大型主泵電機(jī)引出線端子研究

刁立民

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大型主泵電機(jī)引出線端子研究

刁立民1, 2

（1. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京102206）

本文介紹了某大型主泵屏蔽電機(jī)引出線的研制過程，主要進(jìn)行了陶瓷、金屬、焊接等方面的研究，以此單項(xiàng)的成果開展了陶瓷與金屬的焊接技術(shù)研究，制作了陶瓷引出線樣件，并進(jìn)行了相關(guān)的水壓和氣密性等檢測(cè)試驗(yàn)，證明了樣件的安全可靠性。

屏蔽電機(jī)；引出線；研究

0 前言

隨著國(guó)家“十一五”建設(shè)和2020年長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃對(duì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)將大力發(fā)展核電和可再生能源開發(fā)。本項(xiàng)目屏蔽電動(dòng)機(jī)是大型先進(jìn)壓水堆核電站的重要設(shè)備，其安全性、可靠性、先進(jìn)性和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度受到各方面的關(guān)注。

1 主泵概述

本項(xiàng)目反應(yīng)堆冷卻劑泵是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主回路中的能動(dòng)部件，采用屏蔽電機(jī)泵形式，其主要由兩部分構(gòu)成，即水力部件和屏蔽電機(jī)部件，水力部件包括泵殼、葉輪、導(dǎo)葉等部件，屏蔽電機(jī)為立式三相異步屏蔽式電動(dòng)機(jī)，電機(jī)上下安裝有2個(gè)大慣量飛輪，電機(jī)功率5450kW、6900V電壓、60Hz電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2 引出線端子技術(shù)要求

為保證屏蔽電機(jī)繞組腔的密封和安全性能，主泵電機(jī)引出線采用陶瓷端子結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)技術(shù)是主泵屏蔽電機(jī)的先進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，然而美國(guó)方面技術(shù)轉(zhuǎn)讓方采取在其國(guó)內(nèi)配套采購(gòu)該部件，中方未能完整獲得該部件技術(shù)轉(zhuǎn)讓，為達(dá)到主泵電機(jī)國(guó)產(chǎn)化要求，開展了陶瓷引出線的技術(shù)研究工作。

表1 反應(yīng)堆冷卻劑泵技術(shù)參數(shù)

研究?jī)?nèi)容主要從原材料制備、焊接技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等方面開展工作，陶瓷引出線端子結(jié)構(gòu)如圖2（a），2（b），陶瓷套管通過金屬過渡體分別與銅棒法蘭連接，形成密封整體，保證電機(jī)繞組腔室密閉，因此需要對(duì)陶瓷端子進(jìn)行水壓、氣密檢測(cè)試驗(yàn)，同時(shí)為保證導(dǎo)電要求，需進(jìn)行電絕緣測(cè)試，具體要求如下。

2.1 耐水壓試驗(yàn)

室溫時(shí)，通過專用工裝在引出線端子內(nèi)側(cè)加水壓至22MPa，保壓大于25min，外側(cè)無(wú)滲漏現(xiàn)象發(fā)生即為合格。

圖1 反應(yīng)堆冷卻劑泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2

2.2 氣密性試驗(yàn)

室溫時(shí)，通過專用工裝在引出線端子內(nèi)側(cè)用氦氣加壓14MPa，保壓10min，保壓過程中，外側(cè)抽真空檢漏，氦漏率小于2×10-9Pa·m3/s，完成后，將主泵電機(jī)引出線端子外側(cè)氦氣加壓至700kPa，保壓10min，保壓過程中，內(nèi)側(cè)抽真空檢漏，氦漏率小于2×10-9Pa·m3/s即為合格。

2.3 電絕緣試驗(yàn)

引出線端子導(dǎo)體與法蘭間施加20000V、60HZ交流電，升壓過程中速率不高于1000V/s，在電壓達(dá)到20000V時(shí)保持1min，完成后電壓由20000V降至0，電壓下降速率不得高于1000V/s，在此過程中不發(fā)生跳火或擊穿現(xiàn)象即為合格。

3 端子制造的工藝過程

3.1 陶瓷制備

陶瓷采用細(xì)晶氧化鋁材料制成，首先對(duì)材料進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試合格后對(duì)絕緣陶瓷部件進(jìn)行加工，加工完成后對(duì)陶瓷部件焊接區(qū)域進(jìn)行金屬化處理，對(duì)非焊接區(qū)域進(jìn)行釉化處理。[1]

