堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)的測試和分析

蔣　恩，　李延葆

上海第一機床廠有限公司　上?！?01308

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堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)的測試和分析

蔣恩，李延葆

上海第一機床廠有限公司上海201308

通過對核島主設(shè)備堆內(nèi)構(gòu)件用奧氏體不銹鋼Z2CN19-10+N2板材平均線膨脹系數(shù)進行測量，分析了板材不同方向的線膨脹系數(shù)差異。結(jié)合工程實踐應(yīng)用，提出工藝要求以減小熱膨脹對零部件所產(chǎn)生的影響。

堆內(nèi)構(gòu)件; 奧氏體不銹鋼；平均線膨脹系數(shù)

1　課題的提出

膨脹系數(shù)是表征物體熱膨脹性質(zhì)的物理量，即表征物體受熱時長度、面積、體積的增大程度，長度方向的增大稱線膨脹，面積的增大稱面膨脹，體積的增大稱體膨脹。在工程制造中，部件工況溫度一般遠高于設(shè)備制造階段的環(huán)境溫度，因此對于精密部件，應(yīng)在設(shè)計、制造、安裝階段充分考慮由熱膨脹引起的尺寸變化。核電主設(shè)備堆內(nèi)構(gòu)件屬于精密制造、焊接與裝配的部件，設(shè)計溫度343.3℃，實際工況使用溫度325.4℃[1]，圖紙一般要求在(20±2)℃環(huán)境下進行裝配尺寸的測量，因此在制造過程中大量使用工裝以保證加工精度，并且在恒溫車間中進行精密加工。堆內(nèi)構(gòu)件原材料主要包括奧氏體不銹鋼板材、大鍛件、棒材、管材及少量鎳基合金棒材，每套堆內(nèi)構(gòu)件一般使用17種規(guī)格的奧氏體不銹鋼板材[2]，因此了解不銹鋼的線膨脹系數(shù)對生產(chǎn)制造有實際指導(dǎo)意義。

在工程上，一般采用平均線膨脹系數(shù)(簡稱線膨脹系數(shù))來表示膨脹量，平均線膨脹系數(shù)αT1-T2是指溫度由T1升高到T2過程中，每升高1℃或1K，試樣長度L的相對伸長量，可用公式表示：

(1)

式中：L1為溫度T1時試樣的長度，mm；L2為溫度T2時試樣的長度，mm；L0為試驗起始溫度T0時試樣的長度，mm；dL/L0為線性熱膨脹，表示與溫度變化相對應(yīng)的試樣單位長度變化。

從《機械設(shè)計手冊》第一卷表1-1-12可查常用材料的線膨脹系數(shù)，但僅可查出牌號1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在20～100℃的線膨脹系數(shù)為16.6×10-6/K[3]。另外，查閱RCC-M Z篇表ZI 7.0，可知18-10類型奧氏體不銹鋼在20～100℃的線膨脹系數(shù)為16.80×10-6/K[4]。關(guān)于核設(shè)備用Z2CN19-10+N2(相當(dāng)于國標(biāo)022Cr19Ni10N)的線膨脹系數(shù)，并無相關(guān)文獻資料記載數(shù)據(jù)，因此有必要對Z2CN19-10+N2奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)進行試驗測試和數(shù)據(jù)分析。

筆者檢測和分析了按RCC-M M3310標(biāo)準(zhǔn)采購的用于制造堆內(nèi)構(gòu)件的Z2CN19-10+N2不銹鋼板材的線膨脹系數(shù)，試驗采用頂桿法測量。對數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，確認所測得的線膨脹系數(shù)滿

足要求。

2　試驗材料及方法

2.1試驗材料

不銹鋼板材按照RCC-M M3310采購自國外某鋼廠，板材規(guī)格為29mm×2000mm×4900mm，板材牌號為Z2CN19-10+N2，板號為17895-011，爐號為F6811，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2[5]。

表1　板材化學(xué)成分　%

表2　板材力學(xué)性能

2.2試驗過程

2.2.1試驗試樣

在板材一端1/4寬度位置取100mm×200mm試料，在該試料1/2厚度位置取a、b、c三個試樣，其中： a試樣平行于軋制方向，即板材長度方向；b試樣與軋制方向夾角為45°；c試樣垂直于軋制方向，即板材寬度方向。試樣規(guī)格為(φ5±0.05)mm×(25±0.1) mm，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

