先進壓水堆核電站核島通風空調系統設備鑒定研究

摘 要：文章通過對第三代先進壓水堆核電站核島通風空調系統核級設備樣機鑒定進行分析，總結出適用于核島通風空調系統核級關鍵設備包括風機類、風閥類、空調類和凈化類的樣機選擇原則、鑒定方法的選擇、包絡性地震載荷的確定、鑒定的實施和鑒定結論。該鑒定總結對于其他核電站通風空調系統核級設備的鑒定具有較高的參考價值和指導意義。

關鍵詞：通風空調系統；設備鑒定；環境鑒定；抗震鑒定；鑒定方法

引言

核電站核島通風空調系統對于核電站正常運行和環境保護起著重要的作用，是反應堆重要的輔助屏障系統，也是核電站的縱深防御措施之一。通風空調設備是核島通風空調系統的重要組成部分，對于核安全級（簡稱核級）的通風空調設備，需要進行鑒定以驗證其在規定的使用條件下具備所要求的功能能力。核島通風空調系統的主要設備包括風機類、風閥類、空調類和凈化類，因設備功能不同，這些設備類別又分為多種系列、型號和規格，選擇有代表性的樣機進行鑒定成為必然。文章在目前國內在建的某第三代先進壓水堆核電站核島通風空調系統關鍵設備的研制基礎上，對鑒定樣機的選擇原則、鑒定方法的選擇、鑒定輸入條件、鑒定內容、鑒定結論進行了分析總結。

1 設備鑒定

1.1 設備鑒定的目的

根據NB/T 20036.1[1]，設備鑒定的目的是證明被鑒定設備在規定的使用條件下具備所要求的功能能力，并產生相應的證據。

1.2 設備的分級

HAF102[2]在設計總準則一章中針對核電廠的設計提出了“必須明確規定構筑物、系統和部件的全部安全功能。構筑物、系統和部件必須按其安全的重要性進行分級。”從而根據其安全級別對物項的設計和評定提出相應的鑒定要求。根據TS-X-NIEP-TCYV-DC-20001[3]，第三代先進壓水堆核電站核島通風空調設備功能安全分級、電氣分級、地震分級之間的對應關系如表1所示。

1.3 設備鑒定的內容

設備鑒定包括設備的環境鑒定和抗震鑒定，只有經過設備鑒定合格的設備，才能用于核設施。環境鑒定是驗證設備在正常與事故環境條件下的性能，環境鑒定包括長期正常運行工況下的老化鑒定和事故環境工況下的LOCA鑒定；抗震鑒定是驗證設備在地震載荷的作用下能否正常工作，保持其要求的性能，以履行其安全功能。

針對國內在建的某第三代先進壓水堆核電站核島通風空調系統關鍵設備，依據該項目設備技術規格書以及相關規范標準，如TS-X-NIEP-TCYV-RN-20054[4]、BTR67C00303[5]、HAF J0053[6]、NB/T 20036.2-2011[7]、IEEE 334-2006[8]等的要求，選擇了8臺代表性樣機。樣機的選取原則是：每種類型的設備選擇一臺有代表性的進行鑒定，所選擇的代表性樣機是本類型設備系列中工況條件最惡劣的。8臺樣機的鑒定要求如表2所示。

1.4 設備鑒定的方法

對于設備的環境鑒定，一般采用試驗方法；

對于設備的抗震鑒定，可采用試驗法、分析法、相似法、經驗法或以上方法的適當組合。

2 設備的環境鑒定

從表2可知，8臺樣機沒有事故環境工況下的LOCA鑒定要求。本課題所涉及的電氣設備鑒定要求均為K3。這些電氣設備均按RCC-E[9]的要求進行了環境鑒定或者被已作環境鑒定的同類設備所包絡。對于樣機本身，需作環境鑒定的是設備中含有的一些環境敏感的非金屬材料，如密封墊、潤滑脂和油漆，這些材料的環境鑒定均按NB/T 20036.3[10]規定的試驗方法進行。

3 設備的抗震鑒定

3.1 抗震鑒定方法選擇的一般原則

抗震鑒定方法的具體應用應遵守NB/T 20036.1[1]的要求。在選擇抗震鑒定方法時宜考慮待鑒定設備的安全功能、可能的失常、可利用的鑒定資源以及設備類型、尺寸、形狀、復雜性，是否實際可行，是否只憑結構完整性就可評定所要求的安全功能，結論的可靠性等。

對于非能動機械設備的抗震鑒定，選擇分析法進行；對于無核電廠使用經驗的能動機械設備，應采用試驗法鑒定其原型設備（特殊情況除外）。

抗震分析法是采用有限元分析的方法，利用ANSYS程序計算設備的固有頻率，然后采用譜分析（計算時采用的地震載荷譜為該項目同一類型同一結構型式的所有核級設備地震譜的包絡譜）與靜力分析相結合的方法計算設備在自重、壓力、風管載荷（如有）以及地震載荷共同作用下的應力和變形，并根據相關標準進行應力評定。

