核儀控系統物項替換抗震評估方法研究及應用

郝則勝，張亞棟，王 嫘，高玉斌，周 洋，張 磊

(北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094)

0 引言

最初，核電廠儀控系統設備所開展的抗震鑒定通常由原來的設備供應商或制造商進行。供應商或制造商實施了質量保證程序控制，核電相關部門通常援引這些程序控制，以確保繼續對用于原安裝設備的替換物項進行抗震鑒定。目前，中國物項替換缺乏抗震技術評估方法[1]，因此，國內核電行業有必要改進物項采購程序，包括增加工程部門對確定采購要求和合格供應商的參與。美國核電行業制定了核電廠物項替換抗震技術評估的指導方針，以協助核電相關部門滿足核電廠物項替換的需求。但是，這些指導方針并未包括對抗震技術評估的具體指導。

本文對替換物項的抗震技術評估方法進行研究，并結合物項替換的實際應用，提出適合國內核電儀控系統應用的物項替換抗震技術評估方法，對中國核電行業核安全級物項抗震技術評估具有很好的借鑒意義。

1 核電廠儀控系統物項替代抗震技術評估程序

對替換物項進行抗震技術評估，首先進行場景1地震不敏感物項評估；如不符合場景1的條件，轉入場景2地震堅固物項評估；如不符合場景2的條件，轉入場景3。前兩個場景為常規評估，第三個場景是詳細的地震充分性驗證。

場景1：確定替換物項是否具有地震不敏感特性。地震不敏感物項實際上沒有地震限制，因此不需要任何進一步的抗震技術評估。換句話說，它們在任何地點或方向都可以被抗震技術評估程序接受。

場景2：需要施加限制條件，使物項被歸類為地震堅固物項，例如，典型的限制條件可能是對核電廠儀控系統設備的位置的限制條件。場景2的目的是確定地震堅固物項的差異是否會影響主機所需的地震充分性。

場景3：對于尚未確定為地震堅固物項或已知可能對地震敏感的物項，需要進行詳細的地震充分性驗證。

核電廠儀控系統抗震技術評估程序的三級評估場景[2]，如圖1所示。

圖1 抗震技術評估程序三級評估場景

2 物項替代抗震技術評估關鍵步驟

2.1 地震不敏感物項技術評估

地震不敏感物項是抗震技術評估三級評估場景中,對替換物項的第一級篩選。地震不敏感物項通常沒有地震破壞機理。因此，地震不敏感物項可以在沒有任何具體地震要求的情況下采購，其性能和可接受性不受地震荷載的影響。

地震不敏感物項的確定可以基于試驗法、分析法或經驗數據法。無論這些物項所承受地震載荷程度如何，這些物項都不會受到損害，而且這些物項及其主機的地震充分性也將得到維持。

在評估地震不敏感物項時，技術評估人員應首先審查現有地震不敏感物項清單。如果該物項不在核電廠的地震不敏感清單上，則應按照相關標準方法進行評估；如果該物項滿足地震不敏感的要求，則可將其添加到核電廠的地震不敏感清單中。一旦確定某物項對地震不敏感，就可以在沒有具體地震要求的情況下采購。

抗震技術評估流程如圖2所示。

圖2 抗震技術評估流程圖

確定物項地震不敏感的方法有以下幾種[3-5]。

(1)該物項對主機的動態特性影響很小，替換后主機的固有頻率保持相似。通常，對于簡單的物項，可以通過證明物項質量的潛在變化是主機質量的一小部分來證明。抗震技術評估還必須考慮離心率或質心變化的影響，并證明輕微的變化不會影響主機的動態特性。這就確保了物項替換引起的質量變化的影響可以忽略不計，從而排除了跟蹤質量變化累積效應的需要。本文給出了確定主機固有頻率保持相似的方法，具體參見第3節。

(2)物項不機械地改變狀態(如閥門)或機電地改變狀態(如繼電器、斷路器)，也不損害主機的安全功能。

(3)物項不在主機的地震荷載路徑中，或者沒有地震破壞失效模式。①是否在地震荷載路徑，技術評估人員可以通過分析地震荷載路徑來確定。地震載荷路徑中的物項將被視為將主機固定在一起的物項。除因物項本身的慣性而產生的地震荷載外，物項內的應力(如軸承、彎曲、張力或剪切)不因地震荷載而增加，則可判定為物項不在地震載荷路徑之中。②沒有地震破壞失效模式。技術評估人員可以通過分析、測試或經驗數據來完成。一般來說，證明該物項的地震能力超過任何地震荷載對物項的破壞能力。

