韓雪華 陳 晨

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司）

0 引言

中壓電機(jī)是核電廠各種流體系統(tǒng) “主動(dòng)脈”上的動(dòng)力裝置，對(duì)核電站正常運(yùn)行和事故應(yīng)急至關(guān)重要。核電廠通常需儲(chǔ)備中壓電機(jī)備件，但因原制造廠停產(chǎn)、原進(jìn)口電機(jī)價(jià)格過(guò)高等原因，運(yùn)營(yíng)電廠可考慮國(guó)產(chǎn)化替代。運(yùn)營(yíng)電廠的在役中壓電機(jī)，因其系統(tǒng)設(shè)計(jì)接口邊界已經(jīng)在工程建設(shè)階段定型，所以國(guó)產(chǎn)化替代的限制條件很多，需全面考慮機(jī)電及土建等各方面的適用性。本文結(jié)合某CPR1000核電機(jī)組重要廠用水 （SEC）系統(tǒng)中壓電機(jī) （以下簡(jiǎn)稱SEC電機(jī)）的國(guó)產(chǎn)化工作，闡述了運(yùn)營(yíng)核電廠中壓電機(jī)的設(shè)計(jì)選型和評(píng)估的要點(diǎn)及方法，旨在為核電站中壓電機(jī)選型提供借鑒。

1 國(guó)產(chǎn)化技術(shù)過(guò)程綜述

針對(duì)運(yùn)營(yíng)電廠進(jìn)口核安全級(jí)中壓電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)過(guò)程，主要涉及搜集整理原始設(shè)計(jì)要求、國(guó)產(chǎn)化方案設(shè)計(jì)，以及后續(xù)的三個(gè)評(píng)估階段，包括國(guó)產(chǎn)化方案基本參數(shù)評(píng)估、鑒定規(guī)范符合性評(píng)估、與泵組及水泥基礎(chǔ)的匹配性評(píng)估。本文著重介紹立式中壓電機(jī) （冷卻方式IC511）的上述三個(gè)階段的評(píng)估工作的要點(diǎn)和方法。

2 基本參數(shù)設(shè)計(jì)與評(píng)估

2.1 主機(jī)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)與評(píng)估

額定電壓、功率、接線方式、工作制、旋轉(zhuǎn)方向、安裝方式、冷卻方式：與原始物項(xiàng)保持一致。

額定轉(zhuǎn)速：如與原始物項(xiàng)保持一致，須評(píng)價(jià)對(duì)揚(yáng)程和流量的影響。

額定電流和啟動(dòng)電流：如與原始物項(xiàng)保持一致，須評(píng)價(jià)電源回路過(guò)載保護(hù)裝置的匹配性，并在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)調(diào)整保護(hù)裝置定值。

最大轉(zhuǎn)矩：如有變化，需評(píng)估是否滿足負(fù)載設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。

絕緣等級(jí)：不低于F級(jí)絕緣。

防護(hù)等級(jí)：通常選用IP55 IK07即可，否則須滿足RCCEE3240章節(jié)規(guī)定。

防爆等級(jí)：電機(jī)有防爆要求時(shí)需考慮，須滿足現(xiàn)場(chǎng)爆炸性氣體環(huán)境特征。

是否變頻調(diào)速電機(jī)：如需要變頻調(diào)速，須有針對(duì)性地設(shè)計(jì)電機(jī)絕緣材料和冷卻方式。

2.2 功能附件性能參數(shù)的設(shè)計(jì)與評(píng)估

軸承類型：盡可能與原始電機(jī)保持一致，方便與現(xiàn)役電機(jī)備件統(tǒng)一。

潤(rùn)滑油脂型號(hào)及潤(rùn)滑周期：如與原始物項(xiàng)保持一致，需提醒維護(hù)部門(mén)修改維修規(guī)程。

加熱器規(guī)格：加熱器工作電源電壓應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)電源一致；加熱器功率由電機(jī)廠家根據(jù)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求決定。原始電機(jī)如果配置了加熱器電源指示燈，替代電機(jī)也應(yīng)配置。

加熱器溫控裝置：分為預(yù)埋式和外置式。預(yù)埋式位于電機(jī)定子內(nèi)部，失效后更換時(shí)需要電機(jī)解體，建議采用外置式。

防滴水帽：立式安裝時(shí)需考慮。

繞組溫度探頭和軸承溫度探頭：溫度探頭的類型有熱電偶和熱電阻，涉及與下游控制系統(tǒng)的信號(hào)處理裝置的匹配性，所以，探頭的類型和數(shù)量需與原始電機(jī)一致。熱電阻又分為三線制和四線制，四線制可包絡(luò)三線制，多出的線不接即可。

