屏蔽主泵電機(jī)定子繞組腔密封設(shè)計*

王 超，李藏雪，張進(jìn)寶，石 陽，谷鳳玲

(1哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040; 2哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001)

屏蔽主泵電機(jī)定子繞組腔密封設(shè)計*

王 超12，李藏雪1，張進(jìn)寶1，石 陽1，谷鳳玲1

(1哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱 150040; 2哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001)

根據(jù)屏蔽主泵電機(jī)定子密封腔結(jié)構(gòu)的特殊性、技術(shù)復(fù)雜、制造難度大等特點，重點分析了大型屏蔽主泵電機(jī)密封腔的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)，并提出了與軸封主泵的不同之處。為確保主泵設(shè)備的安全運行，提供了可靠的依據(jù)。

反應(yīng)堆冷卻劑泵;屏蔽電機(jī);定子腔;密封

0 引言

屏蔽主泵早期曾用于試驗性的商用堆，其后的商用核電廠逐漸采用軸封主泵。大型屏蔽主泵用于核電廠設(shè)計代表是某公司AP600壓水堆核電廠，主要是借鑒沸水堆的安全理念，采用屏蔽泵防止高溫、高壓、帶高輻射冷卻劑泄露，在此基礎(chǔ)上發(fā)展AP1000三代非能動商用核電廠，是大型屏蔽主泵首次工程應(yīng)用。屏蔽主泵是立式、單級、無軸封、高慣量離心泵，主泵通過螺栓將機(jī)座與泵殼連接并采用“C”形環(huán)焊接密封，其屏蔽電機(jī)系立式、水冷式感應(yīng)電動機(jī)，一般設(shè)計為三相、四極籠型且具有較高的轉(zhuǎn)動慣量。由于主泵采用的無軸封結(jié)構(gòu)要求，其定子繞組腔具有較大的設(shè)計和制造難度，也是影響電機(jī)60年設(shè)計壽命重要因素，本文重點分析屏蔽主泵電機(jī)定子繞組腔設(shè)計特點及影響其使用壽命的重要因素。

1 定子繞組腔的組成

電機(jī)定子腔由機(jī)殼、鐵心、定子繞組、屏蔽套、屏蔽套支撐結(jié)構(gòu)等主要零部件組成。機(jī)殼內(nèi)熱裝定子鐵心，定子鐵心由整圓沖片疊制而成，定子沖片采用開口槽，線圈下線后，槽口用高強(qiáng)度陶瓷槽楔填充，鐵心段內(nèi)圓和端部的分段支撐結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成屏蔽套的背部支撐，屏蔽套兩端與機(jī)座焊接形成密封的繞組腔。

2 主泵屏蔽電機(jī)定子腔功能

2．1 結(jié)構(gòu)功能

2．1．1 承壓邊界組成部分

屏蔽電機(jī)機(jī)座是構(gòu)成電機(jī)定子腔的組成部分，且是反應(yīng)堆一回路壓力邊界的一部分。

2．1．2 壓力邊界的電氣貫穿件

定子腔繞組供電的引出線為電氣貫穿件，其裝配應(yīng)符合 ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第三卷NB-1140的規(guī)定。

2．1．3 繞組密封腔

例(10)：Then for the next two hundred years the family tree shows a succession of soldiers— noble, high-spirited fellows, who always went into battle singing, right behind the army, and always went our a-whooping, right ahead of it.

通過定子屏蔽套與機(jī)殼的焊接結(jié)構(gòu)形成繞組密封腔，使繞組組件與反應(yīng)堆冷卻劑隔離。承受17．2Mpa的設(shè)計壓力。

2．2 電氣功能

定子在變頻器供電工況范圍內(nèi)實現(xiàn)主泵屏蔽電機(jī)定子的電氣功能，形成旋轉(zhuǎn)磁場，為轉(zhuǎn)子負(fù)載提供大于5000kW的能量。要求電機(jī)體積盡可能小，確保在額定條件下最大繞組表面溫度小于200℃，且與主泵同為60年壽命要求。若電機(jī)在通電前具有反向轉(zhuǎn)速，速度大小為全轉(zhuǎn)速的0～85%，變頻器使電機(jī)產(chǎn)生一個減速轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)子的儲能反饋回電網(wǎng)。

2．3 檢測功能

定子繞組兩端部和中部的繞組三相溫度監(jiān)測。

2．4 電站系統(tǒng)要求功能

3 定子繞組腔設(shè)計特點

3．1 機(jī)殼按一次壓力邊界件設(shè)計，采用分段焊接結(jié)構(gòu)。上段與泵殼通過主螺栓連接，中段為支撐定子鐵心段，兩段不與反應(yīng)堆冷卻劑直接接觸，材料選用低合金鋼，下部內(nèi)表面要與反應(yīng)堆冷卻劑直接接觸，選用不銹鋼，與中段通過堆焊過渡金屬的全滲透焊接進(jìn)行連接，并進(jìn)行射線探傷進(jìn)行檢測。