2.2 地震堅固物項技術評估

地震堅固物項是抗震技術評估三級評估場景中,對替換物項的第二級篩選。地震堅固物項是指在地震荷載超過物項設計應用所需地震要求的條件下，預期能保持物項所要求的地震適應性。

2.2.1 地震堅固物項限制條件

地震不敏感物項和地震堅固物項的主要區別是：地震不敏感物項可以作為不受地震限制的替換物；而地震堅固物項則有其局限性，必須為地震堅固物項清單中的每個物項確定其適用的限制條件。

限制條件是根據記錄在案的地震能力所確定的，并確保替換物項保持該物項及其主機的地震充分性。這些限制條件可以分為兩類。第一類與地震需求有關，為地震包絡條件，通常用地震反應譜來表示。第二類限制條件涉及對替換物項施加的任何其他限制條件，為特定條件，以確保記錄在案的地震能力適用于替換物項(即設計和安裝方面相似)。當地震堅固物項的地震包絡條件和特定條件得到滿足時，該物項及其主機的地震充分性將得到滿足。

純粹的結構物項(螺栓、螺母、墊圈等)是地震堅固物項。這些物項沒有地震包絡條件，但與材料強度、尺寸和安裝有關的限制條件需要滿足特定條件。

進行地震堅固物項評估時，技術評估人員應首先審查核電廠特有的地震堅固物項清單。如果該物項不在核電廠的地震堅固物項清單上，應按照相關標準方法進行評估；如果該物項符合地震堅固物項的要求，則可添加到核電廠的地震堅固物項清單中。

2.2.2 地震堅固物項作為替換物項的判定條件

技術評估人員在評估地震堅固物項是否可判定為可接受的替換物項時，須證明該物項符合限制條件。如滿足以下兩點，則該物項可以作為地震堅固物項采購。①地震包絡條件覆蓋了物項的地震需求。證明所安裝的物項具有較高的裕量，即地震反應譜、峰值加速度、較低的地面高度或較低的放大率等地震需求參數均滿足物項的地震需求。②物項的質量屬性包絡定義的特定條件。證明該物項具有與特定條件相同或更高的質量屬性(例如，強度更大、延展性增加等)。

2.2.3 地震堅固物項的評估方法

在進行地震堅固物項評估時，技術評估人員應審查現有的分析文件、鑒定報告、試驗和地震經驗數據庫，以確定是否為替換物項提供了適用的地震充分性信息。

物項的地震能力和設計/安裝屬性限制條件通常是從現有的地震能力文件中得出的，也可以進行地震充分性分析。為確定某一物項是否為地震堅固物項，必須對適用的文件進行審查，以確定地震的包絡條件和物項的特定條件。

確定地震堅固物項的方法如下。

(1)物項為不具有潛在可操作性的敏感物項。

(2)物項對主機的動態特性的影響是可以接受的，證明方法參見第3節。

(3)確定地震邊界條件。地震邊界條件包括以下幾個部分。①根據現有的地震資料或地震充分性，分析確定一個物項的地震充分性。②確定物項所需的主機，并確定因主機結構而產生的任何放大效應。此外，還應界定建筑物的高度，利用主機安裝位置和振幅，確定地震需求(例如，反應譜、位移、峰值加速度等)。然后，將預期替換物項的地震需求與地震充分性文獻中的地震能力進行比較。③確定用于確保地震堅固物項的地震包絡條件，并將其列入地震堅固物項清單。這些條件可以用地震能力(反應頻譜、峰值加速度等)或應用限制(主機位置、建筑高度等)來表示。

技術評估人員應審查地震充分性文件，以確定適用于地震能力的限制條件。對物項的限制條件應滿足核電廠許可證的要求，具體限制條件包括制造/型號/年份、有關物項的地震設計屬性的條件及安裝條件。地震設計屬性與物項的資格鑒定方法相關聯，包括：物項相對于其附件或錨地的質量；物項的剛度；受材料、截面特性和結構影響的物項強度；物項錨固方法(支撐位置等)；物項錨固強度；重要或精密裝置或電氣干擾的間隙、公差和允許載荷；物項的附件(管道、電纜、電氣導線等)；物項的固有頻率；物項的可動子部件(受地震引起的運動影響)。