2.3 接口尺寸的設(shè)計(jì)與評(píng)估

重量及重心位置：重量和重心位置以不高于原始電機(jī)為宜。但國(guó)產(chǎn)電機(jī)往往重于進(jìn)口電機(jī)，核級(jí)電機(jī)及其負(fù)載有抗震要求，故需要對(duì)新電機(jī)增重評(píng)估泵組和水泥基礎(chǔ)的抗震性能，詳見(jiàn)第4節(jié)。

中心高、軸伸尺寸和法蘭尺寸：須與原始電機(jī)保持一致。

吊耳數(shù)量與位置：吊耳的數(shù)量和分布，應(yīng)確保吊裝時(shí)易于保持電機(jī)平衡。吊耳的尺寸應(yīng)能確保與電機(jī)重量相當(dāng)?shù)牡趵K穿過(guò)。

機(jī)殼接地螺栓位置與規(guī)格：與原始物項(xiàng)一致時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要調(diào)整或更換接地線及端子。

外形尺寸：包括電機(jī)整體的長(zhǎng)寬高尺寸，中性線接線盒、主電源接線盒、加熱器接線盒、溫度探頭接線盒的位置與尺寸。盡量與原始物項(xiàng)一致，否則須評(píng)估：現(xiàn)場(chǎng)電纜長(zhǎng)度是否足夠、電纜外徑是否能穿過(guò)接線盒電纜格蘭、接線盒是否與現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備相抵觸、接線盒的位置是否便于操作和維護(hù)等。

3 鑒定規(guī)范符合性評(píng)估

核級(jí)電機(jī)執(zhí)行核安全功能，屬于 《民用核安全設(shè)備目錄》監(jiān)管范圍，核電廠運(yùn)營(yíng)方必須嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卮_認(rèn)和評(píng)估國(guó)產(chǎn)化方案是否滿足鑒定要求。以RCCE K3鑒定等級(jí)為例，鑒定內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定和抗地震鑒定。鑒定方法包括分析法、試驗(yàn)法、或綜合法。本文結(jié)合SEC電機(jī)的鑒定評(píng)估實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)分析法的適用范圍和方法進(jìn)行總結(jié)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定

如果電機(jī)廠已經(jīng)有通過(guò)鑒定的原型機(jī)，即與國(guó)產(chǎn)化替代方案在設(shè)計(jì)、工藝、制造等方面相近的已經(jīng)通過(guò)鑒定試驗(yàn)的某規(guī)格樣機(jī)，可通過(guò)與原型機(jī)的對(duì)比和分析，評(píng)估替代方案是否滿足鑒定要求，要點(diǎn)如下：

詳細(xì)分析說(shuō)明替代方案與原型機(jī)在結(jié)構(gòu)、材料和元器件、制造工藝、參數(shù)性能等方面的差異。對(duì)應(yīng)于原型機(jī)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量鑒定試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)條件、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)結(jié)論，逐條分析論證替代方案可否滿足這些試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和鑒定結(jié)論。

對(duì)于某個(gè)鑒定內(nèi)容，如果分析過(guò)程的證據(jù)理由不充分，電機(jī)廠應(yīng)制造樣機(jī)通過(guò)試驗(yàn)的方法進(jìn)行鑒定?？紤]到鑒定試驗(yàn)中各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目之間存在邏輯順序，某個(gè)試驗(yàn)的實(shí)施，可能必須在完成某些其他鑒定試驗(yàn)后才能進(jìn)行，這樣才能維持應(yīng)有的試驗(yàn)嚴(yán)酷程度。

相對(duì)于原型機(jī)，如果替代方案本身 （設(shè)計(jì)、部件、特性等）或它的制造 （工序、檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)性質(zhì)等）發(fā)生變更，應(yīng)按照RCC－E B1200和B1400進(jìn)行變更管理。

3.2 抗震鑒定

核電站安全系統(tǒng)使用的1E級(jí)電動(dòng)機(jī)在安全停堆地震 （SSE）期間及地震后應(yīng)該能夠繼續(xù)運(yùn)行。如果替代物項(xiàng)有鑒定原型機(jī)，分析認(rèn)為原型機(jī)的抗震試驗(yàn)結(jié)論能在較大程度上說(shuō)明替代方案具備抗震能力，則可以通過(guò)抗震計(jì)算的方法從理論上驗(yàn)證電機(jī)的抗震性能，要點(diǎn)如下：

分析計(jì)算電機(jī)及其部件的頻率響應(yīng)和地震載荷下的抗震特性。

采用ANSYS軟件為電機(jī)整體以及主要部件的模態(tài)分析建立有限元模型，確認(rèn)電機(jī)整體及轉(zhuǎn)子、定子等部件的一階頻率均高于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，以避免因轉(zhuǎn)動(dòng)部件的振動(dòng)引發(fā)共振。

