屏蔽泵在核电中的发展与应用

屏蔽泵在核电中的发展与应用CONTENTS目录01屏蔽泵技术概述02屏蔽泵结构组成与工作原理03核电屏蔽泵相关标准体系04屏蔽泵在核电中的发展历程CONTENTS目录05核电屏蔽泵关键技术与创新06核电屏蔽泵安装与验收07未来发展趋势与展望01屏蔽泵技术概述屏蔽泵的定义与核心特点屏蔽泵的定义屏蔽泵是一种将泵和驱动电机密封在充满泵送介质的压力容器内，利用屏蔽套隔离电机定转子与输送液体，通过静密封实现无泄漏的特殊离心泵。其电动机的转子和泵的叶轮固定在同一根轴上，动力通过定子磁场传给转子。核心结构特点电机与泵一体化结构，同轴连接；定子内侧和转子外侧设有屏蔽套，内侧与泵内连通；安装方式分卧式和立式；电机无冷却风扇，通过介质循环和机座表面冷却。无泄漏输送优势采用静密封结构，取消传统离心泵的旋转轴密封装置，从根本上解决介质泄漏问题，特别适用于输送易燃、易爆、剧毒、腐蚀性或放射性等高危介质。运行特性运行平稳、噪声低，因无滚动轴承和冷却风扇，无需人工加油，维护成本低；依靠输送介质润滑轴承，需注意介质润滑性；部分型号效率略低于传统单端面机械密封离心泵，但与双端面机械密封离心泵相当。与传统轴封泵的关键差异01密封结构与泄漏风险屏蔽泵采用静密封设计，通过屏蔽套隔离电机与输送介质，实现完全无泄漏；传统轴封泵依赖机械密封或填料密封，存在动态泄漏风险，尤其在输送高危介质时安全性较低。02结构紧凑性与系统复杂度屏蔽泵电机与泵体一体化集成，取消联轴器，结构更紧凑，节省安装空间；传统轴封泵需独立电机、联轴器及复杂轴封系统，辅助设备多，维护流程繁琐。03运行维护与寿命成本屏蔽泵无滚动轴承和机械密封件，依靠介质自润滑，维护周期长（可达3万小时）；传统轴封泵需定期更换密封件和润滑油，年维护成本约为屏蔽泵的3-5倍，且易因密封失效导致停机。04极端工况适应性屏蔽泵可承受高温（≤350℃）、高压（≤17.5MPa）及强辐射环境，如核电一回路系统；传统轴封泵在高温高压下密封可靠性下降，不适用于核级安全边界，多用于二回路辅助系统。核级屏蔽泵的特殊要求

01核安全级别与压力边界要求核级屏蔽泵作为反应堆一回路压力边界的组成部分，需符合ASMEBPVCIII级容器规范，设计压力通常不大于17.5MPa(a)，所有承压部件需通过17.5MPa水压试验，焊缝氦气检漏率要求≤4×10-10Pa·m³/s。

02极端工况耐受能力需承受高温、高压、高辐射环境，如设计温度按电机温度场计算结果确定，绝缘等级≥180(H)级，能在累计吸收剂量达10^6Gy的工况下保持长期稳定运行，部分核用屏蔽泵需满足耐温达200℃、寿命60年以上的要求。

03材料与部件特殊规范屏蔽套需采用高电阻率、耐腐蚀材料，禁用低熔点金属及其化合物，接触冷却剂材料钴含量<0.05%；轴承多采用石墨或碳化硅等自润滑材料，如双向水润滑推力轴承需满足高可靠性运行要求。

