嵇永臣

（江苏核电有限公司，江苏连云港 222000）

0 引言

某核电机组设计4 台反应堆主冷却剂泵（以下简称“主泵”），靠水润滑的止推轴承承受由系统压力、水力部件及转子自重等联合产生的轴向力，而国内外其他类型的主泵止推轴承大多数采用油润滑。相比于油润滑，水润滑可以降低火灾风险，但在主泵启停期间的低转速区，由于水的承载力较低、推力轴承的摩擦系数较大，造成主泵启动困难和惰转性能的下降[1]。因此设计了卸载电磁铁来提供反向轴向力，减小轴向推力，从而减小轴承的摩擦力，提高轴承寿命。在实际运行过程中，由于质控和气蚀原因，仍会发生轴瓦磨损、损坏的事件，通过提高冷却水压力和投用卸载电磁铁的措施，可以有效缓解磨损[2]。

采用水润滑止推轴承的主泵，在卸载电磁铁壳体上压制了冷却回路保护罩，能够带出电磁铁运行时释放出来的热量，可满足长期投用的需求。但是长期带电运行期间，电磁铁的冷却回路换热效能有限，使线圈局部温度过高、绝缘层破损，进而导致匝间短路，线圈直阻和电压也会下降，无法提供足够的电磁力，甚至会导致主泵启动失败，所以在机组运行期间停运卸载电磁铁，但这加剧了推力轴瓦磨损。本文研究能够长期投运卸载电磁铁的方式，在电磁铁不发生匝间短路的情况下能以最大限度减缓轴瓦磨损。

1 项目简介

额定工况（15.3 MPa）时，主泵轴向力合力向上、约423.3 kN。在主泵停运过程中，叶轮液动力和轴承室压力逐渐降低至0，轴向力进一步上升到620.4 kN。卸载电磁铁产生的磁场，能够提供大于25 t 的向下轴向力（即245.2 kN），这样可以确保停泵期间主泵轴向力不会超过375.2 kN。

在额定工况下，如果电磁铁没有长期投运，则需要监测和预警轴承的磨损状态，根据磨损程度与产热量正相关的特性，因此引入轴承释热率λ：

式中 λ——主泵释热率，%

Tc——主泵径向止推轴承冷却水出口温度，℃

Tr——主泵径向止推轴承冷却水入口温度，℃

T——给定的冷却水进出口标准温差，℃

当释热率λ＞3%时显示报警，一旦释热率λ＞5%且2 h 不回落则停机检修。

某机组大修后更换了主泵推力轴瓦，机组启动后相关运行参数变化趋势如图1 所示。

图1 机组启动后主泵相关参数变化趋势

主泵释热率自从启机开始后10 d 跃迁3%左右，之后逐渐上升，主泵电功率也随之上升。观察同一阶段冷却水温度，冷却水温度变化与释热率变化无关联。可以看出，新更换的主泵轴瓦已有一定量的磨损，导致推力瓦与推力头之间的水膜出现承载力不稳定现象[3]，加剧轴瓦磨损。为了遏制释热率增长，保证轴瓦能够持续运行一个或多个换料周期，应投运卸载电磁铁缓解轴瓦磨损。

电磁铁的电磁力和电流存在线性关系，从图2 可以看出，适当降低电流强度，减少线圈产热量，在当前的换热条件下保证线圈局部温度不超过限值，防止出现匝间短路，同时最大限度发挥电磁铁的功效。因此，不仅要研究服役温度与老化失效的关系，还要研究运行电流与服役温度的关系。

图2 电磁铁拉力与电流的关系曲线

2 材料老化特性分析

电磁铁内部开槽布置线圈，外端面设有冷却水通道，线圈产生的热量主要通过热传导和热对流由冷却水带出（图3）。

图3 电磁铁局部剖面

线圈铜导线涂抹有机硅材料，提供匝间绝缘。在线槽内绕满铜导线后，灌封树脂类材料提供整体绝缘和固定。因有机硅材料是铜导线的直接绝缘，其老化效应是引起匝间短路的主要原因，因此对其老化特性进行分析。

2.1 老化特性

设计资料显示，有机硅材料为H 级绝缘，允许最高温度为180 ℃，绕组温升限值为135 ℃，推荐使用寿命为110 ℃下20 年。在电磁螺线管的运行工况下，主要受到电场和温度的老化应力影响。材料在热氧等应力的作用下，表面一般会出现凹坑、细小空洞、微裂纹，并且导致绝缘性能局部塌陷，最终在薄弱处发生击穿。热氧老化后的绝缘材料在电场作用下，其降解程度远大于单独的热氧老化或者单独电场放电[4]。由此可见，较之隔热保温的硅材料，用于绝缘场景的有机硅材料耐热氧性能要低得多，因此有必要分析其抗老化特性。

由于外供有机硅绝缘材料具体掺杂情况不明，其活化能值较难确定。通过查阅相关文献，硅/二氧化硅在介电击穿的作用机制下，其活化能在0.6～0.9 eV。

2.2 服役温度计算

有机硅绝缘材料在电场、温度场的作用下，符合Eyring 多因子老化模型[5]。由于工作电压基本一致，服役寿命比可简化为如下的Arrhenius 热力学方式。服役温度来自于环境温度和线圈通电时的自温升。