抗震試驗法鑒定的試驗過程如下：

基準試驗：檢驗正常運行條件下的功能，并取得基準數據；

老化試驗（如有）：熱老化、輻照老化、運行老化（磨損、振動）；

地震試驗：規定地震條件下的振動和功能試驗；

最終檢驗：即最后的功能試驗，以便與基準試驗比較。

3.2 核級通風空調設備的抗震鑒定過程和結論

3.2.1 核級密閉型離心風機和核級高壓軸流風機的抗震鑒定過程

核級密閉型離心風機和核級高壓軸流風機的抗震鑒定采用試驗法進行。電機作為風機的配套設備，與風機一起進行抗震試驗，電機本身則采用相似法進行驗證。抗震試驗的內容和順序如下：

（1）基準試驗，包括：外觀及尺寸檢查、動平衡檢驗、機械運轉試驗、性能試驗。

（2）極限工況性能，即20%超速試驗。

（3）事故工況試驗。

即地震試驗，試驗采用多頻波法在試驗設備的三個正交軸向同時輸入人工模擬加速度（取地震阻尼比為4%時樓層反應譜的包絡譜水平方向和垂直方向的最大加速度）時程進行激振。采用地震臺臺面的加速度信號作為控制信號完成5次1/2DBE和1次DBE地震試驗，每次試驗時間30s。在模擬核安全事故工況下，風機可靠運行。該試驗在中國核動力設計研究院核級設備鑒定實驗室完成。

樓層反應譜的包絡譜是按照核級風機所處的廠房和標高，選擇每個廠房最大的樓層反應譜，然后對所選擇的樓層反應譜以4%阻尼比的曲線進行包絡分析得到核級風機的SSE包絡譜；

（4）最終檢驗，是地震試驗后的功能試驗，與基準試驗進行比較。

抗震試驗結果表明，核級密閉型離心風機和核級高壓軸流風機樣機在正常工況下以及事故工況下都滿足規范的要求。

3.2.2 核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥的抗震鑒定過程

核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥的抗震鑒定采用分析法和試驗法相結合的方法進行。

（1）分析法的抗震鑒定過程

對核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥進行抗震分析與應力評定，驗證結構的完整性，分析過程中采用有限元分析方法。

考慮核級風閥垂直管道和水平管道安裝方式，以及最不利的風管安裝方式的核級風閥開、關兩個位置建立有限元模型。

確定邊界條件：在進行模態分析時，核級風閥的邊界條件是將風閥與風管連接的所有螺栓的對應節點進行固定約束；在進行風閥抗震分析時，模型邊界條件為在支架和預埋板焊接處的相應節點上固支約束。

確定載荷組合和地震載荷，地震載荷采用核級風閥樓層反應譜的SSE包絡譜。

確定評定準則，包括設備應力限值，支承件應力限值，變形限值，連接螺栓應力評定準則。

利用ANSYS程序計算核級風閥的固有頻率，然后采用譜分析的方法計算核級風閥在自重、壓力、地震載荷共同作用下的應力和變形。計算和評定的內容有：模態分析，地震響應分析，各使用等級下計算和評定（包括應力分析結果及評定，變形分析結果及評定，軸的評定，連接螺栓的評定）。

依照RCC-M[11]規范對結構進行強度評定，結構的變形參考ASME AG-1[12]以及BTR67C00503[13]進行評定。結果表明核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥的設計滿足規范的要求。

（2）試驗法的抗震鑒定過程

核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥分別采用垂直管道和水平管道兩種安裝方式進行抗震試驗以實現包絡。電動裝置作為核級密閉型隔離風閥的配套設備，與核級密閉型隔離風閥一起進行抗震試驗。電動裝置本身也按IEEE 382-2006[14]采用抗震試驗的方法單獨進行驗證。

a.基準試驗，包括：外觀及尺寸檢查、動作靈活性試驗、外泄漏試驗、內泄漏試驗

b.極限工況試驗，包括：葉片變形量試驗、最大耐壓試驗

c.性能隨時間變化試驗，包括：500次循環試驗、循環試驗后外觀及尺寸檢查、循環試驗后外泄漏試驗、循環試驗后內泄漏試驗

d.事故工況試驗

即地震試驗，試驗采用多頻波法在試驗設備的三個正交軸向同時輸入人工模擬加速度（取地震阻尼比為4%時樓層反應譜的包絡譜水平方向和垂直方向的最大加速度）時程進行激振。采用地震臺臺面的加速度信號作為控制信號完成5次1/2DBE和1次DBE地震試驗，每次試驗時間30s。在模擬地震試驗過程中及試驗后，風閥能夠保持結構完整性的同時，也能實現其功能。該試驗在中國核動力設計研究院核級設備鑒定實驗室完成。

e.最終檢驗，是地震試驗后的功能試驗，與基準試驗進行比較。

抗震試驗結果表明，核級密閉型隔離風閥和核級多葉密閉型止回風閥樣機在正常工況下以及事故工況下都滿足規范的要求。

3.2.3 核級冷風機組的抗震鑒定

核級冷風機組的抗震鑒定采用分析法進行。風機作為核級冷風機組的配套設備，與核級冷風機組一起進行整機的抗震分析，風機和電機本身的能動性則通過相似法被已通過鑒定的同類設備所包絡。

