高温耐辐照电机用硅钢片辐照试验研究

刘 磊，毕可明，刘天才，马誉宁，徐海军，柴宝华

（中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413）

0 引言

目前，核反应堆、小型核动力装置、航空航天等高科技领域对电机的耐高温性能和耐辐照的要求越来越高。硅钢主要用作电机的铁芯，电机定子铁芯是构成电机磁通回路和固定定子线圈的重要部件，在电机运行过程中起到导磁、汇集磁通的作用。

图1 堆芯孔道布置Fig.1 Arrangement of reactor core duct

为防止铁芯发生片间短路，硅钢片绝缘漆的选择显得格外重要。随着电机耐热等级逐步提高，体积小型化以及使用的环境越来越严苛，对定子铁芯硅钢片绝缘在高温辐照环境下提出了越来越高的要求，硅钢片绝缘漆的性能要求也越来越严格[1-4]。

通过对硅钢片表面喷涂以ZrO2为主的绝缘涂层，研制了耐温500℃、耐辐照的硅钢片。本文通过堆内高温试验，验证硅钢片在240℃和500℃下的耐辐照性能及辐照后的机械性能。

1 辐照样品和装置

1.1 试验堆和孔道辐照样品

1.1.1 试验堆

辐照试验在中国原子能科学研究院49-2 泳池式轻水反应堆（简称“49-2 堆”）上开展，孔道选用堆内D10 干孔道，位置如图1 所示。

D10 孔道是位于反射层内的垂直辐照孔道，尺寸为外径（68mm）×壁厚（1.5 mm）。堆满功率下的分项通量为热中子：3.28×1013n/cm2·s，超热中子：1.14×1013n/cm2·s，快中子：1.39×1013n/cm2·s，γ 射线：2.18×106Gy/h。

1.1.2 辐照样品

1）硅钢片样品制作

耐辐照硅钢片制作流程：①对硅钢片用丙酮擦拭除油；②用白玉刚沙粒进行吹沙处理；③再次用丙酮擦拭；④预热至150℃；⑤采用高能等离子体喷涂工艺进行喷涂；⑥自然冷却。

图2 辐照样品结构尺寸设计示意图Fig.2 Schematic diagram of structure and size design of irradiated sample

喷涂材料是以ZrO2为主的涂层材料。硅钢片总厚度为0.35mm，单侧涂层厚约10μm，结合强度（划痕法）≥30N。

2）硅钢片样品结构

结合试验堆孔道的尺寸，硅钢片辐照样品的结构尺寸[5-7]设计如图2 所示。

1.2 辐照装置

辐照装置主要由辐照工艺管、辐照样品罐、温控系统、测量系统、气体管线5 部分构成。辐照工艺管为立式全密闭结构，壳体材料为铝制，内部充满一定压力的氦气；辐照样品罐装在辐照工艺管底部，主体为不锈钢材料，具有加热功能，用以模拟试验要求的环境。装置共设置6 个热电偶温度测点及2 个独立加热温控区，由上至下分别为：1、2 区，温度测量精确度优于±1℃，温控精度优于±10℃。与独立温控区相对应，辐照样品舱也分为A、B区。温控系统根据试验需求调节装置内样品罐的温度，在达到所需温度并稳定后，可进入自动温控模式；测量系统用于在线测量硅钢片的绝缘电阻；气体管线与外界的气体系统相连，可调节装置内的压力和气体氛围。辐照装置构成如图3 所示。

2 试验方案

2.1 试验样品安装

每3 个样品叠压形成固定面积接触区，样品测量端彼此反向分开，以连接测量用引线，最外层的样品不进行测量。A、B 两区样品舱共设有可在线测量的样品4 对（共12 片），另每个样品舱上有1 组样品（共6 片）不进行在线测量，辐照后的样品都用于后期外观与ZrO2涂层附着力检测。

图3 辐照装置组成Fig.3 Composition of irradiation device

2.2 试验方案

2.2.1 辐照前调试

将辐照装置样品罐进行高温除氧，其他部件用酒精或丙酮进行清洁，再进行整体组装，组装后进行绝缘电阻测量；对装置进行氦检和压力检测后，进行抽真空氦洗3 次，进行绝缘电阻测量；在常温时，对辐照装置进行抽真空，并进行绝缘电阻测量，再以100℃/h 的升温速率加热辐照样品，每升温50℃时保温0.5h 抽真空，同时进行绝缘电阻测量，直至温度为300℃；在300℃保温1h 后，以100℃/h 的降温速率将硅钢片样品降至常温。调试完成后，辐照装置内充满0.12MPa 氦气。

2.2.2 辐照装置入堆安装

将辐照装置整体调入D10 孔道，同时将测量系统、温控系统、气体管路在测试间安装好，并将电缆和气管穿过反应堆大厅贯穿孔；将辐照装置与测试电缆和气管连接；检测测量系统、温控系统、气体压力值是否正常工作；调整装置内氦气压力，进行绝缘电阻测量；以100℃/h 的升温速率加热硅钢片样品直至300℃，并进行绝缘电阻测量；保持温度在300℃，等待开堆。

