第32卷第6期2011年12月热处理技术与装备RECHULI JISHU YU ZHUANGBEI Vol．32，No．6Dec ， 2011收稿日期：2011－10－11作者简介：兰银辉（1976－），男，工程师，主要从事核电站材料设计。
联系电话：0755－84478505；E －mail ：lanyinhui@cgnpc．com．cn·材料研究·压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计兰银辉1，熊少阳2，尤磊1，刘克明3（1．中广核工程有限公司，广东深圳518124；2．上海海洋大学爱恩学院，上海201306；3．江西省科学院应用物理研究所，江西南昌330029）摘要：控制棒驱动机构为核反应堆系统中的重要设备。
本文介绍了压水堆控制棒驱动机构的结构特点、功能及金属材料的选用原则，对所用奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、镍基合金和钴基合金的选用进行了具体分析。
关键词：控制棒驱动机构；奥氏体不锈钢；马氏体不锈钢；镍基合金；钴基合金中图分类号：TG142．7文献标识码：A文章编号：1673－4971（2011）06－0024－05The Metallic Material Design of Pressurized WaterReactor Control Rod Drive MechanismLAN Yin-hui 1，XIONG Shao-yang 2，YOU Lei 1，LIU Ke-ming 3（1．China Nuclear Power Engineering Company Co．，Ltd．，Shenzhen guangdong 518124，China ；2．Aien Institute ，shanghai Ocean University ，Shanghai 201306，China ；3．Jiangxi Academy of Sciences Institute of Applied Nanchang Jiangxi 330029，China ）Abstract ：Control rod drive mechanism is important equipment in nuclear reactor system of pressurized water reactor．The paper introduced its structure ，characteristic the function and the selected principle of the metallic material of PWR control rod drive mechanism ，and specificly analyzed the slection of martensitic stainless steel ，austenite stainless steel ，nickel base alloy and cobalt base alloy．Key words ：control rod drive mechanism ；austenite stainless steel ；martensitic stainless steel ；nickel base alloy ；cobalt base alloy压水堆控制棒驱动机构（简称CRDM ）是核反应堆系统中重要的机械设备，是反应堆控制和保护系统的一部分；它按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动、保持和改变控制棒组件在堆芯内的高度，在紧急情况下断电释放控制棒组件，使其快速插入堆芯，从而达到反应堆的安全启动、功率调节、功率保持、正常停堆和紧急停堆；同时控制棒驱动机构是一回路冷却剂承压边界，是辐射防护的第二道屏障，必须保证反应堆压力边界的完整性，保证无任何冷却剂的泄漏。
控制棒驱动机构由驱动杆部件、钩爪部件、耐压壳部件、线圈部件和棒位指示器部件组成。
其中驱动杆部件、钩爪部件、耐压壳部件和线圈部件的磁轭等由金属材料组成（具体结构见图1、图2）。
驱动杆下部的可拆接头连接控制棒组件，通过钩爪部件带动驱动杆运动，从而实现控制棒提升、下落和停止等功能。
耐压壳部件安装于反应堆压力容器顶盖管座上，组成一回路边界，其腔室用于容纳钩爪部件和提第6期兰银辉等：压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计供驱动杆运动空间，并将线圈部件与一回路冷却剂隔开。
线圈部件套在耐压壳外部，线圈产生电磁力驱动钩爪带动驱动杆运动，棒位探测线圈感应驱动杆的位置。
这些金属材料零部件长期承受高温（设计温度343ħ）［1］、高压（设计压力17．2MPa ）［1］，反应堆冷却剂的腐蚀等的作用。
因此，对其选材有较高要求，既要具有耐高温、高压，又要具有足够的韧性、塑性及耐磨、抗冲击和抗腐蚀性能，对部分材料的磁性能亦有较高要求。
图1CPR1000CRDM 结构示意图Fig．1Structure diagram of CPR1000CRDM1主要零部件选材依据和原则压水堆控制棒驱动机构属于重要的核岛主设备，工作条件相当恶劣，安全性和质量要求高，其耐压壳部件属于核安全1级、耐压壳部件中的排气阀属于核安全2级；驱动机构其他部件属于安全相关级（LS 级）；驱动机构的抗地震等级为1－I 级；驱动机构部件和零件的设计规范等级应与它的安全等级相对应。