抗震計(jì)算時(shí)考慮的載荷包括自重、扭矩、電磁力和地震載荷。根據(jù)RCC－M規(guī)范確定正常工況、異常工況和事故工況下相應(yīng)的載荷組合、準(zhǔn)則級(jí)別以及各部件材料的基本許用應(yīng)力，評(píng)定電機(jī)抗震性能。

計(jì)算轉(zhuǎn)子的最大形變量，分析轉(zhuǎn)子氣隙的安全裕度。

校驗(yàn)電機(jī)固定螺栓的機(jī)械強(qiáng)度、軸承強(qiáng)度及軸承壽命。

4 與泵組及水泥基礎(chǔ)的匹配性評(píng)估

對(duì)于立式電機(jī)，通常電機(jī)通過(guò)支架座落于泵體之上，形成 “泵體＋電機(jī)支架 ＋電機(jī)”的縱向整體（簡(jiǎn)稱 “泵組”）。以CPR1000核電站機(jī)組的SEC泵組為例，該泵組又通過(guò)泵體上的三個(gè)支撐腳座落于三個(gè)水泥支墩上。電機(jī)增重顯著時(shí)，還要對(duì)泵體、電機(jī)支架、水泥基礎(chǔ)及錨具進(jìn)行抗震計(jì)算。

4.1 泵組固有頻率評(píng)估

目的是確保設(shè)計(jì)方案安裝后不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)泵組 （泵＋電機(jī)支架＋電機(jī)）進(jìn)行3D建模計(jì)算，獲取泵組整體的前三階固有頻率，并與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)頻率比較，安全裕度不小于15%；再與泵體運(yùn)行時(shí)的水力激勵(lì)頻率進(jìn)行比較，安全裕度不小于15%；水力激勵(lì)頻率＝葉片數(shù)量*電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率。

圖1 SEC泵組 （泵＋電機(jī)支架＋電機(jī)）3D模型及水泥支墩分布

4.2 電機(jī)固定螺栓及支架強(qiáng)度核算

首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行受力分析，包括地震加速度施加的地震載荷，電機(jī)負(fù)載最大反作用扭矩。接著評(píng)估固定螺栓的適用性，目的在于確保電機(jī)不能滑動(dòng)、不能傾覆。然后建模分析電機(jī)支架強(qiáng)度的適用性。

4.3 泵的水泥基礎(chǔ)及錨具計(jì)算

4.3.1 施加到基礎(chǔ)上的載荷計(jì)算

為核算水泥基礎(chǔ)及錨具的強(qiáng)度，需要計(jì)算施加到基礎(chǔ)上的載荷。載荷包括：重力 （包括泵體及其中的水、支架及電機(jī)的重量）、扭矩引起的電機(jī)動(dòng)態(tài)載荷、施加在泵出口法蘭的NNL載荷、施加在泵入口法蘭的載荷、出口管道破裂引起的載荷、地震加速度引起的載荷。

每一種載荷情況都單獨(dú)計(jì)算，根據(jù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范中的載荷組合類型，運(yùn)用疊加原理確定最嚴(yán)酷的載荷組合。經(jīng)過(guò)計(jì)算，SEC泵組在地震作用下 （即事故工況）對(duì)支墩產(chǎn)生的最大載荷如下表。

表1 某核電廠SEC泵組事故工況下對(duì)支墩的最大載荷

4.3.2 錨具和水泥基礎(chǔ)的應(yīng)力分析

對(duì)于SEC泵組而言，其基座支腳通過(guò)若干螺栓和定位銷固定在底板上，底板通過(guò)錨定螺栓和剪應(yīng)力管被錨定進(jìn)混凝土中。水平載荷通過(guò)定位銷／剪應(yīng)力管剪應(yīng)力、螺栓預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行吸納。Z向力通過(guò)螺栓吸納。據(jù)此可評(píng)估定位銷、剪應(yīng)力管及螺栓的應(yīng)力。根據(jù)水泥支墩的配筋數(shù)量和規(guī)格，計(jì)算每個(gè)支墩分別在向下的壓力和水平載荷作用下，向上的拉力和水平載荷作用下的鋼筋應(yīng)力，然后與其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較。

5 結(jié)束語(yǔ)

中壓電機(jī)的國(guó)產(chǎn)化更換工作涉及接口多，需要評(píng)估的內(nèi)容多且技術(shù)難度大，需要電機(jī)廠家提供精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，盡可能避免設(shè)計(jì)返工、評(píng)估返工。電機(jī)廠須嚴(yán)格按照已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制造，同時(shí)運(yùn)營(yíng)方應(yīng)重視電機(jī)監(jiān)造工作，在制造過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。希望本文能為廣大同行提供借鑒，不斷提高國(guó)內(nèi)核電站的國(guó)產(chǎn)化水平。