2.2.2試驗方法

線膨脹系數(shù)的常用測量方法有三種： 頂桿式間接法、望遠鏡直讀法及最新的激光法。頂桿法是一種經(jīng)典方法，采用機械測量原理，將試樣的一端固定在支持器的端頭上，另一端與頂桿接觸，試樣、支持器和頂桿同時加熱，試樣與這些部件的熱膨脹差值被頂桿傳遞出來,進而可以被測量。筆者采用較常用的頂桿法，按《GJB 332A—2004固體材料線膨脹系數(shù)測試方法》對Z2CN19-10+N2不銹鋼進行線膨脹系數(shù)測量。

2.2.3試驗設(shè)備

采用德國耐馳DIL 402C型熱膨脹儀(如圖1所示)，主要參數(shù)為： 測試溫度范圍0～1600℃，控溫精度0.3K，位移傳感器量程5mm，精度8nm，升溫速率0～50K/min，樣品直徑φ(1～12)mm，樣品長度25～50mm[6]。

圖1　熱膨脹儀

3　試驗結(jié)果及討論

3.1試驗結(jié)果

從參考溫度25℃左右開始升溫，每0.5K記錄線性熱膨脹dL/L0和瞬時熱膨脹系數(shù)αT，最終升溫到550℃，每個試樣記錄1000多個數(shù)據(jù)并繪制成曲線。

圖2(a)、(b)、(c)依次為試樣a、b、c線性熱膨脹、瞬時熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線圖，圖2(d)為3個試樣瞬時熱膨脹系數(shù)的比較曲線。

圖2　熱膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系

3.2結(jié)果討論

3.2.1Z2CN19-10+N2不銹鋼線膨脹系數(shù)分類

根據(jù)圖2(d)可知： 對于Z2CN19-10+N2不銹鋼，在20～100℃溫度范圍內(nèi)，瞬時線膨脹系數(shù)增大很快；當(dāng)溫度升高到200℃以后，增速逐漸平穩(wěn)；當(dāng)溫度升高到500℃以后，系數(shù)逐漸恒定。絕大多數(shù)金屬和合金都表現(xiàn)出這樣的規(guī)律，即隨著溫度升高，線膨脹系數(shù)初期增大很快，之后增速逐漸平穩(wěn)，這種情況屬于正常熱膨脹。還有些合金在小于500℃時具有比較恒定的線膨脹系數(shù)。綜合而言，膨脹合金一般按線膨脹系數(shù)高低分為三類： ① 低膨脹合金，在-60～100℃范圍內(nèi)具有很低的線膨脹系數(shù)，一般低于3×10-6/K；② 定膨脹合金,在-70～500℃范圍內(nèi)具有比較恒定的中等線膨脹系數(shù)；③ 高膨脹合金，一般在室溫至100℃范圍內(nèi)具有很高的線膨脹系數(shù)，通常大于16×10-6/K[7]。

由以上分析可見，Z2CN19-10+N2不銹鋼屬于高膨脹合金。

3.2.2Z2CN19-10+N2不銹鋼實測膨脹系數(shù)與規(guī)范對比

一般設(shè)備加工環(huán)境溫度在10～50℃范圍內(nèi)，壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件使用工況溫度則是325.4℃，反應(yīng)堆設(shè)計溫度達350℃，因此分別確認在相應(yīng)范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)對制造過程中的尺寸測量和設(shè)計過程中的零部件間隙計算有重要參考意義。如表3所示，選取試樣a的試驗數(shù)據(jù)得出50℃和350℃的線性熱膨脹dL/L0分別為4.0425×10-4和6.9264×10-3，根據(jù)式(1)計算出20～50℃的線膨脹系數(shù)α20-50=13.48×10-6/K，20～350℃的線膨脹系數(shù)α20-350=17.96×10-6/K。根據(jù)RCC-M Z篇中表ZI 7.0，可知18-10型奧氏體不銹鋼在20～50℃的平均線膨脹系數(shù)是16.54×10-6/K，試驗實測值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值差異較大。RCC-M Z篇中表ZI 7.0中18-10型奧氏體不銹鋼在20～350℃的平均線膨脹系數(shù)是17.90×10-6/K，試驗實測值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值較為接近，故在堆內(nèi)構(gòu)件設(shè)計計算零件間隙時可參考17.96×10-6/K。