3.2 Kovar合金的加工

Kovar為鎳鈷合金材料，該合金在一定溫度范圍內(nèi)具有與陶瓷相近的線膨脹系數(shù)的特性，使之可與陶瓷材料能夠進(jìn)行有效的封接。

本項(xiàng)目首先對(duì)Kovar合金進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試合格后用專用模具沖制Kovar合金板材，制成焊接過渡體，在進(jìn)行焊接過渡體表面改性，具備焊接條件。[2]

3.3 焊料

陶瓷引出線采用二級(jí)焊料分別為BVAg-30、BVAg-8，其中BVAg-30釬料為一級(jí)釬料，成分構(gòu)成為Ag-Cu-Pd體系，焊接溫度為815~940℃，用于實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷與304不銹鋼法蘭的焊接。BV-Ag8釬料為二級(jí)釬料，成分構(gòu)成為Ag-Cu體系，其焊接溫度為780~820℃，用于實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷與C10100銅合金的焊接。研制主要包括焊料性能測(cè)試和焊料成形過程。

3.4 導(dǎo)電銅桿部件加工

按設(shè)計(jì)圖紙要求將銅合金桿加工完成，銅合金表面不允許存在砂眼等缺陷。[3]

3.5 裝配、多級(jí)釬焊、樣件性能測(cè)試

各部件制造完成后，進(jìn)行裝配、釬焊，焊接完成后，按技術(shù)要求對(duì)引出線試樣進(jìn)行水壓、氣密性等檢測(cè)。

4 配套陶瓷的研制

強(qiáng)度、韌性、致密度等性能直接影響陶瓷的耐壓、密封、壽命、可靠性等指標(biāo)。本項(xiàng)目采用了高純、超細(xì)（納米）氧化鋁粉體和熱等靜壓高溫高壓后處理技術(shù)，提升氧化鋁陶瓷性能指標(biāo)達(dá)到高強(qiáng)、高韌、高密度技術(shù)水平。[4]

本項(xiàng)目選用含量99.9%以上的Al2O3高純氧化鋁陶瓷，其原料粉體純度應(yīng)達(dá)到99.9%以上，制備工藝應(yīng)盡量減少陶瓷內(nèi)氣孔，其主要性能指標(biāo)見表2。[5]

表2 高純氧化鋁陶瓷性能參數(shù)

本項(xiàng)目中陶瓷為熱等靜壓后處理工藝生產(chǎn)的99.9％Al2O3瓷，純度高、結(jié)構(gòu)致密、基體內(nèi)基本不含玻璃相，這給金屬化帶來了難度；另一方面，本項(xiàng)目陶瓷在較低溫度下燒成，在接近1600℃時(shí)，陶瓷晶粒會(huì)急劇增大，這樣金屬化過程就會(huì)對(duì)陶瓷的強(qiáng)度等各方面性能產(chǎn)生不利影響，綜合各種因素，確定本項(xiàng)目陶瓷金屬化一次燒成溫度為1495℃~1505℃，據(jù)此來進(jìn)行陶瓷金屬化膏劑的配方試驗(yàn)。

陶瓷通過粉體燒結(jié)方法制備，其工藝過程包括坯體制備、坯體成型、燒結(jié)、加工及金屬化、上釉等過程，制備出陶瓷套管。

5 Kovar合金的研制

陶瓷引出線端子的焊接過渡體選擇Kovar合金材料，選用過渡合金的一個(gè)重要原則是在室溫至焊接溫度區(qū)間內(nèi)，過渡合金與陶瓷的熱膨脹變化盡可能一致。另外，陶瓷引出線焊接過渡體應(yīng)具有可耐高氣壓、水壓的要求，其化學(xué)特性、加工性能、合金致密性等方面也有較嚴(yán)苛要求。[6-7]

本項(xiàng)目過渡體選用鐵-鎳-鈷系kovar合金4J33，其化學(xué)成分見表3，性能指標(biāo)見表4。

6 焊接技術(shù)

6.1 釬料成分

陶瓷引出線端子密封連接件采用的二級(jí)焊料分別為BVAg-30、BVAg-8，其中BVAg-30釬料為一級(jí)釬料，成分構(gòu)成為Ag-Cu-Pd體系，焊接溫度為815℃~940℃，用于實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷與304不銹鋼法蘭的焊接。[8]BV-Ag8釬料為二級(jí)釬料，成分構(gòu)成為Ag-Cu體系，其焊接溫度為820℃~890℃，用于實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷與C10100銅合金的焊接，兩種釬料主要成分見表5。[9]

