℃线膨胀系数α20-50=13.48×10-6/K计，如果制造过程中环境极端温差在20K左右，根据式(1)，膨胀或收缩量ΔL=L0×α20-50×ΔT=2126×13.48×10-6×20=0.573mm，远超图纸公差要求。故为保证图纸尺寸要求，对于堆内构件中装配尺寸要求较高的零部件，在工艺中要求加工、测量、装配在(20±2)℃环境下进行，这样可有效保证产品质量。

图3　上部堆内构件

图4　上支承柱体

5　结论

(1) 奥氏体不锈钢Z2CN19-10+N2属于高膨胀合金，在制造和设计中应考虑热胀冷缩因素引起的部件冷、热态间隙差异，加工装配过程中应注意并控制尺寸。

(2) 实测20～50℃的线膨胀系数α20-50为13.48× 10-6/K，20～350℃的平均线膨胀系数α20-350为17.96×10-6/K。

(3) 随着温度升高，在20～100℃温度范围内线膨胀系数增大很快，在温度高于200℃以后增速逐渐平稳。由于受到板材轧制织构的影响，板材沿轧制方向的线膨胀系数最大，垂直轧制方向的线膨胀系数最小。

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By measuring the mean coefficient of linear expansion of austenitic stainless steel sheet Z2CN19-10 + N2applied to RVI in nuclear equipment , difference of linear expansion coefficient in different directions of the sheet was analyzed. The technological requirements were put forward based on the application in engineering practices in an attempt to reduce the impact of thermal expansion to the components.

Rector Vessel Internals; Austenitic Stainless Steel; Average Coefficient of Linear Expansion

2016年4月

蒋恩(1971—)，男，学士，工程师，主要从事核岛主设备堆内构件和控制棒驱动机构技术管理工作，

E-mail： jiangen@shanghai-electric.com

TM201.4;TL351

A

1674-540X(2016)02-040-05