核電主泵卸載電磁鐵服役溫度與運行壽命研究

嵇永臣

（江蘇核電有限公司，江蘇連云港 222000）

0 引言

某核電機組設計4 臺反應堆主冷卻劑泵（以下簡稱“主泵”），靠水潤滑的止推軸承承受由系統壓力、水力部件及轉子自重等聯合產生的軸向力，而國內外其他類型的主泵止推軸承大多數采用油潤滑。相比于油潤滑，水潤滑可以降低火災風險，但在主泵啟停期間的低轉速區，由于水的承載力較低、推力軸承的摩擦系數較大，造成主泵啟動困難和惰轉性能的下降[1]。因此設計了卸載電磁鐵來提供反向軸向力，減小軸向推力，從而減小軸承的摩擦力，提高軸承壽命。在實際運行過程中，由于質控和氣蝕原因，仍會發生軸瓦磨損、損壞的事件，通過提高冷卻水壓力和投用卸載電磁鐵的措施，可以有效緩解磨損[2]。

采用水潤滑止推軸承的主泵，在卸載電磁鐵殼體上壓制了冷卻回路保護罩，能夠帶出電磁鐵運行時釋放出來的熱量，可滿足長期投用的需求。但是長期帶電運行期間，電磁鐵的冷卻回路換熱效能有限，使線圈局部溫度過高、絕緣層破損，進而導致匝間短路，線圈直阻和電壓也會下降，無法提供足夠的電磁力，甚至會導致主泵啟動失敗，所以在機組運行期間停運卸載電磁鐵，但這加劇了推力軸瓦磨損。本文研究能夠長期投運卸載電磁鐵的方式，在電磁鐵不發生匝間短路的情況下能以最大限度減緩軸瓦磨損。

1 項目簡介

額定工況（15.3 MPa）時，主泵軸向力合力向上、約423.3 kN。在主泵停運過程中，葉輪液動力和軸承室壓力逐漸降低至0，軸向力進一步上升到620.4 kN。卸載電磁鐵產生的磁場，能夠提供大于25 t 的向下軸向力（即245.2 kN），這樣可以確保停泵期間主泵軸向力不會超過375.2 kN。

在額定工況下，如果電磁鐵沒有長期投運，則需要監測和預警軸承的磨損狀態，根據磨損程度與產熱量正相關的特性，因此引入軸承釋熱率λ：

式中 λ——主泵釋熱率，%

Tc——主泵徑向止推軸承冷卻水出口溫度，℃

Tr——主泵徑向止推軸承冷卻水入口溫度，℃

T——給定的冷卻水進出口標準溫差，℃

當釋熱率λ＞3%時顯示報警，一旦釋熱率λ＞5%且2 h 不回落則停機檢修。

某機組大修后更換了主泵推力軸瓦，機組啟動后相關運行參數變化趨勢如圖1 所示。

圖1 機組啟動后主泵相關參數變化趨勢

主泵釋熱率自從啟機開始后10 d 躍遷3%左右，之后逐漸上升，主泵電功率也隨之上升。觀察同一階段冷卻水溫度，冷卻水溫度變化與釋熱率變化無關聯。可以看出，新更換的主泵軸瓦已有一定量的磨損，導致推力瓦與推力頭之間的水膜出現承載力不穩定現象[3]，加劇軸瓦磨損。為了遏制釋熱率增長，保證軸瓦能夠持續運行一個或多個換料周期，應投運卸載電磁鐵緩解軸瓦磨損。

電磁鐵的電磁力和電流存在線性關系，從圖2 可以看出，適當降低電流強度，減少線圈產熱量，在當前的換熱條件下保證線圈局部溫度不超過限值，防止出現匝間短路，同時最大限度發揮電磁鐵的功效。因此，不僅要研究服役溫度與老化失效的關系，還要研究運行電流與服役溫度的關系。

圖2 電磁鐵拉力與電流的關系曲線

2 材料老化特性分析

電磁鐵內部開槽布置線圈，外端面設有冷卻水通道，線圈產生的熱量主要通過熱傳導和熱對流由冷卻水帶出（圖3）。

圖3 電磁鐵局部剖面

線圈銅導線涂抹有機硅材料，提供匝間絕緣。在線槽內繞滿銅導線后，灌封樹脂類材料提供整體絕緣和固定。因有機硅材料是銅導線的直接絕緣，其老化效應是引起匝間短路的主要原因，因此對其老化特性進行分析。

2.1 老化特性

設計資料顯示，有機硅材料為H 級絕緣，允許最高溫度為180 ℃，繞組溫升限值為135 ℃，推薦使用壽命為110 ℃下20 年。在電磁螺線管的運行工況下，主要受到電場和溫度的老化應力影響。材料在熱氧等應力的作用下，表面一般會出現凹坑、細小空洞、微裂紋，并且導致絕緣性能局部塌陷，最終在薄弱處發生擊穿。熱氧老化后的絕緣材料在電場作用下，其降解程度遠大于單獨的熱氧老化或者單獨電場放電[4]。由此可見，較之隔熱保溫的硅材料，用于絕緣場景的有機硅材料耐熱氧性能要低得多，因此有必要分析其抗老化特性。

由于外供有機硅絕緣材料具體摻雜情況不明，其活化能值較難確定。通過查閱相關文獻，硅/二氧化硅在介電擊穿的作用機制下，其活化能在0.6～0.9 eV。

2.2 服役溫度計算

有機硅絕緣材料在電場、溫度場的作用下，符合Eyring 多因子老化模型[5]。由于工作電壓基本一致，服役壽命比可簡化為如下的Arrhenius 熱力學方式。服役溫度來自于環境溫度和線圈通電時的自溫升。

