Цзянсу Хайфа Машиностроение Лтд.

В области традиционных химических насосов мы чаще всего имеем дело с такими средами, как растворы кислот, щелочей, солей, углеводороды, расплавленная мочевина,носители, шламы и т.д. Основные проблемы насосов обычно сосредоточены на коррозии, кавитации, уплотнениях, подшипниках, вибрации и выборе материалов. Однако электромагнитные насосы для жидких металлов отличаются: они перекачивают высокотемпературные металлические среды с хорошей электропроводностью, такие как жидкий натрий, свинцово-висмутовые сплавы, кадмиевые сплавы и другие. Для таких рабочих сред обычные центробежные насосы, насосы с механическими уплотнениями или магнитные насосы напрямую не применимы; их необходимо проектировать заново с учетом электромагнитного привода, термических напряжений, совместимости материалов, изоляционной защиты и ядерной надежности Как технические специалисты Jiangsu Haifa Machinery Manufacturing Co., Ltd., работая над химическими насосами по API610, высокотемпературными насосами, насосами для расплавленных солей, магнитными насосами и погружными насосами, мы постоянно следим за развитием оборудования для транспортировки высокотемпературных специальных сред. Хотя электромагнитные насосы для жидких металлов не относятся к традиционной конструкции центробежных насосов по API610, они имеют много общего в логике проектирования высокотемпературными химическими насосами, насосами для расплавленных солей, герчными насосами и магнитными насосами: все они должны решать проблемы стабильности материалов при высок температурах, надежности уплотнений, контроля теплового расширения,тельной работы и онлайн-мониторинга. На сегодняшний день, исходя из потребностей в транспортировке жидких металлов, мы выполнили поставки и техническое сопровождение электромагнит насосов для различных рабочих сред, включая жидкий натрий, свинцово-смутовые сплавы и кадмиевые сплавы, в том числе для специальных конструкций, таких как ядерные электромагнитные насосы и погружные электромагнитные насосы. Такое оборудование — это не просто замена обычного насоса на жаропрочные материалы, а комплексный учет электромагнитного поля, поля течения, температурного поля и структурных напряжений.

I. Основные принципы электромагнитных насосов для жидких металлов
Принцип работы электромагнитного насоса для жидких металлов можно упрощенно объяснить как использование электромагной силы, возникающей при взаимодействии проводящего жидкого металла с магнитным полем и электрическим током, для продвижения металлической жидкости по трубопроводу или каналу насоса. Традиционные механические насосы передают механическую энергию жидкости за счет вращения рабочего колеса, в то время как электргнитные насосы могут обходиться без обычного рабочего колеса и традиционного вращающегося вала с уплотнением. Это является важнейшим преимуществом электромагнитных насосов для жидких металлов. Для таких сред, как жидкий натрий, свинцово-висмутовые кадмиевые сплавы, которые являются высокотемпературными, электропроводными, а в некоторых условиях — коррозионными или опасными, использование механических вращающихсялотнений создает большую нагрузку на торцевые уплотнения, вспомогательные уплотнительные кольца, втулки вала и системы охлаждения. Электромагнитные насосы уменьшают количество вращающихся динамических уплотнений, снижают количество точек утечки и сокращают количество механически изнашиваемых деталей, что делает их более подходящими для ядерной промышленности, высокотемпературных экспериментальных контуров, систем охлаждения жидкими металлами и установок для испытаний специальных материалов. Распространенные типы электромагнитных насосов для жидких металлов включа: насосы постоянного тока с проводимостью, асинхронные индукционные насосы, кольцевые линейные индукционные насосы, плоские насос и погружные насосы. Различные конструкции подходят для разных расходов, напоров, температур и условий монтажа. Для небольших экспериментальных конров более важны компактность и удобство установки; для ядерных контуров и промышленных установок важнее надежность, ремонтопригод, срок службы изоляции и долговременная стабильность.