04严格的试验与验收标准需通过出厂试验（如匝间耐压试验、氦气检漏、振动测试）、机组联调试验等，遵循如NB/T20577—2019等标准，对安装前准备、安装过程、调试、验收及质量控制有详细规定，确保满足核安全要求。02屏蔽泵结构组成与工作原理总体结构与核心部件一体化密封设计屏蔽泵采用电机与泵体一体化结构，通过静密封实现完全无泄漏，构成压水堆核电厂一回路压力边界的关键组成部分，设计压力不大于17.5MPa(a)。核心部件组成主要包括水力部件（叶轮、导叶、热屏）、电机（定子、转子及屏蔽套）、主法兰、密封环、主螺栓、水润滑轴承及热交换器等组件，结构参见附录A主泵示意图。屏蔽套隔离技术定子绕组和转子绕组分别由高电阻率、耐腐蚀屏蔽套保护，材料禁用铅、镉等低熔点金属，接触冷却剂材料钴含量<0.05%，确保电机与介质隔离且符合核安全要求。水润滑轴承系统采用石墨或碳化硅滑动轴承，依靠输送介质自润滑，配合轴向力平衡设计（如平衡孔、双吸叶轮结构），保障长期稳定运行，典型寿命可达3万小时以上。屏蔽套与密封系统设计

屏蔽套材料选择与性能要求屏蔽套需具备高电阻率与耐腐蚀特性，通常采用HastelloyC合金等材料，厚度一般不超过0.6mm，禁用低熔点金属及其化合物，接触冷却剂材料钴含量需<0.05%。

屏蔽套压力边界与强度设计屏蔽套并非直接承受介质压力，其外部通过定子铁芯和两端支撑筒（加固套）承载，需符合ASMEBPVCIII级容器规范，所有承压部件需通过17.5MPa水压试验。

密封环与主螺栓连接设计主泵采用密封环密封，主螺栓分组编号并按特定扭矩要求紧固，上部密封环焊缝需满足严格的氦气检漏要求，检漏率≤4×10-10Pa·m³/s，确保压力边界完整性。

静密封结构与清洁度控制采用全封闭静密封结构，取消传统动密封，泵壳与电机外壳用法兰密封相连。安装过程中需满足附录C规定的清洁度要求，防止杂质影响密封性能和设备寿命。水润滑轴承技术特点

材料选择标准采用石墨或碳化硅(SiC)等自润滑材料，具备高耐磨性与化学稳定性，接触冷却剂材料钴含量需<0.05%，符合核级安全要求。

润滑与冷却机制依靠输送介质直接润滑，无需外部润滑油系统，通过介质循环实现轴承冷却，简化结构并降低维护成本。

摩擦特性优化表面粗糙度控制在Ra≤0.4μm，配合间隙精确到0.05-0.1mm，形成稳定液膜润滑，PV值大于3MPa·m/s，确保长期可靠运行。

工况适应性设计可适应高温高压环境，如CAP1400屏蔽主泵轴承能在17.5MPa、300℃工况下稳定工作，满足核电一回路严苛运行条件。工作原理与能量传递机制

电磁感应驱动原理定子绕组产生旋转磁场，通过电磁感应驱动转子旋转，实现叶轮与电机的无接触动力传递，彻底消除传统轴封的泄漏风险。

屏蔽套隔离与涡流控制采用高电阻率金属屏蔽套（如哈氏合金）隔离定转子，通过优化材料厚度（通常≤0.6mm）将涡流损耗控制在5%-15%，确保电机效率。

介质自润滑与冷却系统输送介质同时作为润滑剂和冷却液，通过循环流道润滑石墨/碳化硅轴承（PV值需＞3MPa·m/s），并经热交换器带走电机热量，维持定子绕组温升≤125℃（H级绝缘）。

轴向力平衡设计通过叶轮平衡孔、双吸式结构或推力轴承（如双向水润滑推力轴承）抵消轴向力，确保转子动态稳定，延长轴承寿命至3万小时以上。03核电屏蔽泵相关标准体系国际标准与国内标准概况国际标准分类与核心领域

