劉 磊,畢可明,劉天才,馬譽(yù)寧,徐海軍,柴寶華
(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部,北京 102413)
目前,核反應(yīng)堆、小型核動(dòng)力裝置、航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)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(jī)的鐵芯,電機(jī)定子鐵芯是構(gòu)成電機(jī)磁通回路和固定定子線圈的重要部件,在電機(jī)運(yùn)行過程中起到導(dǎo)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(jī)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(yán)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(yán)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(yàn),驗(yàn)證硅鋼片在240℃和500℃下的耐輻照性能及輻照后的機(jī)械性能。
1.1.1 試驗(yàn)堆
輻照試驗(yàn)在中國原子能科學(xué)研究院49-2 泳池式輕水反應(yīng)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(xiàng)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(jìn)行吹沙處理;③再次用丙酮擦拭;④預(yù)熱至150℃;⑤采用高能等離子體噴涂工藝進(jìn)行噴涂;⑥自然冷卻。
圖2 輻照樣品結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)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(qiáng)度(劃痕法)≥30N。
2)硅鋼片樣品結(jié)構(gòu)
結(jié)合試驗(yàn)堆孔道的尺寸,硅鋼片輻照樣品的結(jié)構(gòu)尺寸[5-7]設(shè)計(jì)如圖2 所示。
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(yàn)要求的環(huán)境。裝置共設(shè)置6 個(gè)熱電偶溫度測點(diǎn)及2 個(gè)獨(dú)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(dú)立溫控區(qū)相對應(yīng),輻照樣品艙也分為A、B區(qū)。溫控系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)節(jié)裝置內(nèi)樣品罐的溫度,在達(dá)到所需溫度并穩(wěn)定后,可進(jìn)入自動(dòng)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。
每3 個(gè)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(jìn)行測量。A、B 兩區(qū)樣品艙共設(shè)有可在線測量的樣品4 對(共12 片),另每個(gè)樣品艙上有1 組樣品(共6 片)不進(jìn)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
2.2.1 輻照前調(diào)試
將輻照裝置樣品罐進(jìn)行高溫除氧,其他部件用酒精或丙酮進(jìn)行清潔,再進(jìn)行整體組裝,組裝后進(jìn)行絕緣電阻測量;對裝置進(jìn)行氦檢和壓力檢測后,進(jìn)行抽真空氦洗3 次,進(jìn)行絕緣電阻測量;在常溫時(shí),對輻照裝置進(jìn)行抽真空,并進(jìn)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(shí)保溫0.5h 抽真空,同時(shí)進(jìn)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(shí)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(guān)閉,此時(shí)A 區(qū)熱電偶測量的是反應(yīng)堆滿功率運(yùn)行時(shí)的A 區(qū)樣品溫度值;同時(shí),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(jìn)行一次絕緣電阻測量。硅鋼片試驗(yàn)樣品絕緣電阻測試電壓≥0.5V/DC,測量時(shí),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(yīng)≥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(yàn)結(jié)束后,在反應(yīng)堆停堆前,此時(shí)A 區(qū)的加熱器開啟,保持樣品溫度為240℃。在反應(yīng)堆開始停堆時(shí),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(yīng)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(yàn)
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(chǔ)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(yùn)至熱室。在熱室內(nèi),打開樣品罐,取出硅鋼片樣品,進(jìn)行檢測[8,9]。
1)輻照裝置裝入孔道后,進(jìn)行功能性調(diào)試與檢測。
2)開堆前,常溫狀態(tài)下,對試驗(yàn)件進(jìn)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(dòng)控制升溫至300℃,期間每100℃進(jìn)行一次試驗(yàn)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(dòng)控制升溫至500℃,期間每100℃進(jìn)行一次試驗(yàn)件待檢參數(shù)測量。
5)當(dāng)試驗(yàn)樣品溫度達(dá)到500℃并保持穩(wěn)定后,每4h進(jìn)行一次試驗(yàn)件待檢參數(shù)測量。
6)停堆后,輻照裝置以100℃/h 速率主動(dòng)控制降溫至100℃后,關(guān)閉溫度控制自然冷卻至常溫,期間每100℃進(jìn)行一次試驗(yàn)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(jìn)行切割后,攝像機(jī)檢查試驗(yàn)件外觀情況。
圖5 輻照試驗(yàn)布置圖Fig.5 Radiation test layout
試驗(yàn)過程中,為了驗(yàn)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(yīng)堆滿功率狀態(tài)下的實(shí)測溫度230℃,B 區(qū)樣品的溫度通過加熱器升溫至500℃±10℃。
試驗(yàn)在反應(yīng)堆滿功率狀態(tài)下共進(jìn)行了170h,每隔4h在線測量一次絕緣電阻,累積劑量達(dá)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(yàn)結(jié)果可以看出:①在240℃和500℃時(shí),隨著累計(jì)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(yàn)結(jié)束后,在240℃和500℃時(shí),對硅鋼片樣品進(jìn)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(jī)械性能
輻照后,將硅鋼片樣品從輻照裝置內(nèi)取出,進(jìn)行機(jī)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(jī)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(tái)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(yīng)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
在49-2 堆上開展了高溫耐輻照電機(jī)用硅鋼片的輻照試驗(yàn),輻照裝置保證了試驗(yàn)時(shí)所需的240℃、500℃、0.12MPa氦氣等環(huán)境,同時(shí)在線測量了硅鋼片的絕緣電阻性能。在輻照試驗(yàn)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(dòng)較??;對硅鋼片絕緣性能進(jìn)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(jì);輻照后目測硅鋼片,絕緣涂層無損傷;輻照后硅鋼片進(jìn)行刮劃和高處摔落,無裂紋和碎屑。試驗(yàn)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(jī)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(jī)中。