3．2 定子鐵心是整圓沖片疊壓，兩端由不銹鋼的齒壓板固定而組成的。在定子鐵心內(nèi)壓下，將拉筋焊在定子鐵心外徑上的軸向槽內(nèi)以固定鐵心。保證鐵心裝壓緊密，裝壓過程采用特殊工藝和工具，在特殊芯軸上裝壓、焊接鐵心，使定子鐵心內(nèi)圓形成一個相對堅固的表面，保證對屏蔽套起到良好支撐作用。疊片沖片材料為無取向硅鋼片沖制而成，采取工藝措施嚴(yán)格控制疊片毛刺的最大高度。硅鋼片上涂了一層薄的水溶性無機(jī)填料的高電阻絕緣漆以減小損耗，這對疊片的疊壓系數(shù)影響很小。

3．3 定子繞組及絕緣

定子繞組設(shè)計為在最大負(fù)載下能夠運行60年，其絕緣系統(tǒng)超過N級絕緣的要求，溫度大于200℃的情況下滿足設(shè)計壽命要求。絕緣的系統(tǒng)參照 IEEE 275進(jìn)行測試，在 300℃、320℃、340℃、360℃和380℃進(jìn)行測試的壽命相比較，推算出的定子繞組的使用壽命。

設(shè)計選擇高壽命的防電暈和硅樹脂絕緣材料，保證電機(jī)較低的溫度以達(dá)到不降低材料的絕緣性，定子下線后，繞組進(jìn)行特殊的真空壓力浸漆，保證良好的絕緣性和散熱性。

3．4 定子屏蔽套

定子內(nèi)腔裝有屏蔽套，防止定子線圈和絕緣層與循環(huán)于電機(jī)內(nèi)的反應(yīng)堆冷卻劑接觸。屏蔽套材料為非磁性、高電阻率、約0．4mm厚的 Hastelloy C-276鎳基合金鋼板，采用專用的精剪、滾筒成型、焊接設(shè)備制造完成，屏蔽套上下兩端分別與機(jī)座焊接形成屏蔽腔室，為檢驗屏蔽套及焊縫，要進(jìn)行嚴(yán)格水壓、氣壓試驗和氦檢漏檢查。

4 定子繞組腔關(guān)鍵技術(shù)

4．1 定子繞組腔密封性設(shè)計與檢測

定子腔存在著多種密封結(jié)構(gòu)，包括定子屏蔽套自身的縱向焊縫、機(jī)座上下與屏蔽套環(huán)焊縫、定子繞組供電引出線陶瓷焊接密封結(jié)構(gòu)、定子繞組測溫引線結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)抽真空再填充結(jié)構(gòu)密封。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的密封可靠性是影響定子腔絕緣壽命的重要因素，必須采用有效的試驗來檢測其密封性。定子內(nèi)腔先進(jìn)行水壓試驗，試驗完成后保持壓力，然后在屏蔽套與機(jī)殼之間充入高壓惰性氣體進(jìn)行檢漏，為了保護(hù)屏蔽套，此過程要求保證定子內(nèi)腔水的壓力必須比氮氣壓力高。氮氣檢漏完后進(jìn)行抽真空及氦氣檢漏，先是抽真空，達(dá)到一定真空度后往定子內(nèi)腔里充入高壓氦氣進(jìn)行檢漏。

主要方法是在定子屏蔽套形成的轉(zhuǎn)子腔進(jìn)行水壓檢驗，檢測屏蔽套相關(guān)焊縫的強(qiáng)度。施加的壓力在1．25倍的設(shè)計壓力，保持壓力，對全部的外表面進(jìn)行目視檢驗，任何的泄漏或壓力下降都應(yīng)被視為失敗。定子高壓惰性氣體泄露試驗，在已經(jīng)完成的水壓檢驗的條件，對定子繞組腔加壓是通過用約1．1倍的惰性氣體進(jìn)行定子腔檢測，通過閥門對定子繞組腔加壓和減壓，過程要分階段緩慢進(jìn)行，并在保持壓力的情況下評估試驗。高壓氦氣檢測試驗用氦氣對轉(zhuǎn)子腔中心孔施加壓力分階段平均加壓，直到約0．8倍的設(shè)計壓力，記錄每一次加壓時的氦氣泄漏率及保壓情況。

4．2 定子繞組腔熱分析設(shè)計

屏蔽電機(jī)不但損耗高，且損耗主要集中在定、轉(zhuǎn)子屏蔽、定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子外表面、飛輪表面、軸承等位置，這些損耗主要與電機(jī)的電磁參數(shù)如電流、磁密、轉(zhuǎn)速、材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)，在設(shè)計中的參數(shù)選擇時需要綜合考慮。