近年来核岛设备设计的日益长寿化，对材料提出了越来越高的要求，因此控制棒驱动机构的设计选材必须根据其结构、功能、工况条件、使用性能、制造工艺特点以及工艺性能要求进行优选，以满足设备的安全和质保要求。
为此，其主要零部件的选材应考虑，但不限于以下要求：图2CPR1000CRDM 结构图Fig．2Structure chart of CPR1000CRDM（1）金属材料应符合ASTM 、ASME 、RCC-M 等国际标准。
对于CRDM 国产化材料可以选用国家GB 标准和自行研制的特种材料。
材料应具有足够的强度和刚度，能够承受反应堆冷却剂腐蚀、耐高温。
对磁性材料必须具有良好的磁性能和较小的矫顽力。
（2）材料应具有优良的冶金质量，即要求材质具有足够高的纯净度、致密度和均匀性。
（3）材料应具有足够高的塑韧性和优良的抗辐照脆化性能。
（4）材料应具有低的热应力时效脆化敏感性。
（5）驱动机构涉及的材料品种较多，设计选材应·52·热处理技术与装备第32卷综合考虑材料之间物理化学性能的相容性和匹配性。
（6）应优先选用具有使用经验的成熟的材料，新材料的选用应十分慎重，必须对其性能进行全面严格的鉴定。
（7）在满足上述要求的基础上，应考虑选用经济性好的材料。
2适用的法规、导则和规范我国发展核电工程起步较晚，目前还没有建立系统的完整的规范体系，在CRDM设计中一般选用国际上比较权威、系统、成熟的ASME或RCC-MM规范体系，CRDM材料涉及适用的法规、导则和规范如下：2．1国家核安全法规和导则-HAF003《核电厂质量保证安全规定》-HAF102《核动力厂设计安全规定》-HAF601《民用核安全设备设计制造安装和无损检验监督管理规定》-HAD003/03《核电厂物项和服务采购中的质量保证》-HAD003/06《核电厂设计中的质量保证》-HAD003/08《核电厂物项制造中的质量保证》2．2法国RCC-M规范-RCC-P900MWe压水堆核电站系统设计和建造规则-RCC-M压水堆核岛机械设备设计和建造规则-RCC-E压水堆核电站核岛电气设备设计和建造规则2．3美国ASME规范-ASME BPVC第II卷材料-ASME BPVC第Ⅲ卷第一册核岛设备3材料设计根据控制棒驱动机构的结构、功能和使用工况，使用的金属材料包括奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、镍基合金、钴基合金、球墨铸铁和部分碳钢等［2］。
3．1奥氏体不锈钢由于奥氏体不锈钢不存在延性-脆性转变而总保持延性，且在辐照条件下不会发生脆性转变，可保持较高韧性，故其在控制棒驱动机构金属材料中得到了广泛的应用。
目前奥氏体不锈钢主要应用于控制棒驱动机构承压部件和非承压部件的制造。
承压边界部件用的奥氏体不锈钢主要用于密封壳体、行程套管和端塞等部件的制造。
该类部件属于反应堆一回路承压边界，核安全1级和规范1级部件，主要材料的牌号有：06Cr18Ni11Ti、022Cr19Ni10N （国内牌号）；Z2CN19-10（控氮）（法国牌号）；SA-182牌号F304LN（美国牌号）。
承压边界部件用的奥氏体不锈钢在材料设计时，对其性能主要有以下考虑：奥氏体不锈钢中加入适量的氮可以改善钢的耐均匀腐蚀性能、提高抗晶间腐蚀能力，在韧性不变的前提下，提高钢的强度。
（CPR1000N≤0．08%）。
棒位指示器需要准确测量驱动杆运行的位置，为了防止干扰指示器工作灵敏度下降，要求行程套管和密封壳具有较低的剩磁和磁导率，其相对磁导率要求低于1．10，最好＜1．05（CPR1000）。
为了降低焊接时材料对热裂纹的敏感性、保证满足规范要求的力学性能和磁性能，不锈钢铁素体含量要求小于等于2%（CPR1000）；此类不锈钢以固溶热处理状态交货，对于后续需要经过焊接的部件，为防止出现晶间腐蚀情况，需做晶间腐蚀试验。
当C≤0．035时，RCC-M（2000版及以后版本）规范规定材料可不做晶间腐蚀试验，ASME规范要求必须做晶间腐蚀试验。
非承压边界部件用的奥氏体不锈钢主要制造拆卸杆、套管轴、钩爪、钩爪连杆、移动衔铁缓冲轴、固定钩爪支撑筒、排气阀、弹簧保持架及保持架螺母等部件。
该类部件属于核安全2级或LS级，主要材料牌号有：06Cr19Ni10、06Cr19Ni10N、06Cr25Ni20（国内牌号）；Z2CN19-10NS、Z5CN18-10、Z5CND17-12（法国牌号）；ASTM A-479类304、AMS5387（美国牌号）。
非承压边界部件用的奥氏体不锈钢在材料设计时，对其性能主要有以下考虑：钩爪和连杆部件需要不断地和驱动杆齿槽结合，且带动驱动杆运动，设计的时候要求采用承压边界部件用的奥氏体不锈钢（CPR1000采用Z2CN19-10（控氮）、AP1000采用AMS5387）；为了提高耐磨性和抗冲击性能，钩爪齿尖和销孔、连杆锁孔表面要求堆焊钴基合金（CPR1000）；控制棒驱动机构中滑动配合面较多，要求耐磨损的表面镀铬；此类不锈钢以固溶热处理状态交货，为了获得规范要求的力学性能，在固溶热处理后，不需要加工的部件（例如导向键销钉等）可进行加工硬化，但加工硬化率必须小于或等于30%；对于后续需要经过焊接的部件，不锈钢应进行晶间腐·62·第6期兰银辉等：压水堆核电站控制棒驱动机构金属材料设计蚀试验，以检验材料抗腐蚀的能力。