高溫耐輻照電機用硅鋼片輻照試驗研究

劉 磊，畢可明，劉天才，馬譽寧，徐海軍，柴寶華

（中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413）

0 引言

目前，核反應堆、小型核動力裝置、航空航天等高科技領域?qū)﹄姍C的耐高溫性能和耐輻照的要求越來越高。硅鋼主要用作電機的鐵芯，電機定子鐵芯是構(gòu)成電機磁通回路和固定定子線圈的重要部件，在電機運行過程中起到導磁、匯集磁通的作用。

圖1 堆芯孔道布置Fig.1 Arrangement of reactor core duct

為防止鐵芯發(fā)生片間短路，硅鋼片絕緣漆的選擇顯得格外重要。隨著電機耐熱等級逐步提高，體積小型化以及使用的環(huán)境越來越嚴苛，對定子鐵芯硅鋼片絕緣在高溫輻照環(huán)境下提出了越來越高的要求，硅鋼片絕緣漆的性能要求也越來越嚴格[1-4]。

通過對硅鋼片表面噴涂以ZrO2為主的絕緣涂層，研制了耐溫500℃、耐輻照的硅鋼片。本文通過堆內(nèi)高溫試驗，驗證硅鋼片在240℃和500℃下的耐輻照性能及輻照后的機械性能。

1 輻照樣品和裝置

1.1 試驗堆和孔道輻照樣品

1.1.1 試驗堆

輻照試驗在中國原子能科學研究院49-2 泳池式輕水反應堆（簡稱“49-2 堆”）上開展，孔道選用堆內(nèi)D10 干孔道，位置如圖1 所示。

D10 孔道是位于反射層內(nèi)的垂直輻照孔道，尺寸為外徑（68mm）×壁厚（1.5 mm）。堆滿功率下的分項通量為熱中子：3.28×1013n/cm2·s，超熱中子：1.14×1013n/cm2·s，快中子：1.39×1013n/cm2·s，γ 射線：2.18×106Gy/h。

1.1.2 輻照樣品

1）硅鋼片樣品制作

耐輻照硅鋼片制作流程：①對硅鋼片用丙酮擦拭除油；②用白玉剛沙粒進行吹沙處理；③再次用丙酮擦拭；④預熱至150℃；⑤采用高能等離子體噴涂工藝進行噴涂；⑥自然冷卻。

圖2 輻照樣品結(jié)構(gòu)尺寸設計示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure and size design of irradiated sample

噴涂材料是以ZrO2為主的涂層材料。硅鋼片總厚度為0.35mm，單側(cè)涂層厚約10μm，結(jié)合強度（劃痕法）≥30N。

2）硅鋼片樣品結(jié)構(gòu)

結(jié)合試驗堆孔道的尺寸，硅鋼片輻照樣品的結(jié)構(gòu)尺寸[5-7]設計如圖2 所示。

1.2 輻照裝置

輻照裝置主要由輻照工藝管、輻照樣品罐、溫控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、氣體管線5 部分構(gòu)成。輻照工藝管為立式全密閉結(jié)構(gòu)，殼體材料為鋁制，內(nèi)部充滿一定壓力的氦氣；輻照樣品罐裝在輻照工藝管底部，主體為不銹鋼材料，具有加熱功能，用以模擬試驗要求的環(huán)境。裝置共設置6 個熱電偶溫度測點及2 個獨立加熱溫控區(qū)，由上至下分別為：1、2 區(qū)，溫度測量精確度優(yōu)于±1℃，溫控精度優(yōu)于±10℃。與獨立溫控區(qū)相對應，輻照樣品艙也分為A、B區(qū)。溫控系統(tǒng)根據(jù)試驗需求調(diào)節(jié)裝置內(nèi)樣品罐的溫度，在達到所需溫度并穩(wěn)定后，可進入自動溫控模式；測量系統(tǒng)用于在線測量硅鋼片的絕緣電阻；氣體管線與外界的氣體系統(tǒng)相連，可調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的壓力和氣體氛圍。輻照裝置構(gòu)成如圖3 所示。

2 試驗方案

2.1 試驗樣品安裝

每3 個樣品疊壓形成固定面積接觸區(qū)，樣品測量端彼此反向分開，以連接測量用引線，最外層的樣品不進行測量。A、B 兩區(qū)樣品艙共設有可在線測量的樣品4 對（共12 片），另每個樣品艙上有1 組樣品（共6 片）不進行在線測量，輻照后的樣品都用于后期外觀與ZrO2涂層附著力檢測。

圖3 輻照裝置組成Fig.3 Composition of irradiation device

2.2 試驗方案

2.2.1 輻照前調(diào)試

將輻照裝置樣品罐進行高溫除氧，其他部件用酒精或丙酮進行清潔，再進行整體組裝，組裝后進行絕緣電阻測量；對裝置進行氦檢和壓力檢測后，進行抽真空氦洗3 次，進行絕緣電阻測量；在常溫時，對輻照裝置進行抽真空，并進行絕緣電阻測量，再以100℃/h 的升溫速率加熱輻照樣品，每升溫50℃時保溫0.5h 抽真空，同時進行絕緣電阻測量，直至溫度為300℃；在300℃保溫1h 后，以100℃/h 的降溫速率將硅鋼片樣品降至常溫。調(diào)試完成后，輻照裝置內(nèi)充滿0.12MPa 氦氣。