II. Почему жидкий натрий, свинцово-висмутовые и кадмиевые сплавы подходят для электромагнитных насосов
Электромагнитные насосы для жидких металлов имеют одно предварительное условие: среда должна обладать хорошей электропроводностью. Жидкий натрий, свинцово-висмутовые сплавы, кадмиевые сплавы и другие металлические жидкости обладают электропроводностью при высоких температурах и могут напрямую участвовать в процессе электромагнитного привода. По сравнению с обычными жидкостями, жидкие металлы также обладают хорошей теплопроводностью, что делает их ценными для высокотемпературного теплообмена, ядерного охлаждения, испытаний материалов и специальных химических реакций. Жидкий натрий характеризуется хорошей теплопроводностью, относительно низкой плотностью и хорошей текучестью, но обладает высокой химической активностью и очень чувствителен к воде и воздуху. Поэтому при проектировании электромагнитных насосов для жидкого натрия необходимо уделять особое внимание герметизации системы, защите инертным газом контролю утечек и безопасной изоляции В процессе изготовления оборудования необходимо строго контролировать качество сварных швов, чистоту, герметичность и совместимость материалов. Свинцово-висмутовые сплавы имеют относительно низкую температуру плавления и часто используются вотемпературных экспериментальных контурах и исследованиях по охлаждению передовых ядерных реакторов. Они обладают высокой плотностью, что предъявляет более высокие требования к электромагнитной тяге насоса, опорам трубопроводов и прочности конструкции. Свинцово-висмутовая среда также вызывает проблемы коррозии материалов, контроля концентрации кислорода и отложений, поэтому при выборе электромагнитного насоса для свинцово-висмутовых сплавов необходимовать не только электроманитные параметры, но и химический контроль среды и долговременное коррозионное поведение материалов. Рабочая среда из кадмиевых сплавов еще более специфична, и при проектировании оборудования необходимо уделять особое внимание контролю токсичности, герметичности, безопасности обслуживания и мерам по предотвращению утечек. Для таких специальных металлических сред мы обычно не рекомендуем напрямую применять опыт работы с обычными насосами, а сначала проводим анализ рабочей среды, а затем определяем тип насоса, конструкцию, материалы, класс изоляции, схему обогрева и теплоизоляции, а также расположение точек мониторинга.

III. Ключевые аспекты проектирования ядерных электромагнитных насосов
Отличие ядерныхомагнитных насосов от обычных промышленных электромагнитных насосов заключается не только в лучших материалах и более тщательном контроле, но и в более консервативной логике всего проектирования. Ядерное оборудование делает упор на надежность, прослеживаемость, проверяемость и последствий отказов. Для контуров охлаждения жидкими металлами отказ насоса можетлиять на передачу тепла, давление в контуре, температуру среды и безопасность эксперимента. Поэтому при проектировании ядерных электромагнитных насосов мы уделяем особое внимание следующим аспектам. Первый — структурная целостность. Корпус насоса, канал насоса, фланцы, сварные швы и опорные элементы должны выдерживать расчет температуру, расчетное давление и циклические термические напряжения. Особенно это касается погружных электромагнитных насосов, которые длительное время находятся в среде высокотемпературного жидкого металла; конструктивные элементы должны быть как коррозионностойкими, так и устойчивыми к термической усталости. Второй — система изоляции. Электромагнитные насосы требу работы катушек, магнитопроводов, электродов или индукционных элементов; при высоких температурах изоляционные материалы склонны к старению. В ядерных электромагнитных насосах необходимо учитывать нагрев катушек, электрическую прочность изоляции, термическое старение, влияние радиационной среды и запас по долговременной работе. Третий — контроль герметичности и утечек. Утечка среды жидкого металла — это не только потеря среды, но и потенциальные химические реакции, токсичность, загрязнение или риски для безопасности. Ядерные электромагнитные насосы должны сводить к минимуму динамические уплотнения, использовать надежные статические уплотнения, цельносварные или изолированные конструкции а также быть оснащеныолем утечек и защитой инертным газом. Четвертый — мониторинг и диагностика. Ядерные электромагнитные насы требуют мониторинга расхода, тока, напряжения, температуры катушек, температуры корпуса насоса, температуры на входе и выходе, давления, состояния изоляции ибрационных сигналов. Хотя у электромагнитных насосов нет проблем с вибрацией, связанной с традиционным валом рабочего колеса, изменения температуры, расхода и электромагнитных параметров все же могут отражать состояние оборудования.

IV. Преимущества и сложности погружных электромагнитных насосов
Погружные электромагнитные насосы являются важным типом конструкций в системах с жидкими металлами. Они могут быть установлены непосредственно в ванны, баки или экспериментальные контуры с жидким металлом, уменьшая количество внешних трубопроводов и точек утечки. Для таких сред, как жидкий натрий, свинцово-висмутовые и кадмиевые сплавы погружная конструкция позволяет создать более компактную общую компоновку насоса и системы среды, а также способствует снижению риска внешних динамических уплотнений. Однако погружная конструкция имеет и явные сложности. Оборудование длительное время погружено в высокотемпературный жидкий металл, поэтому необходимо заранее учитывать коррозионную стойкость материалов, стабильность сварных швов, теплоизоляцию электромагнитных компонентов, защиту изоляции, возможность ремонта и демонтажа, а также онлайн-диагностику. Обычные электродвигатели и обычные катушки не могут находиться непосредственно в среде высокотемпературного жидкого металла, поэтому необходимо проектировать надежные теплоизоляционные слои, пути охлаждения или высокотемпературные электромагнитные компоненты. Погружные электромагнитные насосы также должны учитывать процессы пуска и останова. Жидкие металлы имеют температуру затвердевания; после снижения температуры и остановки оборудования в локальных зонах может произойти затвердевание или образование отложений. Если каналы насоса, нижние точки трубопроводов, застойные зоны и отверстия для измерения давления спроектирова неправильно, при повторном нагреве и пуске могут возникнуть засоры, локальный перегрев или аномалии расхода. Поэтому при проектировании погружных электромагнитных насосов мы уделяем особое внимание обеспечению дренажа, обогрева, теплоизоляции, контролю температурных градиентов и конструкции без застойных з.