式中 t1——正常老化寿命，月

t2——加速老化寿命，月

T1——正常老化温度，℃

T2——加速老化温度，℃

R——玻尔兹曼常数，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）失效时限的服役温度推算。线圈直阻在服役8 个月开始急剧变化，可以判断有机硅材料开始失效。基于上述老化特性，推算出材料失效周期内的实际服役温度，并与温度场分析进行比对，反溯其失效期间的工况。根据设计方提供的有机硅绝缘材料20 年110 ℃服役工况与8 个月失效工况的加速关系，取活化能0.6 eV，代入式（2），可知其在实际服役8 个月中薄弱点温度为198 ℃。

（2）无故障时限的温度限值推算。根据上述方式，按照一个燃料循环（18 个月）、两个燃料循环（36 个月）的运行限期推算其合理的温度限值，计算结果如表1 所示。

表1 电磁铁相关运行参数

3 仿真分析

3.1 建模

考虑到环形线圈的温度梯度变化更多的是沿着轴向变化，环向变化相对较小，本文选取1/2 电磁铁进行建模。正常工况下电磁铁的相关运行参数见表2，其中铜线表面涂抹有机硅绝缘材料，有机硅热阻较大但其厚度极小，因此考虑将铜线与有机硅作为整体考虑。经加权后，该部分热阻为392.9 W/（m·℃）。

表2 电磁铁相关运行参数

冷却水温升较小，对于结果影响不大，冷却通道的对流系数大，因此将最高冷却水出口温度作为恒温壁面，根据电磁铁的发热量折合成内部生成热作为边界条件，设置好相关的材料属性。

3.2 结果分析

在稳定工作电流17.8 A 时，电磁铁的温度梯度分布如图4所示。最高温度出现点位于线圈内部，温度为138.15 ℃，与设计方给出的绕组温升限值135 ℃相差较小，说明模型与设计工况吻合度较高。

图4 基础工况下水冷电磁铁温度仿真结果

树脂导热系数很小，直接影响电磁铁的散热，上述模型中树脂层厚度为理论计算值，实际浇灌过程中会导致厚度存在偏差，从而导致线圈内部温度偏高。当树脂层由2.79 mm 翻倍时（恶化工况），线圈内最高温度将达到190.72 ℃，与上文中失效时限的服役温度相当，因此可以推测存在缺陷的电磁铁换热能力较弱（图5）。

图5 恶化工况下水冷电磁铁温度仿真结果

基于上述模型，增加冷缺水换热面积后仿真结果如图6，最高温度为179.88 ℃，降低约10.84 ℃，可以看出改善冷却回路有助于降低内部温度。

图6 增加冷却面积后水冷电磁铁温度仿真结果

对不同运行电流下电磁铁温度分布进行模拟，求取最高温度。从图7 可以看出，树脂浇灌质量和较大的运行电流都会导致线圈局部温度升高。

图7 运行电流与线圈最高温度关系

根据式（2）计算出该运行温度条件下的运行寿命，从图8 可以看出，降低运行电流和控制树脂层厚度可以提高运行寿命。因此，可结合电磁铁更换周期和轴瓦磨损情况选择最优的运行电流，实现安全和经济运行。

图8 运行电流与运行寿命关系

3.3 小结

由上面的分析可知，该电磁铁存在的设计和材料缺陷有如下3 个具体表现。

（1）冷却回路布置不合理，仅能对线圈外围进行冷却，且换热面积小，导致电磁铁冷却效果较差。

（2）材料选择不合理，浇灌的树脂材料具有较高的强度、绝缘和耐热性能，但其低热导率无法将热量迅速传递，一旦灌封工艺出现偏差则会对换热影响极大。

（3）有机硅绝缘层耐热性能较差，容易因温度超限导致开裂，触发匝间短路甚至磁通变化，放热加剧局部温升，最终导致电磁体失效。

针对存在恶化工况的电磁铁，当前可以适当降低运行电流以提高运行寿命，保证电磁铁运行时长能够支撑到机组换料大修。从长远来看，还可以开展电磁铁国产化研制，主要包括两个方面：一是选择已成熟应用的绝缘涂料层和复合树脂材料，在强度、绝缘和耐热等性能优良的基础上，优化其热膨胀系数、热导率；二是通过热力建模合理设计冷却回路，在不改变尺寸结构和冷却水等接口关系的前提下，优化电磁铁内部的温度分布。

4 结论

本文从主泵卸载电磁铁的功能、运行特性等方面分析了水润滑的主泵推力轴瓦磨损与卸载电磁铁投运的联系，通过对电磁铁中有机硅和树脂的材料老化分析，找出不同温度与运行寿命之间的关系；再通过建模仿真，从冷却、材料热阻、电流大小等方面分析了电磁铁传热特性，找出可能影响温度升高的原因。主泵电磁铁在国内应用较少，如何实现卸载电磁铁长期稳定运行是主泵行业运行多年一直未解决或分析透彻的难题，文中所述虽不完全正确，但为后续遇到同类电磁铁长期运行时电流调整和国产化替代研究提供一定的参考价值，相信在国内行业同仁不断研究下，这一难题终究会得到解决。