核級閥門電動執行器抗震試驗研究

郭慶，韓松，邱文，李濤

(1. 揚州電力設備修造廠，江蘇揚州225003;2. 中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽110016)

0 前言

為保證核電站的安全運行，核電站所使用的設備、建筑等都必須經過相應的抗震試驗，以保證其抗震能力能夠在平時可能地震的情況下對核電站的運行不造成影響。并且在有可能發生的最嚴酷地震狀況下仍能做到安全停堆［1－2］。核級閥門電動執行器是用于控制核電站的相關電動閥門［3－4］，從而保證系統的安全穩定運行，是核電站的重要設備之一。核級閥門電動執行器作為核電站的重要設備，必須要驗證核級閥門電動執行器的抗震性能，因此要進行電動執行器實際工況的抗震試驗。以下著重介紹了研究SDQH 型核級閥門電動執行器的抗震試驗。

1 電動執行器構成及參數

SDQH 型核級閥門電動執行器主要是開啟和關閉核電站的風閥、閘閥、截止閥等，其主要由罩蓋，下殼體、連接盤、驅動電機、手動部件、電氣組件及傳動部件等零部件構成，如圖1 所示。傳動部件由一對正齒輪及NN 型少齒差行星齒輪組成。主要技術參數如表1［5］。

圖1 SDQH 型結構圖

2 抗震試驗

抗震試驗的目的是通過試驗，驗證SDQH 型樣機在地震載荷作用下能否正常工作，是否能保持其完整性和可運行性。

表1 技術參數

SDQH25 型和SDQH50 型核級閥門電動執行器抗震試驗所用的設備分別為中國核動力研究設計院核級設備鑒定試驗室6 m×6 m 大型高性能地震模擬試驗臺和同濟大學土木工程防災國家重點實驗室振動臺試驗室4 m×4 m 地震模擬振動臺。抗震試驗按照實際工況安裝，將SDQH 型核級閥門電動執行器與風閥固定連接，同時被安裝在振動臺面上，通過振動臺施加與預計地震等效的激勵，并測試被測設備的響應。安裝設備的方案如圖2 所示，SDQH25 型和SDQH50 型與風閥安裝方案相同。坐標系的建立見圖2，原點設置在連接盤底部中心處，Y 軸正向為連接盤垂直方向，Z 軸正向為手柄方向。同時在罩蓋處和手輪處分別設置加速度傳感器測點。在地震試驗前首先進行動態特性探查測試，然后經過5 次小量級的OBE 地震模擬試驗和1 次大量級的SSE 地震模擬試驗。

圖2 設備安裝及加速度測點

2.1 動態特性探查試驗

通過動態特性探查試驗查明設備的固有頻率和阻尼比，獲得設備的固有動態特性，并以此為基礎，驗證數學模型的合理性或對數學模型進行修正，選擇抗震試驗的最佳試驗方法。試驗中，在電動執行器3 個正交軸方向進行激振，輸入加速度幅值為0.2g，激勵類型為正弦掃頻，掃描歷時120 s。

樣機的固有頻率可通過頻譜圖得到，圖3 和圖4所示為X、Y、Z 3 個方向的頻譜圖。

圖3 SDQH25 型頻譜圖

圖4 SDQH50 型頻譜圖

從圖3 和圖4 中可以看出SDQH25 樣機X 方向的固有頻率大于100 Hz;Y 方向的固有頻率為85.11 Hz;Z 方向的固有頻率為15.05 Hz。SDQH50 樣機X方向的固有頻率為15 Hz;Y 方向的固有頻率為21.25 Hz;Z 方向的固有頻率為15.25 Hz。樣機3 個方向的固有頻率相對于振動試驗所測值［6］下降，在振動試驗中，SDQH25 型X、Y、Z 方向的固有頻率分別為:大于200 Hz、74.6 Hz、63.3 Hz，SDQH50 型X、Y、Z方向的固有頻率分別為:131 Hz、132.6 Hz、129.2 Hz。這主要是由于樣機在振動試驗中是直接與振動臺相連，而在抗震試驗中是按照實際工況與風閥相連并固定在振動臺面上。

2.2 抗震試驗

圖5 抗震試驗響應譜圖

抗震試驗采用多頻波法［7］，用人工模擬加速度時程控制，時程由要求的響應譜RRS 計算生成，同時由該人工模擬加速度時程所轉換得到的目標響應譜TRS 必須包絡RRS。試驗要求的響應譜如圖5 所示，其頻率范圍為0.2 ～100 Hz，阻尼比為4%。按照要求的地震加速度響應譜，生成的人工模擬地震波作為輸入信號激勵振動臺臺面進行抗震試驗。

地震響應［8－9］是指抗震試驗中被試設備對輸入激勵的放大情況。地震響應與被試設備的自振特性、地震輸入頻譜以及振動量級有關，是被試設備對地震輸入綜合反應的結果。表2 為被試設備測點處加速度響應的最大峰值(絕對值)。從表2 中可見，在SSE 地震模擬試驗中，SDQH25 型在相同位置測點的加速度高于SDQH50 型的測點值，這主要是由于SDQH50 與SDQH25 質量和質心位置不同以及振動臺等綜合因素產生的樣機對地震加速度響應的差異;SDQH25 型手輪測點處的加速度反應最大，三軸向峰值分別為15.9g、20g、14.9g。在整個抗震試驗中，SSE 地震模擬試驗最為嚴酷，圖6 和圖7 所示為抗震試驗的SSE 地震模擬試驗加速度時程圖。從圖6 和圖7 中可以看出，試驗時間約為30 s，其中強震時間超過20 s。樣機在SSE 試驗前處于開啟狀態，試驗開始后在強震過程中操作電動執行機構對風閥進行關閉。試驗中，被試設備工作處在正常運行狀態，試驗過程中和試驗后，被試設備始終保持其完整性。

表2 設備測點處加速度響應

圖6 SDQH25 型SSE 地震模擬試驗的加速度時程

圖7 SDQH50 型SSE 地震模擬試驗的加速度時程

3 結束語

綜上所述，在對SDQH25 型和SDQH50 型樣機進行規定的抗震試驗后，試驗驗證了兩種核級閥門電動執行器在地震載荷作用下能正常工作，并且樣機結構及工作性能保持完好。

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