首先，對核級冷風機組的結構特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、壓力（P）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應的載荷組合方式，地震載荷采用核級冷風機組樓層反應譜的SSE包絡譜；

然后確定評定準則，包括應力評定準則、變形評定準則和連接螺栓評定準則；

接著進行計算得出結果并根據RCC-M[11]和ASME AG-1[12]對結果進行評定，分別得出模態分析結果、地震響應分析結果、各使用等級下計算結果及評定（包括應力分析結果及評定、變形分析結果、連接螺栓評定、預埋板載荷）；

最后依照RCC-M[11]規范對結構進行強度評定，結構的變形參考ASME AG-1[12]進行評定。結果表明核級冷風機組的設計滿足規范的要求。

3.2.4 核級高壓致密型過濾器箱體的抗震鑒定

核級高壓致密型過濾器箱體的抗震鑒定采用力學分析法進行。

首先，對核級高壓致密型過濾器箱體的結構特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、靜壓（P）、風管施加的載荷（W）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應的載荷組合方式，地震載荷采用核級高壓致密型過濾器箱體樓層反應譜的SSE包絡譜；

然后確定評定準則，包括應力評定準則、連接螺栓評定準則和穩定性評定準則；

接著進行計算得出結果并根據RCC-M[11]對結果進行評定，分別得出模態分析結果、地震響應分析結果、各使用等級下計算結果及評定（包括應力分析結果及評定、變形分析結果、連接螺栓評定、預埋板載荷、焊縫強度校核、穩定性（屈曲）分析和評定）；

最后依照RCC-M[11]規范對結構進行強度評定，結構的變形參考BTR67C00703[15]進行評定。結果表明核級高壓致密型過濾器箱體的設計滿足規范的要求。

3.2.5 核級預過濾器/高效過濾器排架的抗震鑒定

核級預過濾器/高效過濾器排架的抗震鑒定采用力學分析法進行。

首先，對核級預過濾器/高效過濾器排架的結構特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、靜壓（P）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應的載荷組合方式，地震載荷采用核級預過濾器/高效過濾器排架樓層反應譜的SSE包絡譜；

然后確定評定準則，包括應力評定準則和連接螺栓評定準則；

接著進行計算得出結果并根據RCC-M[11]對結果進行評定，分別得出模態分析結果、地震響應分析結果、各使用等級下計算結果及評定（包括應力分析結果及評定、變形分析結果、連接螺栓評定）；

最后依照RCC-M[11]規范對結構進行強度評定，結構的變形參考BTR67C00703[15]進行評定。結果表明核級預過濾器/高效過濾器排架的設計滿足規范的要求。

3.2.6 DVD分體式核級空氣處理機組的抗震鑒定過程

DVD分體式核級空氣處理機組由4部分組成，分別為：DVD-AHU通風機組、DVD-AHU壓縮機機組、DVD-AHU室外機組和DVD-AHU就地控制柜，采用冷媒管路和電纜將4部分連接而成的整套機組。

DVD分體式核級空氣處理機組均安裝在同一廠房同一標高的樓層上，選擇4%阻尼比的曲線作為其SSE反應譜。

4 結束語

文章對第三代先進壓水堆核電站核島通風空調系統設備：核級密閉型離心風機、核級高壓軸流風機、核級密閉型隔離風閥、核級多葉密閉型止回風閥、核級冷風機組、DVD分體式核級空氣處理機組、核級高壓致密型過濾器箱體和核級預過濾器/高效過濾器排架的鑒定分別進行了總結，對核島通風空調系統設備的抗震鑒定如何應用規范標準進行了分析總結，總結出適用于核島通風空調系統關鍵設備的樣機選擇原則，鑒定方法的選擇，包絡性地震載荷的確定，鑒定的實施，和鑒定結論。該鑒定總結對于其他核電站核島通風空調系統核級設備的鑒定具有較高的參考價值和指導意義。

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[15]BTR67C00703.Air Filtering Devices for HVAC Circuits in Nuclear Power Plants.

*通訊作者：甘瑞霞（1974，2-），女，本科，工學學士，空調制冷工程師，現就職于南方風機股份有限公司，任職研發工程師，主要從事暖通空調系統凈化設備、空調設備的研發與設計等工作。