国际标准分类中，屏蔽泵主要涉及旋转电机、建筑物中的设施、农业机械、工具和设备、泵、电气工程综合、核能工程等领域。中国标准分类与覆盖范围

在中国标准分类中，屏蔽泵相关标准涵盖异步电机、农机具、泵、核反应堆综合等类别，体现了多行业应用需求。国家质检总局发布标准

国家质检总局发布的标准包括GB/T40817.2-2021《核电主泵电机技术条件第2部分：屏蔽泵异步电机》和GB/T33547-2017《管道屏蔽电泵性能评价规范》，为核电及通用领域提供技术依据。团体标准与行业标准体系

中国团体标准涉及智能热水循环屏蔽泵（T/ZZB018-2015）、绿色产品评价（T/NJ1153-2019）等；机械行业标准如JB/T10483系列、JB/T13362-2018（电力机车用），核工业标准如EJ/T20131-2016（船用核动力装置状态监测），共同构成多层次标准体系。NB/T20577-2019安装验收规范

标准概述与实施意义NB/T20577-2019《压水堆核电厂屏蔽主冷却剂泵安装及验收技术规程》由国家能源局于2019年12月30日发布，2020年7月1日实施，旨在规范屏蔽主冷却剂泵安装验收，保障核电厂安全稳定运行。

核心技术要求标准规定了设备安装前准备（技术文件审查、施工方案制定等）、安装过程（吊装、定位、固定等）、调试（测试项目、方法和标准）、验收（性能及安全测试）及质量控制（材料检验、过程监督）等关键环节的技术要求。

适用范围与结构组成适用于压水堆核电厂屏蔽主冷却剂泵安装，涵盖入口导管、主泵本体、热交换器、电气仪表等部件的接收、开箱、贮存、运输、吊装、安装及验收，主泵结构参见标准附录A示意图。

关键质量控制措施强调安装前施工单位需取得《民用核安全设备安装许可证》，安装验收内容和指标应满足设计文件要求，无特殊要求时按本标准执行，同时规定了材料检验、施工监督、设备检验等质量控制措施。GB/T40817.2-2021电机技术要求

标准定位与适用范围本标准是我国首项屏蔽主泵电机国家标准，填补了核电关键设备技术标准空白，适用于压水堆核电站屏蔽式主泵用立式鼠笼型异步电动机。

核心参数规范功率范围4500-8000kW，设计压力≤17.5MPa(a)，绝缘等级≥180(H)，最大转矩比≥1.8倍额定转矩，确保电机在核电站严苛工况下稳定运行。

压力边界与材料要求电机需符合ASMEBPVCIII级容器规范，承压部件通过17.5MPa水压试验，焊缝氦气检漏率≤4×10-10Pa·m³/s；屏蔽套材料需高电阻率且耐腐蚀，接触冷却剂材料钴含量<0.05%。

试验与检验体系规定出厂试验（如匝间耐压试验按GB/T22715）、氦气检漏（负压法）、振动测试（GB/T10068）等，特别强调需通过机组联调试验验证实际工况性能。核安全级设备标准核心要点

压力边界设计要求屏蔽泵异步电机作为压力边界组成部分，需符合ASMEBPVCIII级容器规范，设计压力应不大于17.5MPa(a)，所有承压部件需通过17.5MPa水压试验，焊缝氦气检漏率≤4×10-10Pa·m³/s。

材料选择与性能规范屏蔽套材料需具备高电阻率与耐腐蚀特性，禁用铅、镉等低熔点金属及其化合物，接触冷却剂材料钴含量需小于0.05%，以确保在高温高压及辐射环境下的长期稳定性。

绝缘与环境适应性要求电机绝缘等级≥180(H)，需耐受核电站严苛环境，如“国和一号”屏蔽电机主泵开发了耐温达200℃、寿命60年以上的6kV级绝缘系统，确保在高辐照条件下的安全运行。

