重水堆核電站堆腔混凝土冷卻風機電機性能提升改造

王天蔚，劉 凱，鐘 駿

（中核核電運行管理有限公司 維修五處，浙江 嘉興 314300）

0 引言

本文中提到的堆腔混凝土冷卻風機電機是基于重水堆堆型，堆腔混凝土冷卻風機電機位于反應堆的A、C 兩側端面，每側兩臺電機，一備一用。因電機位于的反應堆端面在機組滿功率運行期間為人員不可達區域，且電機所處環境溫度高、輻射劑量大，所以電機需滿足以下使用要求：免維護在役兩年；兩年內運行次數不低于12 次；單次連續運行時間不低于1 個月；兩年內總運行時間不低于1 年。然而調查發現，堆腔混凝土電機自2009 年～2019 年共出現了30 次故障和缺陷，其中有2 次導致機組小修。該電機頻繁的發生缺陷和故障，已經嚴重影響了設備的穩定性。故針對該電機的故障原因，本文將進行故障分析并對電機進行合理改造。

圖1 堆腔混凝土冷卻風機電機故障分析圖Fig.1 Fault analysis diagram of concrete cooling fan motor in reactor cavity

1 故障分析

經對該設備的故障和缺陷進行分析后發現，該電機發生故障和缺陷的主要原因有：電機過熱、軸承缺陷、轉子缺陷、絕緣損壞等，如圖1 所示。

根據對上述電機故障的分析，考慮到現場環境溫度高、輻照劑量大的特點，見表1。結合核電廠對于電機的相關技術要求，制定了該電機的改進技術方案，即延用現有電機機座，更換非標電機，通過對電機功率提升；電機定子和轉子結構性能改進；電機軸承與潤滑改進；電機發熱與冷卻改進；絕緣材料改進等[1]，在保證不降低冷卻系統性能參數的前提下，需要對堆腔混凝土冷卻風機電機進行整體性能提升改造，提升其可靠性和連續運行時間，滿足現場使用要求，保障電機整個大修周期內滿足一用一備運行要求。

另外考慮到電機的重要性，該非1E 級電機將按1E 級要求進行設計制造和鑒定，在樣機上進行一系試驗，見表2。以理論試驗結合實際的方式，驗證了改造后電機電氣性能、運行可靠性滿足要求。

2 電機性能提升設計

由于改造前電機的驅動功率是37kW（額定轉矩119N.m），電機長期處于滿負荷運行狀態，為提高電機的帶載能力裕量，本次改造在電機安裝尺寸不變的前提下，將電機的額定功率提升至45KW（額定轉矩144N.m）[2]，并采用了以下設計與改進：

表1 堆腔混凝土冷卻風機電機的運行環境Table 1 Operation environment of concrete cooling fan motor in reactor cavity

表2 堆腔混凝土冷卻風機電機電氣條件及要求Table 2 Electrical conditions and requirements of concrete cooling fan motor in reactor cavity

2.1 電機結構設計改進

根據電廠原設計基準要求，堆腔混凝土冷卻風機電機必須滿足B 級抗震要求，即電機在地震載荷作用時和作用后，均應做到：

◇ 結構件、材料、軸、連接螺栓等的應力強度，滿足技術要求。

◇ 在自重和地震載荷等的作用下，轉動部件與靜止部件之間的相對變形應小于它們之間的間隙，不影響電機的運轉。

因此，本次電機的主體結構設計，充分借鑒了核級防爆電機結構設計、廠家設計經驗。經過結構分析，電機結構件最終確定選用QT450-10，螺栓選用8.8 級鍍鋅螺栓，以提高整體剛性和地震狀態下的整體穩定性，并對于緊固連接件以及傳動配合面等進行了地震載荷下的計算，見表3。

表3 電機結構設計要求Table 3 Motor structure design requirements

圖2 轉子尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotor size

2.1.1 轉子結構設計改進、驗證

通過對轉子在地震載荷下軸的強度分析、電機轉子撓度、臨界轉速、軸承壽命等計算，確認了在地震條件下轉子系統的相對變形小于轉動部件與靜止部件之間的間隙，不會產生相擦，使其結構更加安全可靠，并經過抗震分析計算和試驗。

