屏蔽泵在核电中的发展和应用

  本文主要介绍了在核电厂的发展历程上屏蔽泵的应用，重点介绍了屏蔽泵的结构特点、优缺点以及屏蔽泵的发展前景。
    泵的种类应有尽有，被广泛应用于化工、石油、电力、食品等多个领域，并且在农业、林业、渔业等各个行业也发挥着重要的作用。其中，屏蔽泵作为泵类设备中非常特殊的一种，由于其具有结构特殊、功能特殊等特性，因此越来越为大家注意。又因其能够达到绝对无泄漏，符合当今人类社会安全与环保的主题，目前在化工、石化、医药、纺织、制冷、航天、核电、军工等领域已充分采用。本文主要针对屏蔽泵在核电中的发展和应用做以重点介绍。
     我们都知道传统的离心泵都是靠轴封密封完成的，其中，轴封分为机械式和填料式两种，但是不论哪种轴封都不能完全达到无泄漏。在最早应用的特殊化工行业中，存在各种易燃、易爆、剧毒等介质：例如:液氯、光气、环氧乙烷等，这些介质一旦泄露到空气中，就会对人体造成致命的危害，对环境造成难以估量的损失。正是在这种情况下，为了赢求绝对、完全地无泄漏，屏蔽泵应运而生。屏蔽泵是指将定子绕组和转子绕组分别置于密封金属筒体内的屏蔽电动机驱动、泵壳与驱动电机外壳用法兰密封相连，取消了泵轴动密封结构的泵。追溯其历史，距今大概已经有一百多年了。现在，屏蔽泵在核电行业中也逐渐被广泛采用。始建于1954年，服役于1958年，已于1982年停运的世界上第一座“专一民用核电站”美国希平港原子能发电站的反应堆冷却济泵（即主泵）就是采用屏蔽泵。核电中的反应堆冷却剂具有高温、高压、高辐射等特点，而使用无泄漏的屏蔽泵作为主泵，结构紧凑，系统简单，省去了轴承润滑油系统和复杂的轴封系统。下图1为基本型的屏蔽泵，主要由电机定子、转子部件（轴）、叶轮、泵体、耐磨板、定转子屏蔽套、轴承等几部分组成。从上图可以看出屏蔽泵的几大特点：
    1、电机和泵连成一体，与传统的轴封泵和电机通过联轴器相连有很大的区别，传统的轴封泵通过联轴器与电机连接，转子位置是固定的，而屏蔽泵的转子是动态的，只有当轴向力平衡时才能在某一位置达到平衡，当介质的特性如温度、压力、粘度等发生改变时，该转子也会发生相应的移动，换言之，同一台屏蔽泵，输送不同工况的介质或者不同的温度压力等，平衡状态是不一样的。基于此，笔者得出这样结论：想用好屏蔽泵，就一定要控制好轴向力。
    2、电机转子和泵轴为共用；即电机的转子也是泵轴，两者合二为一；

图1 屏蔽泵结构图（基本型）

    3、定子屏蔽套：定子屏蔽套是安装在定子铁芯里孔内的一个很薄的金属隔套，与定子里孔完全接触，保证介质与电机定子完全隔离，由于屏蔽泵转子完全浸泡在介质中，为减少屏蔽套内产生的涡流损失并减少温升、改善电机的运转条件，屏蔽泵必须是采用非磁性、高电阻材料，并在保证其强度的条件下越薄越好，与转子屏蔽套的间隙越小越好。据笔者了解，几乎所有定子屏蔽套都是采用的Hastelloy C合金，厚度一般不超过0.6MM。也许大家会感觉这么薄怎么能承受介质的压力呢？这样理解是不正确的：定子屏蔽套并非承受介质压力，只是起到隔离作用，其外部通过定子铁芯和两端的支撑筒（或叫加固套）来承担。还有一种衍生出来的新的屏蔽泵就是湿定子泵， 这种泵甚至连屏蔽套也没有，下文继续介绍。
    由于美国希平港核电站的顺利竣工，吹响了欧美以及日本核电大发展的号角。在接下来的二十世纪六七十年代，全球兴起了一波核电建设的浪潮。考虑到核电的经济性，这一时期建设的核电发电功率都在300MW以上，远远超出希平港的60MW。由于当时屏蔽泵的制造难度及在制造工艺等各方面尚未成熟，同时当时的屏蔽泵并不能满足压水堆核电厂的惰转要求，但使用轴封泵可以通过设置很大的飞轮达到该项要求，所以在这一时期建设的核电站几乎全部采用轴封泵，而放弃了屏蔽泵。我国的大亚湾核电站就是引进的法国该时期的技术路线，而在大亚湾基础上改进型的岭澳一期及正在建设的二代改进型百万千瓦压水堆核电站两个共用机组只采用了八台核三级屏蔽泵，主要用于辅助厂房中硼酸的输送以及硼回收系统反应堆冷却剂的输送。以上几台小的屏蔽泵由于温度和压力等工况不是很高，所以都和正常的屏蔽泵区别不大。