非能動核電廠1E級閥門電動裝置的鑒定與試驗

鄭開云，陳 智

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

三代非能動核電廠(CAP系列核電廠)是我國在引進、消化、吸收美國西屋公司AP1000非能動技術的基礎上，通過創新開發的具有自主知識產權的大型先進壓水堆核電機組[1-3]。為了滿足三代非能動核電廠示范工程建設需要，大量的核安全級設備正在進行國產化開發。我國從事核電閥門驅動裝置設計制造的單位開發了用于三代非能動核電廠的1E級閥門電動裝置，這也是首批實現國產化的三代核電廠設備之一。三代非能動核電廠1E級閥門采用直流電動裝置[4]，相比現有的二代核電廠使用的交流電動裝置，其設計、制造的難度更大，同時鑒定試驗的要求也顯著提高。電動裝置樣機需經歷電磁兼容性(electromagnetic compatibility，簡稱EMC)、熱老化、熱循環、輻照老化、磨損老化、正常循環加壓、振動老化、抗震和設計基準事故模擬等鑒定試驗。

本文介紹了國內自主研發的三代非能動核電廠1E級閥門直流電動裝置樣機的設計和鑒定要求，并詳細闡述了樣機鑒定試驗過程，探討了抗震試驗、設計基準事故試驗中的技術問題及解決方案，為從事核電設備鑒定的機構和其他相關的核電設備研制單位提供借鑒。

1 電動裝置及其鑒定要求

1.1 電動裝置設計

閥門驅動裝置，包括電動、氣動、液壓、電磁致動器等，用于打開、關閉閥門，或調節閥門開度，從而實現閥門的遠程控制。在三代非能動核電廠中，有100多個1E級閥門驅動裝置，其中大部分是電動和氣動裝置。

三代非能動核電廠中的1E級電動裝置由直流電動機驅動，用于操作截止閥、閘閥和蝶閥。電機的額定電壓為220VDC。電動裝置的安全功能是在需要時打開或關閉閥門。在三代非能動核電廠中，1E級電動裝置為抗震I類和安全級C類，電動裝置的設計壽命為60年。安裝在安全殼內部和外部的電動裝置，分別對應嚴酷和緩和環境條件。

電動裝置是機械部件和電氣部件的組合，基本結構如圖1所示。機械部件采用金屬材料制造，其對于環境老化的影響可忽略不計。但是，電氣部件容易受到環境老化的影響。有機材料用于制造元器件，如：電動機、限位開關、扭矩開關、電氣端子、端子塊、墊圈和O形環，以及潤滑劑，它們易受核電廠長期服役期間的老化因素的影響，可能的因素有：溫度、輻照、壓力、機械振動、濕度、化學噴淋、浸沒等。蝸桿、蝸輪、軸承等運動部件還可能在長期運行中發生磨損。這些都需要在設計和鑒定過程中全面考慮。

圖1 電動裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of an electric actuator

1.2 鑒定要求

開展設備鑒定的目的是驗證設備在設計基準事故(Design Basis Accident，簡稱DBA)期間和之后能夠執行安全相關的功能，從而減少服役過程中由環境引起的設備共模失效的可能性。

三代非能動核電廠1E級電氣設備的鑒定包括三部分，即環境鑒定、抗震鑒定和電磁兼容性鑒定[5]。鑒定范圍須覆蓋核電廠所有安裝位置(安全殼內和殼外)的服役工況，包括正常、異常和DBA運行環境。鑒定主要遵循電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，簡稱IEEE)發布的核電設備鑒定標準，并兼顧規范書中其他特定的鑒定要求[6]。

三代非能動核電廠1E級閥門電動裝置的壽命是60年。電動裝置在正常、異常運行和DBA環境中遭受環境老化作用而發生性能退化。在DBA之前，樣機應經受相當于60年服股的老化試驗。對于給定的鑒定壽命目標，沒有適當理由不允許在鑒定程序中更換或維護樣機。在鑒定大綱中環境參數的選擇應包含核電廠安全殼內部和外部的所有安裝位置的正常、異常和DBA工況。

