大型主泵電機引出線端子研究

刁立民

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大型主泵電機引出線端子研究

刁立民1, 2

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京102206）

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

屏蔽電機；引出線；研究

0 前言

隨著國家“十一五”建設和2020年長遠發展規劃對能源結構的調整，我國將大力發展核電和可再生能源開發。本項目屏蔽電動機是大型先進壓水堆核電站的重要設備，其安全性、可靠性、先進性和設備國產化程度受到各方面的關注。

1 主泵概述

本項目反應堆冷卻劑泵是核蒸汽供應系統主回路中的能動部件，采用屏蔽電機泵形式，其主要由兩部分構成，即水力部件和屏蔽電機部件，水力部件包括泵殼、葉輪、導葉等部件，屏蔽電機為立式三相異步屏蔽式電動機，電機上下安裝有2個大慣量飛輪，電機功率5450kW、6900V電壓、60Hz電源驅動電機，主要技術參數見表1，結構形式如圖1所示。

2 引出線端子技術要求

為保證屏蔽電機繞組腔的密封和安全性能，主泵電機引出線采用陶瓷端子結構，這項技術是主泵屏蔽電機的先進技術和關鍵技術，然而美國方面技術轉讓方采取在其國內配套采購該部件，中方未能完整獲得該部件技術轉讓，為達到主泵電機國產化要求，開展了陶瓷引出線的技術研究工作。

表1 反應堆冷卻劑泵技術參數

研究內容主要從原材料制備、焊接技術、檢測技術等方面開展工作，陶瓷引出線端子結構如圖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，保證電機繞組腔室密閉，因此需要對陶瓷端子進行水壓、氣密檢測試驗，同時為保證導電要求，需進行電絕緣測試，具體要求如下。

2.1 耐水壓試驗

室溫時，通過專用工裝在引出線端子內側加水壓至22MPa，保壓大于25min，外側無滲漏現象發生即為合格。

圖1 反應堆冷卻劑泵結構示意圖

圖 2

2.2 氣密性試驗

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

2.3 電絕緣試驗

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

3 端子制造的工藝過程

3.1 陶瓷制備

陶瓷采用細晶氧化鋁材料制成，首先對材料進行性能測試，測試合格后對絕緣陶瓷部件進行加工，加工完成后對陶瓷部件焊接區域進行金屬化處理，對非焊接區域進行釉化處理。[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具有與陶瓷相近的線膨脹系數的特性，使之可與陶瓷材料能夠進行有效的封接。

本項目首先對Kovar合金進行性能測試，測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焊料分別為BVAg-30、BVAg-8，其中BVAg-30釬料為一級釬料，成分構成為Ag-Cu-Pd體系，焊接溫度為815~940℃，用于實現氧化鋁陶瓷與304不銹鋼法蘭的焊接。BV-Ag8釬料為二級釬料，成分構成為Ag-Cu體系，其焊接溫度為780~820℃，用于實現氧化鋁陶瓷與C10100銅合金的焊接。研制主要包括焊料性能測試和焊料成形過程。

3.4 導電銅桿部件加工

按設計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、多級釬焊、樣件性能測試

各部件制造完成后，進行裝配、釬焊，焊接完成后，按技術要求對引出線試樣進行水壓、氣密性等檢測。

4 配套陶瓷的研制

強度、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。本項目采用了高純、超細（納米）氧化鋁粉體和熱等靜壓高溫高壓后處理技術，提升氧化鋁陶瓷性能指標達到高強、高韌、高密度技術水平。[4]

本項目選用含量99.9%以上的Al2O3高純氧化鋁陶瓷，其原料粉體純度應達到99.9%以上，制備工藝應盡量減少陶瓷內氣孔，其主要性能指標見表2。[5]

表2 高純氧化鋁陶瓷性能參數

本項目中陶瓷為熱等靜壓后處理工藝生產的99.9％Al2O3瓷，純度高、結構致密、基體內基本不含玻璃相，這給金屬化帶來了難度；另一方面，本項目陶瓷在較低溫度下燒成，在接近1600℃時，陶瓷晶粒會急劇增大，這樣金屬化過程就會對陶瓷的強度等各方面性能產生不利影響，綜合各種因素，確定本項目陶瓷金屬化一次燒成溫度為1495℃~1505℃，據此來進行陶瓷金屬化膏劑的配方試驗。

陶瓷通過粉體燒結方法制備，其工藝過程包括坯體制備、坯體成型、燒結、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重要原則是在室溫至焊接溫度區間內，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具有可耐高氣壓、水壓的要求，其化學特性、加工性能、合金致密性等方面也有較嚴苛要求。[6-7]

本項目過渡體選用鐵-鎳-鈷系kovar合金4J33，其化學成分見表3，性能指標見表4。

6 焊接技術

6.1 釬料成分

陶瓷引出線端子密封連接件采用的二級焊料分別為BVAg-30、BVAg-8，其中BVAg-30釬料為一級釬料，成分構成為Ag-Cu-Pd體系，焊接溫度為815℃~940℃，用于實現氧化鋁陶瓷與304不銹鋼法蘭的焊接。[8]BV-Ag8釬料為二級釬料，成分構成為Ag-Cu體系，其焊接溫度為820℃~890℃，用于實現氧化鋁陶瓷與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

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，二者的熱膨脹系數匹配是焊接強度、氣密性得以保證的關鍵，陶瓷與過渡片的線膨脹系數如圖5、圖6所示。國內外理論和實踐顯示：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（CTE）失配必須控制在5.0×10-7范圍內。[10]為降低殘余應力，必須采用一些特殊的釬焊工藝，如選用合適的材料、適當的溫度及保溫時間等，本項目釬焊溫度一級釬焊溫度選擇在880℃～920℃之間，二級釬焊溫度在780℃～820℃之間，5～10min完成焊接，真空度優于5×10-3Pa。

圖4 4J33合金熱膨脹曲線

7 樣品氣壓、水壓測試

按技術要求的規定，對制作的陶瓷引出線端子樣件進行了氣壓檢漏、水壓檢測，結果見表6，表7。

表6 陶瓷引出線端子氣壓檢漏結果

注：多個樣件泄漏率，記錄最大和最小。

表7 陶瓷引出線端子水壓測試結果

8 結語

通過對陶瓷引出線端子樣件的制作及相關檢測，確認了相關測試數據符合技術要求的規定，證明了材料制備及焊接技術的可行性，本項技術對于實現主泵電機技術國產化具有重要意義。

[1] 劉聯寶. 電真空器件的釬焊與陶瓷-金屬封接[M].北京: 國防工業出版社出版, 1978.

[2] 高隴橋．陶瓷-金屬材料實用封接技術[M] ．北京: 化學工業出版社, 2005．

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

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[5] 張文清, 趙彭生. 利用化學鍍實現Al2O3 陶瓷與金屬的連接[J]. 焊接技術, 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年畢業于沈陽工業大學電機專業，現在哈爾濱電氣動力裝備有限公司從事電機設計開發工作，高級工程師。

審稿人：孫玉田