以下是電機軸的設計圖（見圖2）和軸的撓度、最小氣隙、臨界轉速、扭轉強度、扭轉剛度計算。

撓度和臨界轉速計算，見表4。

① 計算判定

撓度占氣隙的百分數f′=0.00149/0.11×100%=1.35%，許用撓度[f]=10%＞1.35%，因此軸的撓度滿足要求。

nkp/nN=7455/2980=2.5＞1.3，轉軸臨界轉速在額定轉速的75%～130%范圍以外，因此軸的臨界轉速滿足要求。

② 軸的扭轉強度計算，見表5。

結論：4.93MPa＜[τ]=30Mpa，所以扭轉強度滿足要求。

③ 軸的扭轉剛度計算，見表6。

結論：

表4 撓度和臨界轉速計算結果Table 4 Calculation results of deflection and critical speed

表5 軸的扭轉強度計算結果Table 5 Calculation results of torsional strength of shaft

表6 軸的扭轉剛度計算結果Table 6 Calculation results of torsional rigidity of shaft

圖3 新舊外軸承端蓋結構對比Fig.3 Structure comparison of new and old outer bearing end covers

在精密、穩定的傳動中，許用扭轉角[θ]＝0.25 ～0.5(°/m)，0.13＜[θ]，所以扭轉剛度滿足要求。

2.1.2 定子結構設計

電機的定子應力強度應滿足電機在正常和事故運行工況下的強度要求，即要求電機在自重、正常運行載荷和地震載荷等的作用下，保持結構完整和功能完好，轉動部件與靜止部件之間的相對變形應小于它們之間的間隙，不影響電機的運轉。此基礎上經過結構分析， 機座、端蓋采用球墨鑄鐵QT450-10 材質，滿足事故工況抗沖擊、碰撞能力，同時連接螺栓采用8.8 級鍍鎳螺栓，提高整體的剛性和地震狀態下的整體穩定性。為加強散熱，機座、端蓋均帶散熱片，定子沖片采用整沖冷軋高導磁硅鋼片，定子鐵芯與機座采取過盈冷壓，提高熱傳導能力和整體抗震性。該定子鐵芯采用外壓裝，便于繞組端部綁扎結構的固定。

2.2 軸承裝置選型與潤滑性能改進

通過故障分析可以發現，電機故障和缺陷最多的形式就是電機軸承的過熱，而影響電機軸承溫度的關鍵因素就是軸承裝置和軸承潤滑性能。因此，電機軸承裝置的選型和潤滑性能的改進對于提升電機可靠性至關重要。

通過綜合對比分析常規注排油結構，再結合電機的使用性能要求，設計電機的軸承的內外蓋結構，可以保證將電機的軸承外蓋拆卸下來之后，不用將電機的端蓋和軸承內蓋拆卸掉，就可以給軸承重新進行加注潤滑脂，具體如圖3、圖4 所示。

圖4 新外軸承蓋示意圖Fig.4 Schematic diagram of new outer bearing cover

圖5 軸承裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of bearing device

該電機在使用單面密封軸承時，密封端朝向電機內部，在非密封蓋端即軸承外蓋端部做密封，并在軸承外蓋和端蓋結合面處做密封，保證了整個軸承裝置的密閉性，從理論上看，近似可看做密封軸承，軸承可在不補充潤滑脂的條件下使用2.2 年。但軸承在工作運轉過程中，潤滑脂可能會從無密封蓋一側甩出，甩出的潤滑脂在軸承外蓋空腔壁上滑落并聚積到底部，至再次進入軸承內外圈之間可能需要一小段時間；另一方面，考慮潤滑脂在軸貫通等接觸處可能會有輕微泄漏，為使軸承運轉過程中軸承內部潤滑脂得到快速有效地補充，在軸承外蓋空腔內預先加注一定量的潤滑脂，用以補充軸承在工作過程中潤滑脂的消耗和流失（軸承裝置的設計如圖5 所示）。

標準密封軸承潤滑脂填充量為25%～35%軸承內自由空間，6212 軸承的空間容積約為45cm3，因此單個6212-2Z中潤滑脂填充量約45×1.0（0.25 ～0.35）=11.25 ～15.75g。因此，預先添加2 倍的密封軸承潤滑脂，大約2×16=32g的潤滑脂，足夠保證潤滑脂在運轉過程中的消耗，從圖3可以看出，添加在外蓋空腔底部的潤滑脂可以進入軸承內部。本結構中軸承外蓋類似于密封軸承的密封蓋，在軸承外蓋中預先添加的潤滑脂由于重力的作用會向下流動，而且潤滑脂的流動性隨著溫度的升高會愈發明顯，軸承在運行的過程中軸承保持架和軸承滾珠上的油脂量較少，隨著運行過程潤滑脂的消耗，旋轉著的軸承會將向下流動的潤滑脂會帶入軸承滾道中，達到潤滑軸承的目的。為了保險起見，還在電機的外面增加了自動加脂器，確保電機在一個大修周期內有充足的潤滑脂進行潤滑，如圖6 所示。

2.3 電機發熱與冷卻改進

2.3.1 電機發熱改進

原電機額定功率為37kW，安裝尺寸不變的前提下，為保證電機更低的溫升和長期可靠運行及帶動負載啟動，新電機將功率升容至45kW，并加長鐵芯，增加有效材料用量，在保證各項性能的要求下同時采用以下特殊手段：