2 鑒定試驗方案

2.1 鑒定試驗樣機

1E級直流閥門電動裝置應具有同樣的材料、結構形式、功能、安裝方式和制造工藝，故其鑒定試驗可按照IEEE 382-2006 附錄A 選擇有代表性的電動裝置樣機進行[7]。該方法根據外推概念，以偏離平均值50%～100%來確定外推值以確定鑒定試驗有代表性且合理數量的樣機。

2.2 鑒定試驗序列

電動裝置鑒定采用型式試驗方法，包括基本功能試驗、環境鑒定試驗、抗震鑒定試驗和EMC鑒定試驗等，鑒定試驗必須按規定的序列進行。電動裝置鑒定試驗序列見表1，該鑒定試驗序列制定的原則是將IEEE 382-2006標準的要求和規范書的要求進行融合，并充分考慮了實施過程的可操作性。

表1 鑒定試驗序列

注：*鑒定規范書中的特定要求

電動裝置的功能試驗根據規范書規定來確定，主要包括：

(1)空載動作試驗：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下分別實施試驗樣機的開、關方向動作；

(2)帶載動作試驗：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下，并使轉矩控制開關設定在額定轉矩值，分別實施試驗樣機的開、關方向動作；

(3)堵轉試驗：在72%電壓下實施試驗樣機電機的堵轉試驗。

3 鑒定試驗結果

3.1 EMC試驗

EMC試驗用于驗證電動裝置產生的電磁干擾不會影響核電廠正常運行，驗證其自身的抗電磁干擾的能力，以判斷安全級設備在受到電磁干擾時能否正確執行其規定的功能。

樣機的EMC試驗按照NRC RG 1.180文件要求執行[8]，采用了相應的MIL-STD-461E標準和IEC 61000-4系列標準，包括發射試驗和抗擾度試驗，所完成的試驗項目見表2，試驗結果表明，電動裝置樣機滿足EMC鑒定驗收要求。

表2 EMC試驗項目

3.2 環境老化試驗

環境老化試驗的目的是檢驗電動裝置樣機到達壽命末端的狀態[9]，通過樣機在DBA試驗前經受等同于設備在正常服役期間由溫度、輻照、機械磨損、外壓、振動等老化因子引起的對其材料或結構的退化作用，以判斷樣機是否仍可執行規定功能。

樣機經歷的環境老化試驗包括熱老化、熱循環、輻照老化(含γ和等效的β輻照劑量[10])、磨損老化、正常循環加壓、振動老化等，鑒定試驗參數見表3。各項鑒定試驗后的功能試驗結果表明樣機功能正常，各項指標均在規定的偏差范圍內。

表3 環境鑒定試驗參數

3.3 抗震試驗

通過抗震試驗及功能試驗驗證了樣機在地震工況下以及經受地震載荷作用之后仍能執行安全功能的能力?？拐鹪囼烅椖堪ㄟ\行基準地震(Operating Basis Earthquake, 簡稱OBE)試驗和安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, 簡稱SSE)試驗。OBE試驗采用沿三個正交方向的單軸正弦掃頻方式實施，SSE試驗分為正弦拍波要求輸入運動(Required Input Motion, 簡稱RIM)試驗和多頻波要求響應譜(Required Response Spectrum ,簡稱 RRS)試驗，并且需在抗震前后進行共振頻率探查試驗?；镜脑囼灲Y果如下：

(1)OBE試驗

對樣機的每個正交軸向進行加速度幅值為2/3停堆值的正弦掃頻振動試驗，如圖2所示。實際試驗的加速度幅值應增加10%裕度。共包括2次2Hz～64Hz～2Hz 的單軸正弦掃描試驗，掃頻速率為 1倍頻程/min。兩次掃頻時，樣機分別處于開啟和關閉位置。

(2)RIM試驗

對樣機在每個正交軸向進行一系列的單軸正弦拍波試驗，頻率范圍為2Hz～64Hz。在2Hz～32Hz頻率范圍內以1/3倍頻程間隔進行，在32Hz～64Hz頻率范圍內以1/6倍頻程間隔進行，加速度幅值如圖2所示，實際試驗的加速度幅值應增加10%裕度。如果樣機存在小于64Hz的共振頻率，則還應在該共振頻率點按相應加速度值進行試驗。每個頻率的激勵形式為：至少5個連續的正弦拍波，每拍15個周波，最少持續15秒。在每個頻率拍波時，樣機在定電壓下完成至少一次帶載動作循環。