式中 t1——正常老化壽命，月

t2——加速老化壽命，月

T1——正常老化溫度，℃

T2——加速老化溫度，℃

R——玻爾茲曼常數，R=8.617×10-5eV/℃

Ea——活化能，取上文所述0.6～0.9 eV 的保守值0.6 eV

（1）失效時限的服役溫度推算。線圈直阻在服役8 個月開始急劇變化，可以判斷有機硅材料開始失效。基于上述老化特性，推算出材料失效周期內的實際服役溫度，并與溫度場分析進行比對，反溯其失效期間的工況。根據設計方提供的有機硅絕緣材料20 年110 ℃服役工況與8 個月失效工況的加速關系，取活化能0.6 eV，代入式（2），可知其在實際服役8 個月中薄弱點溫度為198 ℃。

（2）無故障時限的溫度限值推算。根據上述方式，按照一個燃料循環（18 個月）、兩個燃料循環（36 個月）的運行限期推算其合理的溫度限值，計算結果如表1 所示。

表1 電磁鐵相關運行參數

3 仿真分析

3.1 建模

考慮到環形線圈的溫度梯度變化更多的是沿著軸向變化，環向變化相對較小，本文選取1/2 電磁鐵進行建模。正常工況下電磁鐵的相關運行參數見表2，其中銅線表面涂抹有機硅絕緣材料，有機硅熱阻較大但其厚度極小，因此考慮將銅線與有機硅作為整體考慮。經加權后，該部分熱阻為392.9 W/（m·℃）。

表2 電磁鐵相關運行參數

冷卻水溫升較小，對于結果影響不大，冷卻通道的對流系數大，因此將最高冷卻水出口溫度作為恒溫壁面，根據電磁鐵的發熱量折合成內部生成熱作為邊界條件，設置好相關的材料屬性。

3.2 結果分析

在穩定工作電流17.8 A 時，電磁鐵的溫度梯度分布如圖4所示。最高溫度出現點位于線圈內部，溫度為138.15 ℃，與設計方給出的繞組溫升限值135 ℃相差較小，說明模型與設計工況吻合度較高。

圖4 基礎工況下水冷電磁鐵溫度仿真結果

樹脂導熱系數很小，直接影響電磁鐵的散熱，上述模型中樹脂層厚度為理論計算值，實際澆灌過程中會導致厚度存在偏差，從而導致線圈內部溫度偏高。當樹脂層由2.79 mm 翻倍時（惡化工況），線圈內最高溫度將達到190.72 ℃，與上文中失效時限的服役溫度相當，因此可以推測存在缺陷的電磁鐵換熱能力較弱（圖5）。

圖5 惡化工況下水冷電磁鐵溫度仿真結果

基于上述模型，增加冷缺水換熱面積后仿真結果如圖6，最高溫度為179.88 ℃，降低約10.84 ℃，可以看出改善冷卻回路有助于降低內部溫度。

圖6 增加冷卻面積后水冷電磁鐵溫度仿真結果

對不同運行電流下電磁鐵溫度分布進行模擬，求取最高溫度。從圖7 可以看出，樹脂澆灌質量和較大的運行電流都會導致線圈局部溫度升高。

圖7 運行電流與線圈最高溫度關系

根據式（2）計算出該運行溫度條件下的運行壽命，從圖8 可以看出，降低運行電流和控制樹脂層厚度可以提高運行壽命。因此，可結合電磁鐵更換周期和軸瓦磨損情況選擇最優的運行電流，實現安全和經濟運行。

圖8 運行電流與運行壽命關系

3.3 小結

由上面的分析可知，該電磁鐵存在的設計和材料缺陷有如下3 個具體表現。

（1）冷卻回路布置不合理，僅能對線圈外圍進行冷卻，且換熱面積小，導致電磁鐵冷卻效果較差。

（2）材料選擇不合理，澆灌的樹脂材料具有較高的強度、絕緣和耐熱性能，但其低熱導率無法將熱量迅速傳遞，一旦灌封工藝出現偏差則會對換熱影響極大。

（3）有機硅絕緣層耐熱性能較差，容易因溫度超限導致開裂，觸發匝間短路甚至磁通變化，放熱加劇局部溫升，最終導致電磁體失效。

針對存在惡化工況的電磁鐵，當前可以適當降低運行電流以提高運行壽命，保證電磁鐵運行時長能夠支撐到機組換料大修。從長遠來看，還可以開展電磁鐵國產化研制，主要包括兩個方面：一是選擇已成熟應用的絕緣涂料層和復合樹脂材料，在強度、絕緣和耐熱等性能優良的基礎上，優化其熱膨脹系數、熱導率；二是通過熱力建模合理設計冷卻回路，在不改變尺寸結構和冷卻水等接口關系的前提下，優化電磁鐵內部的溫度分布。

4 結論

本文從主泵卸載電磁鐵的功能、運行特性等方面分析了水潤滑的主泵推力軸瓦磨損與卸載電磁鐵投運的聯系，通過對電磁鐵中有機硅和樹脂的材料老化分析，找出不同溫度與運行壽命之間的關系；再通過建模仿真，從冷卻、材料熱阻、電流大小等方面分析了電磁鐵傳熱特性，找出可能影響溫度升高的原因。主泵電磁鐵在國內應用較少，如何實現卸載電磁鐵長期穩定運行是主泵行業運行多年一直未解決或分析透徹的難題，文中所述雖不完全正確，但為后續遇到同類電磁鐵長期運行時電流調整和國產化替代研究提供一定的參考價值，相信在國內行業同仁不斷研究下，這一難題終究會得到解決。