定子屏蔽套特殊結(jié)構(gòu)使定子繞組腔成為一個封閉區(qū)域，造成定子鐵心和繞組的冷卻只能靠溫度梯度產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)散熱。繞組端部由于散熱困難，是溫度場中的熱點，必須進(jìn)行繞組最大表面溫度熱分析。

屏蔽電機(jī)的冷卻措施及溫升控制是保證設(shè)計壽命的關(guān)鍵。因此一方面，屏蔽電機(jī)繞組的絕緣級別選用盡可能高;另一方面，必須采取多種有效的冷卻來降低電機(jī)繞組腔各部分溫度，并設(shè)計有繞組溫度檢測報警及停機(jī)裝置。下線后的定子進(jìn)行浸漆處理可以增強(qiáng)繞組腔中線圈的端部和漸開線部分的熱量傳導(dǎo)，以確保電機(jī)在額定條件下繞組表面最大溫度不超過200℃，且能夠排除線圈周圍和線圈之間的空氣，防止局部放電。定子腔定子屏蔽段損耗大，為了保證該部分的散熱，除要保證內(nèi)部冷卻水的流量外，還應(yīng)保證該部分的流體的流速，以增強(qiáng)換熱能力。另外可在機(jī)殼外設(shè)計冷卻夾套，專為定子繞組冷卻。

4．3 定子繞組腔屏蔽套結(jié)構(gòu)分析

屏蔽套結(jié)構(gòu)分析是屏蔽電機(jī)定子腔設(shè)計分析的核心內(nèi)容，目的是評估在主泵設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計瞬態(tài)工況(包括事故工況)中壓力、溫度、轉(zhuǎn)速變化對定子屏蔽套相關(guān)結(jié)構(gòu)的完整性的影響。主要分析內(nèi)容為定子屏蔽套的外壓失穩(wěn)、摩擦長度、熱應(yīng)力屈曲、徑向疲勞和軸向疲勞，分析結(jié)構(gòu)包括鐵心槽處和鐵心端部定子屏蔽套支撐結(jié)構(gòu)、定子屏蔽套自身的縱向焊縫、機(jī)座上、下部與屏蔽套環(huán)焊縫，需要通過模擬件測試和有限元分析相結(jié)合的方法。

5 結(jié)語

屏蔽電機(jī)主泵定子繞組腔及屏蔽套的設(shè)計結(jié)構(gòu)理論上徹底消除了軸封潛在的泄漏根源，但大型屏蔽電機(jī)泵的設(shè)計制造存在相對大的難度，其中定子繞組腔密封性設(shè)計、熱分析和屏蔽套結(jié)構(gòu)分析是其設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。屏蔽套的成型和安裝、定子腔密封性檢測是制造和試驗的難點，對其進(jìn)行深入的分析研究，并在設(shè)計制造中遵循核安全理念，保證主泵設(shè)備的技術(shù)上可行、運行上可靠，對我國核電事業(yè)的發(fā)展必將產(chǎn)生重大影響。

［1］黃經(jīng)國．PWR冷卻劑主循環(huán)泵的技術(shù)經(jīng)歷和和發(fā)展［J］．水泵技術(shù)，2009．4．

［2］林誠格．非能動安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)［M］．北京:原子能出版社，2010．10．

［3］李夢啟．AP1000三代核電反應(yīng)堆冷卻劑泵屏蔽電機(jī)的技術(shù)特點［J］．大電機(jī)技術(shù)，2009．

［4］柴文虎．屏蔽套縱焊縫焊接工藝研究［J］．大電機(jī)技術(shù)，2014．

Research on Sealing Design for Stator Winding Cavity of the Third Generation RCP Canned Motor

Wang Chao，Li Cangxue，Zhang Jinbao，Shi Yang，and Gu Fengling
(1．Harbin Electric Power Equipment Company Limited，Harbin 150040，China;2．Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

Based on particularity，complex technology，manufacturing difficulties and other characteristics of RCP canned motor stator sealing cavity，structure characteristics and key technology of the sealing cavity of large RCP motor is emphatically analyzed，then difference from the shaft-sealed primary pump is proposed．It provides reliable reference to ensure safety operation of the RCP．

RCP;canned motor;stator cavity;sealing

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．04

TM303．1

A

1008-7281(2015)05-0011-003

王超 男 1978年生;畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)電機(jī)專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事特種電機(jī)設(shè)計開發(fā)工作．

2015-05-25

大型先進(jìn)壓水堆核電站重大專項AP1000屏蔽電動泵制造技術(shù)(2010ZX06001-013)