2.2.3 在线测量

反应堆开堆至满功率后，将A 区的加热器以100℃/h 的速率停止加热直至关闭，此时A 区热电偶测量的是反应堆满功率运行时的A 区样品温度值；同时，B 区加热器以100℃/h 的升温速率加热至样品为500℃，每隔4h 进行一次绝缘电阻测量。硅钢片试验样品绝缘电阻测试电压≥0.5V/DC，测量时，数字万用表显示值稳定即可记录，数字万用表输出净值应≥5kΩ。

2.2.4 辐照后停堆

图4 样品安装示意图Fig.4 Sample installation diagram

辐照试验结束后，在反应堆停堆前，此时A 区的加热器开启，保持样品温度为240℃。在反应堆开始停堆时，A区和B 区加热器继续工作，保持温度为240℃和500℃，待反应堆停堆后，以100℃/h 的速率将硅钢片样品降至常温。

2.2.5 辐照后检验

拆除测试电缆和气管，将装置内压力通过排气阀降至0.1MPa。将辐照装置整体从孔道吊出，放入储存井。打开工艺管上段法兰，将样品罐调入转移罐内，运至热室。在热室内，打开样品罐，取出硅钢片样品，进行检测[8,9]。

2.3 试验步骤

1）辐照装置装入孔道后，进行功能性调试与检测。

2）开堆前，常温状态下，对试验件进行待检参数测量。

3）开堆前，为抵抗快堆开堆产生的热冲击，辐照装置以100℃/h 速率主动控制升温至300℃，期间每100℃进行一次试验件待检参数测量。

4）开堆后至满功率后，辐照装置以100℃/h 速率主动控制升温至500℃，期间每100℃进行一次试验件待检参数测量。

5）当试验样品温度达到500℃并保持稳定后，每4h进行一次试验件待检参数测量。

6）停堆后，辐照装置以100℃/h 速率主动控制降温至100℃后，关闭温度控制自然冷却至常温，期间每100℃进行一次试验件待检参数测量。

7）辐照装置出堆，辐照剂量降低至可操作值，对辐照装置进行切割后，摄像机检查试验件外观情况。

图5 辐照试验布置图Fig.5 Radiation test layout

3 试验结果

试验过程中，为了验证温度对受同一剂量照射的辐照样品的影响，A 区的硅钢片未加热，温度为反应堆满功率状态下的实测温度230℃，B 区样品的温度通过加热器升温至500℃±10℃。

试验在反应堆满功率状态下共进行了170h，每隔4h在线测量一次绝缘电阻，累积剂量达到热中子：2.00×1019n/cm2，超热中子：6.96×1018n/cm2，快中子：8.48×1018n/cm2，γ 射线：3.70×108Gy。

1）绝缘电阻性能

从辐照试验结果可以看出：①在240℃和500℃时，随着累计剂量的增加，绝缘电阻值略有下降；②在同一累积剂量下，240℃硅钢片比500℃下的绝缘电阻值高。

辐照试验结束后，在240℃和500℃时，对硅钢片样品进行耐压测试（100VDC，1min），样品未击穿，证明了硅钢片样品的耐压性能良好。

2）机械性能

辐照后，将硅钢片样品从辐照装置内取出，进行机械性能检测[13,14]。在热室的高倍镜下目视，样品表面无裂纹、涂层无凸起；用机械手夹持样品在外径φ15 的陶瓷管上弯曲，弯曲后，硅钢片表面涂层无裂纹、无碎屑等损伤；另将样品放置在平台上，用划痕法测试涂层与硅钢片的结合力，在30N 的力下，涂层表面有划痕，在高倍放大镜下观察无裂痕。

表1 测量次数—累积剂量对应表Table 1 Measurement times-cumulative dose table

图6 绝缘电阻测试结果图Fig.6 Insulation resistance test result chart

4 结论

在49-2 堆上开展了高温耐辐照电机用硅钢片的辐照试验，辐照装置保证了试验时所需的240℃、500℃、0.12MPa氦气等环境，同时在线测量了硅钢片的绝缘电阻性能。在辐照试验过程中，各组硅钢片具有较好的绝缘性能，而且绝缘电阻波动较小；对硅钢片绝缘性能进行比较，可以得出硅钢片在同一剂量水平下，温度对绝缘性能的影响较小，可以忽略不计；辐照后目测硅钢片，绝缘涂层无损伤；辐照后硅钢片进行刮划和高处摔落，无裂纹和碎屑。试验证明，带ZrO2绝缘涂层的硅钢片在240℃和500℃高温下绝缘性能和机械性能良好，且绝缘性能基本不受温度影响，可用于高温耐辐照电机中。