商运核电厂安全级中压电机的国产化设计与评估

韩雪华 陈 晨

（中广核核电运营有限公司）

0 引言

中压电机是核电厂各种流体系统 “主动脉”上的动力装置，对核电站正常运行和事故应急至关重要。核电厂通常需储备中压电机备件，但因原制造厂停产、原进口电机价格过高等原因，运营电厂可考虑国产化替代。运营电厂的在役中压电机，因其系统设计接口边界已经在工程建设阶段定型，所以国产化替代的限制条件很多，需全面考虑机电及土建等各方面的适用性。本文结合某CPR1000核电机组重要厂用水 （SEC）系统中压电机 （以下简称SEC电机）的国产化工作，阐述了运营核电厂中压电机的设计选型和评估的要点及方法，旨在为核电站中压电机选型提供借鉴。

1 国产化技术过程综述

针对运营电厂进口核安全级中压电机的国产化技术过程，主要涉及搜集整理原始设计要求、国产化方案设计，以及后续的三个评估阶段，包括国产化方案基本参数评估、鉴定规范符合性评估、与泵组及水泥基础的匹配性评估。本文着重介绍立式中压电机 （冷却方式IC511）的上述三个阶段的评估工作的要点和方法。

2 基本参数设计与评估

2.1 主机性能参数的设计与评估

额定电压、功率、接线方式、工作制、旋转方向、安装方式、冷却方式：与原始物项保持一致。

额定转速：如与原始物项保持一致，须评价对扬程和流量的影响。

额定电流和启动电流：如与原始物项保持一致，须评价电源回路过载保护装置的匹配性，并在现场安装时调整保护装置定值。

最大转矩：如有变化，需评估是否满足负载设备的设计要求。

绝缘等级：不低于F级绝缘。

防护等级：通常选用IP55 IK07即可，否则须满足RCCEE3240章节规定。

防爆等级：电机有防爆要求时需考虑，须满足现场爆炸性气体环境特征。

是否变频调速电机：如需要变频调速，须有针对性地设计电机绝缘材料和冷却方式。

2.2 功能附件性能参数的设计与评估

轴承类型：尽可能与原始电机保持一致，方便与现役电机备件统一。

润滑油脂型号及润滑周期：如与原始物项保持一致，需提醒维护部门修改维修规程。

加热器规格：加热器工作电源电压应与现场电源一致；加热器功率由电机厂家根据电机内部结构要求决定。原始电机如果配置了加热器电源指示灯，替代电机也应配置。

加热器温控装置：分为预埋式和外置式。预埋式位于电机定子内部，失效后更换时需要电机解体，建议采用外置式。

防滴水帽：立式安装时需考虑。

绕组温度探头和轴承温度探头：温度探头的类型有热电偶和热电阻，涉及与下游控制系统的信号处理装置的匹配性，所以，探头的类型和数量需与原始电机一致。热电阻又分为三线制和四线制，四线制可包络三线制，多出的线不接即可。

2.3 接口尺寸的设计与评估

重量及重心位置：重量和重心位置以不高于原始电机为宜。但国产电机往往重于进口电机，核级电机及其负载有抗震要求，故需要对新电机增重评估泵组和水泥基础的抗震性能，详见第4节。

中心高、轴伸尺寸和法兰尺寸：须与原始电机保持一致。

吊耳数量与位置：吊耳的数量和分布，应确保吊装时易于保持电机平衡。吊耳的尺寸应能确保与电机重量相当的吊绳穿过。

机壳接地螺栓位置与规格：与原始物项一致时，现场安装时需要调整或更换接地线及端子。

外形尺寸：包括电机整体的长宽高尺寸，中性线接线盒、主电源接线盒、加热器接线盒、温度探头接线盒的位置与尺寸。尽量与原始物项一致，否则须评估：现场电缆长度是否足够、电缆外径是否能穿过接线盒电缆格兰、接线盒是否与现场其他设备相抵触、接线盒的位置是否便于操作和维护等。

3 鉴定规范符合性评估

核级电机执行核安全功能，属于 《民用核安全设备目录》监管范围，核电厂运营方必须严谨地确认和评估国产化方案是否满足鉴定要求。以RCCE K3鉴定等级为例，鉴定内容包括标准质量鉴定和抗地震鉴定。鉴定方法包括分析法、试验法、或综合法。本文结合SEC电机的鉴定评估实践经验，对分析法的适用范围和方法进行总结。

3.1 标准质量鉴定

如果电机厂已经有通过鉴定的原型机，即与国产化替代方案在设计、工艺、制造等方面相近的已经通过鉴定试验的某规格样机，可通过与原型机的对比和分析，评估替代方案是否满足鉴定要求，要点如下：