V. Выбор материалов для электргнитных насосов жидких металловВыбор материалов для насосов жидких металлов сложнее, чем для обычных химических насосов. В обычных химических насосах в основном учитываются коррозия кислотами и щелоча, коррозия хлорид-ионами, эрозионный износ и прочность при высоких температурах, в то время как для жидких металлов необходимо также учитывать растворение, массоперенос, влияние концентрации кислорода, термическую усталость и высокотемпературную ползучесть. Для условий работы с жидким натрием материалы должны быть совместимы с натриевой средой, а также необходимо контролировать содержание влаги и кислорода. Для условий работы со свинцово-висмутовыми сплавами при выборе материалов следует уделять внимание коррозионному поведению в условиях контролируемого содержания кислорода. Для условий работы с кадмиевыми сплавами, помимо совместимости материалов, необходимо учитыватьметичность и безопасность обслуживания. При проектировании высокотемпературных специальных насосов наш обычный подход заключается не в использовании одного материала для всего насоса, а в выре материалов по зонам. Канал насоса, корпус под давлением, фланцы, сварные детали, элементы обогрева и теплоизоляции, корпуса электромагнитных компонентов,ъемы датчиков, опорные конструкции — все они работают при разных температурах и контактируют с разными средами, поэтому требования к материалам различаются. Длячевых участков могут использоваться нержавеющая сталь, жаропрочная сталь, никелевые сплавы или специальные сплавы, а окончательное решение принимается на основе результатов испытаний с рабочей средой.

VI. Термические напряжения и тепловое расширение должны быть решены на этапе проектирования
Электромагнитные насосы для жидких металлов обычно работают в условиях высоких температур, поэтому проектирование термических напряжений имеет решающее значение. Температура корпуса насоса, канала насоса, корпуса катушек, кронштейнов, фланцев, патрубков и внешнихнительных элементов различна, и величина теплового расширения также различна. Если проектировать только на основе размеров при нормальной температуре, при работе в горячем состоянии могут возникнуть деформация конструкции, концентрация напряжений в сварных швах, утечки во фланцах или изменение электромагнитного зазора. При проектировании такого оборудования мы обычно рассматриваем отдельно пять состояний: холодный монтаж, нагрев, устойчивая работа, охлаждение и техническое обслуживание. Для высокотемпературных насосов жидких металлов теплоизоляция — это не просто обертывание слоем изоляционного материала, а контроль температурного градиента.окальное переохла может привести к затвердеванию среды, а локальный перегрев может повлиять на изоляцию катушек и срок службы материалов. У электромагнитных насосов есть одна особенность: электромагнитный зазор и эффективность магнитной цепи чувствительны к тепловой деформации. Тепловая деформация может изменить распределение магнитного поля, что, в свою очередь,лияет на выходную мощность насоса. Поэтому электромагнитное и конструктивное проектирование могут выполняться раздельно; они должны рассматриваться одновременно.

VII. Постав и испытания не могут основываться только на данных при нормальной температуре
изводительность электромагнитных насос для жидких металлов нельзя оценивать только по результатам испытаний на воде при нормальной температуре. Испытания чистой водой могут проверить качество изготовления, герметичность, основные размеры и некоторые проблемы с проточной частью, но они не могут реально отразить электропроводность, плотность, вязкость, температуру и коррозионное поведение жидкого натрия, свинцово-висмутовых и кадмиевых сплавов. Поэтому такое оборудование в большей степени нуждается в горячих испытаниях, испытах с моделирующей средой или испытаниях в контуре с жидким металлом. Содержание испытаний включает расход, повышение давления, ток, напряжение, нагрев катушек, температуру корпуса насоса, сопротивление изоляции, наличие утечек, пусковые характеристики и долговременную стабильность работы. Для ядерных электромагнитных насосов также необходимо добавить прослежиость материалов, записи сварки, неразрушающий контроль, испытания под давлением, испытания на герметичность и полноту заводской документации. При выполнении проектов мы поставляем электромагнитный насос как законченную систему, а не просто корпус насоса