试验与验收关键指标出厂试验包括匝间耐压试验（GB/T22715）、氦气检漏（负压法）、振动测试（GB/T10068）等，机组试验需进行联泵综合性能考核，确保水力性能、惰转性能等核心指标达到设计要求，如“国和二号”主泵水力效率达88%。04屏蔽泵在核电中的发展历程早期核电屏蔽泵应用探索

核电屏蔽泵的起源与早期实践屏蔽泵的起源可追溯至20世纪30年代，其诞生源于对液体输送过程中绝对无泄漏的迫切需求，特别是在原子能和化学工业中。1954年始建、1958年服役的世界上第一座“专一民用核电站”美国希平港原子能发电站的反应堆冷却剂泵（即主泵）就是采用屏蔽泵，其电功率为60MW。

早期屏蔽泵的技术特点与局限早期屏蔽泵结构紧凑，系统简单，省去了轴承润滑油系统和复杂的轴封系统。但当时屏蔽泵的制造难度及工艺尚未成熟，且不能满足压水堆核电厂的惰转要求，这使得在20世纪六七十年代全球核电建设浪潮中，因核电发电功率提升至300MW以上，屏蔽泵被能通过设置大飞轮满足惰转要求的轴封泵取代。

中国早期核电中的屏蔽泵应用我国大亚湾核电站引进的是法国该时期（20世纪六七十年代）的技术路线，采用轴封泵。在大亚湾基础上改进的岭澳一期及当时建设的二代改进型百万千瓦压水堆核电站两个共用机组，仅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，这些屏蔽泵因工况温度和压力不是很高，与正常屏蔽泵区分不大。轴封泵与屏蔽泵技术路线演变早期屏蔽泵的探索与应用20世纪50年代，美国希平港原子能发电站首次采用屏蔽泵作为反应堆冷却剂泵，其无泄漏特性适应了核电对安全性的早期需求。轴封泵的主导时期20世纪六七十年代，全球核电建设浪潮中，因屏蔽泵制造难度高且难以满足压水堆惰转要求，轴封泵通过设置飞轮成为主流，如法国大亚湾核电站采用轴封泵技术路线。现代屏蔽泵的技术回归与突破随着技术进步，屏蔽泵在解决水力模型、材料、轴承润滑等关键问题后实现回归。我国CAP1400屏蔽主泵等自主研发成果，标志着屏蔽泵技术路线在三代核电中重新占据重要地位，具备高可靠性和紧凑结构等优势。三代核电屏蔽泵技术突破自主化设计体系构建以上海核工院联合沈鼓集团、哈电动力等单位为核心，依托国家科技重大专项，首次构建了大功率屏蔽电机主泵设计体系，实现水力、空间及轴向力等多约束条件下的高效水力模型自主开发。关键部件材料与工艺创新自主研制大型屏蔽泵用双向水润滑推力轴承和屏蔽套，屏蔽套材料具备高电阻率与耐腐蚀特性，接触冷却剂材料钴含量<0.05%；开发了满足高辐照条件下耐温达200℃、寿命60年以上的6kV级绝缘系统。核心技术指标国际领先CAP1400屏蔽主泵作为国际同类最大规格屏蔽电机主泵，设计压力≤17.5MPa(a)，功率范围4500-8000kW，水力效率达88%，主要技术指标达到国际先进水平，通过中国机械工业联合会鉴定。工程化应用与产业突破“国和一号”屏蔽电机主泵已成功应用于示范工程项目，沈鼓集团累计获得近50台屏蔽主泵订单，合同金额近百亿元，标志着我国打破国外技术垄断，实现核主泵这一核岛关键设备国产化。国产化进程与技术成就

核主泵国产化使命与起点核主泵作为核电站“心脏”设备，曾是我国核岛主设备中唯一未实现国产化的关键设备。2007年2月，国家发改委确定沈鼓集团与哈尔滨电站设备集团公司共同负责核主泵的技术引进、消化、吸收及国产化研制任务。