详细分析说明替代方案与原型机在结构、材料和元器件、制造工艺、参数性能等方面的差异。对应于原型机标准质量鉴定试验内容、试验条件、验收标准和试验结论，逐条分析论证替代方案可否满足这些试验的验收标准和鉴定结论。

对于某个鉴定内容，如果分析过程的证据理由不充分，电机厂应制造样机通过试验的方法进行鉴定。考虑到鉴定试验中各个试验项目之间存在逻辑顺序，某个试验的实施，可能必须在完成某些其他鉴定试验后才能进行，这样才能维持应有的试验严酷程度。

相对于原型机，如果替代方案本身 （设计、部件、特性等）或它的制造 （工序、检验方法和检验性质等）发生变更，应按照RCC－E B1200和B1400进行变更管理。

3.2 抗震鉴定

核电站安全系统使用的1E级电动机在安全停堆地震 （SSE）期间及地震后应该能够继续运行。如果替代物项有鉴定原型机，分析认为原型机的抗震试验结论能在较大程度上说明替代方案具备抗震能力，则可以通过抗震计算的方法从理论上验证电机的抗震性能，要点如下：

分析计算电机及其部件的频率响应和地震载荷下的抗震特性。

采用ANSYS软件为电机整体以及主要部件的模态分析建立有限元模型，确认电机整体及转子、定子等部件的一阶频率均高于电机转动频率，以避免因转动部件的振动引发共振。

抗震计算时考虑的载荷包括自重、扭矩、电磁力和地震载荷。根据RCC－M规范确定正常工况、异常工况和事故工况下相应的载荷组合、准则级别以及各部件材料的基本许用应力，评定电机抗震性能。

计算转子的最大形变量，分析转子气隙的安全裕度。

校验电机固定螺栓的机械强度、轴承强度及轴承寿命。

4 与泵组及水泥基础的匹配性评估

对于立式电机，通常电机通过支架座落于泵体之上，形成 “泵体＋电机支架 ＋电机”的纵向整体（简称 “泵组”）。以CPR1000核电站机组的SEC泵组为例，该泵组又通过泵体上的三个支撑脚座落于三个水泥支墩上。电机增重显著时，还要对泵体、电机支架、水泥基础及锚具进行抗震计算。

4.1 泵组固有频率评估

目的是确保设计方案安装后不会出现共振现象。通过对泵组 （泵＋电机支架＋电机）进行3D建模计算，获取泵组整体的前三阶固有频率，并与电机正常运行时的旋转频率比较，安全裕度不小于15%；再与泵体运行时的水力激励频率进行比较，安全裕度不小于15%；水力激励频率＝叶片数量*电机旋转频率。

图1 SEC泵组 （泵＋电机支架＋电机）3D模型及水泥支墩分布

4.2 电机固定螺栓及支架强度核算

首先对电机进行受力分析，包括地震加速度施加的地震载荷，电机负载最大反作用扭矩。接着评估固定螺栓的适用性，目的在于确保电机不能滑动、不能倾覆。然后建模分析电机支架强度的适用性。

4.3 泵的水泥基础及锚具计算

4.3.1 施加到基础上的载荷计算

为核算水泥基础及锚具的强度，需要计算施加到基础上的载荷。载荷包括：重力 （包括泵体及其中的水、支架及电机的重量）、扭矩引起的电机动态载荷、施加在泵出口法兰的NNL载荷、施加在泵入口法兰的载荷、出口管道破裂引起的载荷、地震加速度引起的载荷。

每一种载荷情况都单独计算，根据工程设计规范中的载荷组合类型，运用叠加原理确定最严酷的载荷组合。经过计算，SEC泵组在地震作用下 （即事故工况）对支墩产生的最大载荷如下表。

表1 某核电厂SEC泵组事故工况下对支墩的最大载荷

4.3.2 锚具和水泥基础的应力分析

对于SEC泵组而言，其基座支脚通过若干螺栓和定位销固定在底板上，底板通过锚定螺栓和剪应力管被锚定进混凝土中。水平载荷通过定位销／剪应力管剪应力、螺栓预应力产生的摩擦力进行吸纳。Z向力通过螺栓吸纳。据此可评估定位销、剪应力管及螺栓的应力。根据水泥支墩的配筋数量和规格，计算每个支墩分别在向下的压力和水平载荷作用下，向上的拉力和水平载荷作用下的钢筋应力，然后与其抗拉强度和抗压强度进行比较。

5 结束语

中压电机的国产化更换工作涉及接口多，需要评估的内容多且技术难度大，需要电机厂家提供精准的设计，尽可能避免设计返工、评估返工。电机厂须严格按照已经确定的设计方案进行制造，同时运营方应重视电机监造工作，在制造过程中及时发现问题。希望本文能为广大同行提供借鉴，不断提高国内核电站的国产化水平。