表3 4J33合金成分

表4 4J33合金性能指標(biāo)

表5 釬料成分

圖3 氧化鋁瓷熱膨脹曲線

6.2 焊接工藝

陶瓷作為一種脆性材料，與金屬焊接，二者的熱膨脹系數(shù)匹配是焊接強(qiáng)度、氣密性得以保證的關(guān)鍵，陶瓷與過渡片的線膨脹系數(shù)如圖5、圖6所示。國(guó)內(nèi)外理論和實(shí)踐顯示：陶瓷/金屬焊接件在承受高溫、高壓（水壓、氣壓）的條件下，陶瓷與封接金屬的熱膨脹系數(shù)（CTE）失配必須控制在5.0×10-7范圍內(nèi)。[10]為降低殘余應(yīng)力，必須采用一些特殊的釬焊工藝，如選用合適的材料、適當(dāng)?shù)臏囟燃氨貢r(shí)間等，本項(xiàng)目釬焊溫度一級(jí)釬焊溫度選擇在880℃～920℃之間，二級(jí)釬焊溫度在780℃～820℃之間，5～10min完成焊接，真空度優(yōu)于5×10-3Pa。

圖4 4J33合金熱膨脹曲線

7 樣品氣壓、水壓測(cè)試

按技術(shù)要求的規(guī)定，對(duì)制作的陶瓷引出線端子樣件進(jìn)行了氣壓檢漏、水壓檢測(cè)，結(jié)果見表6，表7。

表6 陶瓷引出線端子氣壓檢漏結(jié)果

注：多個(gè)樣件泄漏率，記錄最大和最小。

表7 陶瓷引出線端子水壓測(cè)試結(jié)果

8 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)陶瓷引出線端子樣件的制作及相關(guān)檢測(cè)，確認(rèn)了相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求的規(guī)定，證明了材料制備及焊接技術(shù)的可行性，本項(xiàng)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)主泵電機(jī)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

[1] 劉聯(lián)寶. 電真空器件的釬焊與陶瓷-金屬封接[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社出版, 1978.

[2] 高隴橋．陶瓷-金屬材料實(shí)用封接技術(shù)[M] ．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005．

[3] NEMA Standards Publication MG1 [S]. 2006.

[4] 浩宏奇, 金志浩, 王笑天. 氧化鋯陶瓷與不銹鋼釬焊的研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1995, 29(2): 85-89.

[5] 張文清, 趙彭生. 利用化學(xué)鍍實(shí)現(xiàn)Al2O3 陶瓷與金屬的連接[J]. 焊接技術(shù), 1999, 4 (2): 16-17.

[6] Matsuo Y, Ito M, Tanignch M. Ceramic-metal joining for automobiles[J]. Industrial Ceramics, 1999, 19(3): 203-207.

[7] Suganuman K, Okamoto T, Koizumi M, et al. Effect of thickness on direct bonding of silicon nitride to steel[J]. Am Ceram Soc, 1985, 68(12): 334- 335.

[8] Kang S et al. Issues in ceramic-to-metal joining: An investigation of brazing a silicon nitride-based ceramic to a low-expansion superalloy. Ceramic Bull, 1989, 8(9): 1608-1617.

[9] Andrew Cullison. Dissimilar Materials Joined by Brazing[J]. Welding Journal, 1999, 78(12) : 49-50.

[10] Fernie J A, Hanson WB. Best Practice for Producing Ceramic-Metal bonds[J]. Industrial Ceramics, 1999, 19 (3): 172-175.

Study of Terminal Gland of a Large Canned Motor for RCP

DIAO Limin1, 2

(1. Harbin Electric Power Equipment Company limited, Harbin 150040, China; 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

This paper presented the research and manufacturing process of the terminal gland of a large reactor coolant canned motor, performed the technology study of welding between ceramic and metal, based on some related research results of ceramics, metal, welding, etc. And produced a mockup of ceramic terminal gland, and take some related tests including hydrostatic test, gas tightness test, etc. As a result, the mockup is proved to be secure and reliable.

canned motor; terminal gland; study

TM275

A

1000-3983(2014)06-0032-04

2014-04-29

刁立民(1980-)，2003年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)在哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司從事電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作，高級(jí)工程師。

審稿人：孫玉田