从引进消化到自主创新的跨越沈鼓集团从引进消化吸收美国AP1000三代核电技术起步，2018年完成AP1000屏蔽主泵设计制造及装配试验，成为继美国EMD公司后第二家能自行设计加工制造该类主泵的企业。2009年启动我国自主研发的CAP1400（“国和一号”）屏蔽主泵预研，2020年11月样机完成工程及耐久试验。

核心技术突破与自主可控在CAP1400屏蔽主泵研制中，攻克水力、力学、材料、加工、检测、试验等百余项关键技术难题。2021年7月，该样机通过鉴定，被认为具有自主知识产权，系国际同类最大规格屏蔽电机主泵，主要技术指标达国际先进水平，可用于“国和一号”示范工程及后续项目。

“国和系列”主泵的持续创新与应用“国和一号”屏蔽电机主泵由上海核工院联合沈鼓集团等研制，具有高寿命、高可靠性等优点，已应用于“国和一号”示范工程。“国和二号”（CAP100050Hz）屏蔽电机主泵通过5项工程试验考核，水力效率达88%，采用通用化泵壳等新结构，克服进口泵对变频器的依赖，为后续工程应用奠定基础。05核电屏蔽泵关键技术与创新高效水力模型设计

水力模型设计目标旨在满足高扬程、大流量需求的同时，实现高效率运行，降低能耗，确保核主泵在各种工况下的稳定性能。

关键技术突破自主开发满足水力、空间及轴向力等多约束条件下的高效水力模型，通过CFD技术优化叶轮流道，减少涡流损失和气蚀风险，提升泵效。

设计成果与应用如“国和一号”屏蔽电机主泵通过自主研发的高效水力模型，在保证性能的基础上，助力其成为国际同类最大规格屏蔽电机主泵，主要技术指标达到国际先进水平。屏蔽套材料与制造工艺材料核心性能要求屏蔽套材料需具备高电阻率以降低涡流损耗，同时满足耐腐蚀要求，且接触冷却剂材料钴含量需<0.05%。禁用铅、镉等低熔点金属及其化合物，确保在核电高温高压环境下的稳定性。典型材料选择广泛采用哈氏合金等高强度耐腐蚀材料，如HastelloyC合金，其定子屏蔽套厚度通常不超过0.6mm，通过定子铁芯和两端支撑筒承受介质压力，自身主要起隔离作用。关键制造工艺规范焊接工艺采用激光焊接或电子束焊接，确保全周连续密封，氦质谱检漏率需≤4×10^-10Pa·m³/s。所有承压部件需通过17.5MPa水压试验，符合ASMEBPVCIII级容器规范。大型水润滑推力轴承研发轴承设计需求与挑战屏蔽主泵水润滑推力轴承需承受轴向力，在高温高压水介质中实现长寿命（如60年）稳定运行，同时满足核安全规范对材料、性能的严苛要求。关键材料技术突破自主研制高性能轴承材料，如碳化硅（SiC）、石墨等，具备高耐磨性、低摩擦系数及良好的耐腐蚀性，以适应核电主泵极端工况。结构与润滑性能优化采用双向水润滑设计，通过CFD流场仿真优化油膜分布，提升轴承承载能力与稳定性，如“国和一号”屏蔽主泵轴承成功通过工程试验验证。试验验证与应用成果建立完善的试验台架，模拟实际工况进行性能测试与寿命评估，相关技术已应用于CAP1400等自主三代核电项目，打破国外技术垄断。高可靠性绝缘系统技术绝缘等级与耐温标准核电屏蔽泵电机绝缘等级需达到≥180(H)级，以适应核电站高温环境，确保在长期运行中保持稳定的电气性能和机械强度。耐辐照性能要求绝缘系统需满足高辐照条件下的使用要求，如“国和一号”屏蔽电机主泵开发的绝缘系统耐温达200℃、寿命60年以上，可承受累计吸收剂量达10^6Gy的辐照。绝缘材料选择规范屏蔽泵电机绝缘材料需具备优良的电气绝缘性能、耐热性和耐腐蚀性。标准明确规定接触冷却剂材料钴含量<0.05%，禁用低熔点金属（铅、镉等）及其化合物。真空浸渍工艺应用定子绕组采用真空浸渍环氧树脂工艺，能有效提高绕组的整体性、绝缘性能和防潮性能，增强绝缘系统的可靠性，确保电机在严苛工况下安全稳定运行。全流量试验台架与验证