◇ 采用冷軋高導磁硅鋼片50W350，降低電機鐵耗。

鐵耗指在鐵芯中因主磁通交變引起的磁滯及渦流損耗，與組成鐵芯的硅鋼片的厚度成正比、電阻系數成反比關系，本硅鋼片中Si ＋Al 含量高提高了電阻系數，鐵損低，磁感應強度也較低，較之前常規硅鋼片在頻率50Hz、磁密1T時單位損耗減少120W，可有效降低鐵耗，減小鐵芯發熱。

◇ 采用鑄銅轉子，降低轉子銅耗。

◇ 轉子的導條采用耐熱溫度更高的鑄銅，不僅可以使電機具有更大的功率密度，在同等尺寸的前提下可以增加電機的輸出功率，而且轉子損耗主要與轉子導條的電阻率有關，因銅電阻率較低，可有效降低轉子發熱。

◇ 相對常規電機，加長了電機鐵芯，加大了電機風扇。

2.3.2 冷卻改進

為提高風路的冷卻效率，采用內外同向冷卻的方式，內風路為軸向通風，鐵心通過機筒將大部分熱量傳導到外部散熱片上，內外風道均增加了散熱片，電機機筒散熱片高度增加，并且采取了不同開口有利于風量的分配和流動。電機驅動端和非驅動端均增加了散熱片，且在驅動端增加了倒流罩，增加驅動端處的散熱風量，進一步降低電機的溫升。風罩采用錐形導流風罩，改善風路和冷卻效果，降低機械噪聲[3]。風罩筒鋼板加厚，保證電動機風罩具有較強的抗沖擊、抗外來異物碰撞的防護能力，如圖7 所示。

因此，電機在完成上述發熱、冷卻改進后，經工廠溫升試驗確認，電機運行溫升比常規電機低10K ～15K，根據10℃法則在正常負載運行時，絕緣體系壽命可延長1 倍，進而大大增加電機的使用壽命和電氣安全性。

圖6 電機加裝加脂器Fig.6 Motor equipped with greaser

圖7 風路結構圖示意圖Fig.7 Schematic diagram of air path structure

表7 H級絕緣材料和F級絕緣材料對比Table 7 Comparison of class H and class F insulation materials

2.4 絕緣材料改進

在電機的有機材料中，絕緣體系材料尤其重要，是電動機的核心部件，在整個壽命周期內不可更換，其可靠性影響電動機整機壽命。按照10℃法則，繞組溫度每降10℃，其絕緣壽命延長1 倍，即S=20000×2^（（T-T0）/10）。對H 級絕緣材料和F 級絕緣材料進行對比，見表7。

在本電機的絕緣設計中，采用了H 級絕緣材料，按B級絕緣溫升要求考核。計算對比后，相比原電機所采用的F 級絕緣、B 級絕緣溫升考核，新電機絕緣體系的可靠性壽命提高了5.66 倍。

表8 改造前、后電機主要技術參數對比表Table 8 Comparison of main technical parameters of motor before and after transformation

3 電機測試和投運

根據電機的采購技術規格書要求、最新的設計改進要求、GB755-2008、GB/T997-2008、GB/T1032-2012、GB/T1993-1993、GB/T1971-2006 及IEEE334-2006、IEEE323-2003、IEEE344-2004、IEEE101-1987 標準，廠家進行了電機的樣機生產、型式試驗鑒定、隨后的量產制造、例行試驗。在制造過程中，由電廠、設計院和制造廠三方共同嚴格把控質量，完成了樣機的基準試驗、極限工況試驗、輻照試驗、熱老化試驗、抗震試驗等嚴苛的試驗，所有試驗結果均符合標準要求，滿足了電機量產制造的條件。改造前、后電機的主要技術參數見表8。

在1#機組大修過程中，對兩臺堆腔混凝土冷卻風機電機進行了現場變更改造，現場改造后電機如圖8 所示。通過維修后試驗測試，最終兩臺電機現場測試數據符合標準要求，試驗均一次合格。

通過對比新型電機和原類型的兩種電機，見表9，可以發現新型電機的直阻、振動、運行溫度均明顯低于原類型的電機。

4 總結

圖8 電機現場照片Fig.8 Field photo of motor

表9 新電機與原類型電機性能對比Table 9 Performance comparison between new motor and original motor

此次進行的堆腔混凝土風機電機的變更改造，不僅順利通過了基準試驗、極限工況試驗、輻照試驗、熱老化試驗、抗震試驗等嚴苛的試驗，而且現場的測試中新型電機的直阻、振動、運行溫度較原類型的電機有明顯降低。表明該電機的設計合理、性能明顯提升，不僅提高了該設備的可靠性，更為后續2#機組的變更改造奠定了基礎，確保了機組的安全穩定運行。