圖2 要求輸入運動Fig. 2 Required input motion

(3)RRS試驗

對樣機進行三軸隨機多頻試驗，水平方向和垂直方向同時進行激勵，持續時間30s，其中強震部分20s。頻率范圍1～100Hz。實際試驗的加速度應增加10%裕度，以保證試驗響應譜(Test Response Spectrum，簡稱TRS)包絡RRS。RRS如圖3所示，對應的阻尼比為3%，圖中最頂層的譜線包絡電動裝置在核電廠中的全部安裝位置，作為試驗用的RRS。試驗過程中，樣機應在規定電壓下完成至少一次帶載動作循環。

由于三代非能動核電廠設備抗震試驗要求非常高，而國內缺乏高性能的試驗臺架[11-13]，所以需要對采用單一的三軸液壓振動臺(地震模擬振動臺)試驗方案進行優化，主要體現在以下兩方面：

(1)對于RIM試驗，包括OBE正弦掃頻和SSE正弦拍波試驗，無法在一個試驗臺上完成全部試驗，考慮到低頻部分位移大、高頻部分加速度大的特點，采取液壓振動臺和電磁振動臺分臺試驗，分別解決低頻和高頻部分的試驗。

(2)對于RRS試驗，采用三軸液壓試驗臺，但試驗臺可以達到的位移和速度有限，試驗響應譜無法包絡RRS譜線低頻部分，考慮到電動裝置共振頻率在5Hz以上，所以3.5Hz以下可以不包絡，因此在RRS試驗時重點確保高頻部分能夠包絡要求譜線。

圖3 RRS試驗響應譜Fig. 3 Response spectrum of RRS test

3.4 設計基準事故試驗

DBA試驗模擬核電站DBA期間及之后的環境條件，用以考核樣機在此事故環境條件下的安全功能，以及必要的機械完整性和電氣完整性。DBA試驗包絡線如圖4所示。

圖4 DBA試驗溫度和壓力包絡線Fig. 4 Temperature and pressure profile for DBA test

樣機連同模擬負載安裝于DBA試驗容器內(見圖5)，試驗持續時間共30天，包括24小時的化學噴淋。三代非能動核電廠設備鑒定DBA試驗的特點是初始拉峰過程溫度和壓力上升速率較快，特別是要求容器內溫度由試驗環境溫度在18秒鐘內升溫至峰值溫度226℃(含+8℃裕度)，試驗難度較大，DBA試驗臺架需要充足的蒸汽蓄能罐，多個蒸汽噴射入口，從而實現快速拉峰過程[14]。

圖5 DBA試驗樣機安裝照片Fig. 5 Installation of specimens for DBA test

在安全殼內的DBA事故，即失水事故，最終會導致安全殼內置換料水箱釋放冷卻水淹沒堆芯[15]，在這種工況下，標高較低的閥門會被淹沒，所以這部分閥門的電動裝置也會經受DBA事故后的水淹環境。在完成上述的30天DBA模擬試驗后，兩臺樣機浸沒于規定壓力、溫度和化學條件的硼酸溶液中，完成72小時的浸沒試驗。

試驗結果表明，試驗環境參數實測曲線包絡目標曲線。試驗期間樣機在規定時間點完成帶載動作，說明樣機在模擬LOCA事故過程中、事故后以及水淹事故中能夠保持其安全功能。

4 結論

三代非能動核電廠1E級閥門直流電動裝置樣機通過一系列鑒定試驗，結果表明樣機可以承受鑒定規范書要求的正常、異常和DBA及SSE的考驗，可以確保執行啟、閉閥門的功能，該系列1E級直流電動裝置具備在核電廠服役過程中執行規定的安全功能的能力。同時，也表明國內已掌握該核電堆型用1E級直流電動裝置設計和制造的核心技術，并具備設備鑒定的能力。