3.2.3板材軋制方向?qū)ε蛎浵禂?shù)的影響

由圖2(a)可知，沿軋制方向的室溫瞬時線膨脹系數(shù)是13.0×10-6/K。由圖2(b)可知，與軋制方向夾角45°的室溫瞬時線膨脹系數(shù)是7.30×10-6/K；由圖2(c)可知，沿垂直軋制方向的室溫線膨脹系數(shù)是6.19×10-6/K?？梢娛覝貢r沿軋制方向的線膨

表3　平均線膨脹系數(shù)表

脹系數(shù)最大，垂直軋制方向的線膨脹系數(shù)最小，這主要是受到板材軋制織構(gòu)的影響。單晶或多晶存在織構(gòu)，導(dǎo)致晶體在各晶粒取向上的原子排列密度有差異，進而表現(xiàn)出熱膨脹的各向異性，平行晶體主軸方向熱膨脹系數(shù)大，垂直方向熱膨脹系數(shù)小。由圖2(d)可知，當(dāng)溫度高于400℃后，三個方向的線膨脹系數(shù)基本趨于一致，這是由于溫度升高后板材的軋制織構(gòu)不再是主要影響因素。

4　試驗結(jié)果在生產(chǎn)中的應(yīng)用

堆內(nèi)構(gòu)件零部件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且精度要求高，特別是公差與間隙要求苛刻[8]。奧氏體不銹鋼由于材料韌性較好，金屬切削性能稍差，鋼屑會粘在刀頭上使刀具易磨損，同時還會產(chǎn)生很大的切削應(yīng)力與熱量[9]。

由試驗結(jié)果可知，Z2CN19-10+N2不銹鋼屬于高膨脹合金，線膨脹系數(shù)比較大，所以切削加工中產(chǎn)生的應(yīng)力和熱量會使工件變形。特別是對細長軸類零件加工時，若加工、測量、裝配工序環(huán)節(jié)環(huán)境溫度差異較大，會引起較大的尺寸變化。以上部堆內(nèi)構(gòu)件(如圖3所示)上支承組件中的上支承柱體(如圖4所示)為例，每臺三代堆內(nèi)構(gòu)件中，42組上支承柱體將上支承板和芯板上堆連成一個整體，通過這些支承柱體將冷卻劑的上沖擊載荷由上堆芯板傳遞至上支承板，然后傳遞至壓力容器法蘭。支承柱體為中空結(jié)構(gòu)，周邊有流水孔，冷卻劑可流通[10]。所以每組上支承柱體的最終裝配尺寸要求非常嚴(yán)格，圖紙要求上支承柱體從底座與裝配面到頂端頭與上支承板裝配面的尺寸是(2126±0.05)mm，以20～50℃線膨脹系數(shù)α20-50=13.48×10-6/K計，如果制造過程中環(huán)境極端溫差在20K左右，根據(jù)式(1)，膨脹或收縮量ΔL=L0×α20-50×ΔT=2126×13.48×10-6×20=0.573mm，遠超圖紙公差要求。故為保證圖紙尺寸要求，對于堆內(nèi)構(gòu)件中裝配尺寸要求較高的零部件，在工藝中要求加工、測量、裝配在(20±2)℃環(huán)境下進行，這樣可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3　上部堆內(nèi)構(gòu)件

圖4　上支承柱體

5　結(jié)論

(1) 奧氏體不銹鋼Z2CN19-10+N2屬于高膨脹合金，在制造和設(shè)計中應(yīng)考慮熱脹冷縮因素引起的部件冷、熱態(tài)間隙差異，加工裝配過程中應(yīng)注意并控制尺寸。

(2) 實測20～50℃的線膨脹系數(shù)α20-50為13.48× 10-6/K，20～350℃的平均線膨脹系數(shù)α20-350為17.96×10-6/K。

(3) 隨著溫度升高，在20～100℃溫度范圍內(nèi)線膨脹系數(shù)增大很快，在溫度高于200℃以后增速逐漸平穩(wěn)。由于受到板材軋制織構(gòu)的影響，板材沿軋制方向的線膨脹系數(shù)最大，垂直軋制方向的線膨脹系數(shù)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

蔣恩(1971—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事核島主設(shè)備堆內(nèi)構(gòu)件和控制棒驅(qū)動機構(gòu)技術(shù)管理工作，

E-mail： jiangen@shanghai-electric.com

TM201.4;TL351

A

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