2.2.2 輻照裝置入堆安裝

將輻照裝置整體調(diào)入D10 孔道，同時將測量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氣體管路在測試間安裝好，并將電纜和氣管穿過反應堆大廳貫穿孔；將輻照裝置與測試電纜和氣管連接；檢測測量系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氣體壓力值是否正常工作；調(diào)整裝置內(nèi)氦氣壓力，進行絕緣電阻測量；以100℃/h 的升溫速率加熱硅鋼片樣品直至300℃，并進行絕緣電阻測量；保持溫度在300℃，等待開堆。

2.2.3 在線測量

反應堆開堆至滿功率后，將A 區(qū)的加熱器以100℃/h 的速率停止加熱直至關閉，此時A 區(qū)熱電偶測量的是反應堆滿功率運行時的A 區(qū)樣品溫度值；同時，B 區(qū)加熱器以100℃/h 的升溫速率加熱至樣品為500℃，每隔4h 進行一次絕緣電阻測量。硅鋼片試驗樣品絕緣電阻測試電壓≥0.5V/DC，測量時，數(shù)字萬用表顯示值穩(wěn)定即可記錄，數(shù)字萬用表輸出凈值應≥5kΩ。

2.2.4 輻照后停堆

圖4 樣品安裝示意圖Fig.4 Sample installation diagram

輻照試驗結(jié)束后，在反應堆停堆前，此時A 區(qū)的加熱器開啟，保持樣品溫度為240℃。在反應堆開始停堆時，A區(qū)和B 區(qū)加熱器繼續(xù)工作，保持溫度為240℃和500℃，待反應堆停堆后，以100℃/h 的速率將硅鋼片樣品降至常溫。

2.2.5 輻照后檢驗

拆除測試電纜和氣管，將裝置內(nèi)壓力通過排氣閥降至0.1MPa。將輻照裝置整體從孔道吊出，放入儲存井。打開工藝管上段法蘭，將樣品罐調(diào)入轉(zhuǎn)移罐內(nèi)，運至熱室。在熱室內(nèi)，打開樣品罐，取出硅鋼片樣品，進行檢測[8,9]。

2.3 試驗步驟

1）輻照裝置裝入孔道后，進行功能性調(diào)試與檢測。

2）開堆前，常溫狀態(tài)下，對試驗件進行待檢參數(shù)測量。

3）開堆前，為抵抗快堆開堆產(chǎn)生的熱沖擊，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制升溫至300℃，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數(shù)測量。

4）開堆后至滿功率后，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制升溫至500℃，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數(shù)測量。

5）當試驗樣品溫度達到500℃并保持穩(wěn)定后，每4h進行一次試驗件待檢參數(shù)測量。

6）停堆后，輻照裝置以100℃/h 速率主動控制降溫至100℃后，關閉溫度控制自然冷卻至常溫，期間每100℃進行一次試驗件待檢參數(shù)測量。

7）輻照裝置出堆，輻照劑量降低至可操作值，對輻照裝置進行切割后，攝像機檢查試驗件外觀情況。

圖5 輻照試驗布置圖Fig.5 Radiation test layout

3 試驗結(jié)果

試驗過程中，為了驗證溫度對受同一劑量照射的輻照樣品的影響，A 區(qū)的硅鋼片未加熱，溫度為反應堆滿功率狀態(tài)下的實測溫度230℃，B 區(qū)樣品的溫度通過加熱器升溫至500℃±10℃。

試驗在反應堆滿功率狀態(tài)下共進行了170h，每隔4h在線測量一次絕緣電阻，累積劑量達到熱中子：2.00×1019n/cm2，超熱中子：6.96×1018n/cm2，快中子：8.48×1018n/cm2，γ 射線：3.70×108Gy。

1）絕緣電阻性能

從輻照試驗結(jié)果可以看出：①在240℃和500℃時，隨著累計劑量的增加，絕緣電阻值略有下降；②在同一累積劑量下，240℃硅鋼片比500℃下的絕緣電阻值高。

輻照試驗結(jié)束后，在240℃和500℃時，對硅鋼片樣品進行耐壓測試（100VDC，1min），樣品未擊穿，證明了硅鋼片樣品的耐壓性能良好。

2）機械性能

輻照后，將硅鋼片樣品從輻照裝置內(nèi)取出，進行機械性能檢測[13,14]。在熱室的高倍鏡下目視，樣品表面無裂紋、涂層無凸起；用機械手夾持樣品在外徑φ15 的陶瓷管上彎曲，彎曲后，硅鋼片表面涂層無裂紋、無碎屑等損傷；另將樣品放置在平臺上，用劃痕法測試涂層與硅鋼片的結(jié)合力，在30N 的力下，涂層表面有劃痕，在高倍放大鏡下觀察無裂痕。

表1 測量次數(shù)—累積劑量對應表Table 1 Measurement times-cumulative dose table

圖6 絕緣電阻測試結(jié)果圖Fig.6 Insulation resistance test result chart

4 結(jié)論

在49-2 堆上開展了高溫耐輻照電機用硅鋼片的輻照試驗，輻照裝置保證了試驗時所需的240℃、500℃、0.12MPa氦氣等環(huán)境，同時在線測量了硅鋼片的絕緣電阻性能。在輻照試驗過程中，各組硅鋼片具有較好的絕緣性能，而且絕緣電阻波動較?。粚桎撈^緣性能進行比較，可以得出硅鋼片在同一劑量水平下，溫度對絕緣性能的影響較小，可以忽略不計；輻照后目測硅鋼片，絕緣涂層無損傷；輻照后硅鋼片進行刮劃和高處摔落，無裂紋和碎屑。試驗證明，帶ZrO2絕緣涂層的硅鋼片在240℃和500℃高溫下絕緣性能和機械性能良好，且絕緣性能基本不受溫度影響，可用于高溫耐輻照電機中。