01试验台架核心功能全流量试验台架是核主泵研制的关键设施，用于模拟核电站一回路实际运行工况，验证主泵在各种负荷、温度、压力条件下的水力性能、机械性能和安全特性，确保其满足核安全标准和设计要求。

02关键试验项目主要包括水力性能试验（扬程、流量、效率曲线测定）、热态性能试验（模拟高温高压介质循环）、惰转性能试验（验证断电后惯性流量）、振动与噪声测试、密封性能试验以及长期运行耐久试验等。

03CAP1400屏蔽主泵试验验证沈鼓集团研制的CAP1400屏蔽主泵通过全流量试验台架完成了工程及耐久试验，验证了其设计理念先进、结构合理，主要技术指标达到国际先进水平，为“国和一号”示范工程应用奠定了坚实基础。06核电屏蔽泵安装与验收安装前准备与技术文件审查

技术文件审查要点审查设计文件、施工图纸及标准规范，确保符合NB/T20577—2019等要求，重点核对设备参数与安装技术指标。

施工方案制定与审批编制详细施工方案，涵盖吊装、定位、连接等关键步骤，明确质量控制节点，并经监理单位审批后方可实施。

施工人员资质与安全培训施工单位需取得《民用核安全设备安装许可证》，作业人员须通过专项安全培训，熟悉核安全操作规程及应急处理流程。

设备接收与开箱检查按附录B项目检查设备外观、部件完整性及随机文件，重点核查屏蔽套、主螺栓等关键部件无损伤，清洁度符合附录C要求。主泵本体安装关键工序吊装定位与找平依据NB/T20385核电厂大件吊装通用技术要求，采用专用吊装工具，确保主泵本体吊装平稳，吊装精度控制在±0.5mm以内。通过精密水平仪进行找平，调整主泵水平度，使整体水平偏差不超过0.1mm/m。主螺栓紧固工艺按照附录E主螺栓分组编号表进行分组紧固，采用扭矩法与转角法结合的方式，初始扭矩设定为设计值的30%，最终扭矩偏差控制在±5%范围内。紧固过程中需监测主法兰面变形量，确保密封面平整度符合设计要求。密封环安装与焊接密封环安装前需进行清洁度检查，符合附录C清洁度要求。焊接采用NB/T20002.2压水堆核电厂核岛机械设备焊接规范，焊缝形式参考附录F上部密封环焊缝示意图，焊接完成后进行氦气检漏，检漏率需≤4×10-10Pa·m³/s。水力部件对中调整水力部件（叶轮、导叶等）安装时需进行精密对中，径向间隙控制在0.3-0.5mm，轴向窜动量不大于0.2mm。通过百分表监测对中数据，确保运行时水力效率达到设计值的95%以上，避免因对中不良导致振动超标。调试与性能测试要求

调试阶段测试项目与方法调试阶段需进行测试项目、测试方法和测试标准的确认，确保设备在正式运行前满足设计要求和安全标准，如匝间耐压试验按GB/T22715执行，振动测试依据GB/T10068。

性能测试核心指标性能测试包括设备性能测试和安全性能测试，关键指标如主泵水力效率需达到设计值，例如“国和二号”屏蔽电机主泵水力效率达到88%，同时需验证额定流量、扬程等参数。

机组联调试验要求7.3条款特别强调必须通过机组联调试验验证实际工况性能，确保屏蔽泵与电机