技術評估人員應對物項替換活動的要求(例如設計和安裝細節)進行審查，確保與現有地震充分性文件的限制條件一致。將物項列入核電廠的地震堅固物項清單，并界定特定條件，以涵蓋地震充分性文件中充分反映替換條件的所有情況。地震堅固物項為純結構物項的特定條件應與材料、尺寸和安裝有關。材料特定條件為最小強度、延展性和高溫下的特性等；尺寸特定條件為螺栓直徑、螺紋長度、每英寸(1英寸=25.4 mm)螺紋和頭樣式等。安裝特定條件如螺栓擰緊扭矩值。

3 核電廠儀控系統物項替代抗震技術評估主機動態特性相似證明

證明物項替換后主機動態特性是否保持相似，首先應確定主機動態特性的主要影響因素。本文以單自由度有阻尼自由振動系統為例，介紹動態特性的主要影響因素[6-10]。單自由度有阻尼自由振動系統的力學模型如圖3所示。

圖3 單自由度有阻尼自由振動系統力學模型

圖3中：k為振動系統剛度；c為振動系統阻尼；m為振動系統質量；x為質點位移。

根據牛頓第二定律，建立具有黏性阻尼的自由振動微分方程：

(1)

對式(1)進行變形，得：

(2)

令：

式中：ζ為阻尼比；ωn=2πfn，與固有頻率直接相關，fn為固有頻率。

綜上可知，結構的固有頻率為：

(3)

從式(3)中可以看出，結構固有頻率只與系統的剛度和質量有關。在確定物項對主機的動力學影響時，物項對主機動態特性的影響主要是分析其對剛度和質量的影響，進而分析對主機固有頻率的影響。

根據GB 50267-1997 核電廠地震設計規范對地震設計中計算模型的基本要求，得出物項對主機動態特性影響程度影響評判標準[5]：假設替換物項作為子體系，其質量變化為m1；主機質量為m。子體系質量與主體結構的質量之比為λ，規定如下。①若λ<0.01。不考慮物項作為子體系的剛度影響。②若0.01<λ<0.1。當物項作為子體系的基本頻率與主機的主導頻率之比小于等于0.8或者大于等于1.25時，不考慮物項為子體系的剛度影響。③若物項與主體結構式柔性連接，不計入子體系的剛度的影響。④主機動態特性變化，可由式(3)求得。

評價標準：主機結構固有頻率變化小于10%，認為物項替換引起的主機動態特性與原主機動態特性保持相似。

4 物項替換抗震技術評估應用實例

某核電站工程樣機鑒定于2013年4月底完成了設備鑒定試驗。A光纜終端盒也屬此設備鑒定的范圍，且設備鑒定合格。后期，因A光纜終端盒廠家停止生產，核電站需要采購B光纜終端盒替換A光纜終端盒，因此，需要對B光纜終端盒進行抗震技術評估。

根據第1節抗震技術評估流程，確定對B光纜終端盒進行抗震技術評估。首先，需要判斷B光纜終端盒是否屬于地震不敏感物項，即B光纜終端盒是否滿足第2節確定物項地震不敏感的方法。證明過程如下。

②光纜終端盒的作用是為光纜提供安裝接點。其本身不機械地改變狀態或機電地改變狀態，也不損害工程樣機的安全功能。

③光纜終端盒除因本身的慣性而產生的地震荷載外，光纜終端盒內的應力不因地震荷載而增加。因此，可以證明光纜終端盒不在主機的地震荷載路徑中。

由以上證明過程，可以判定B光纜終端盒為地震不敏感物項。根據圖2，文件記錄B光纜終端盒的地震不敏感特性，并直接采購抗震技術評估合格的B光纜終端盒。

為驗證核電廠儀控系統物項替換抗震技術評估方法的正確性，對B光纜終端盒進行單獨的抗震試驗。試驗結果表明，B光纜終端盒具備良好的抗震性能，從而證明了核電廠儀控系統物項替換抗震技術評估方法正確可行。

5 結束語

本文對美國EPRI相關導則、標準進行研究，提出核電廠儀控系統抗震技術評估程序的三級篩選和評估場景及抗震技術評估流程圖，利用單自由度有阻尼自由振動系統模型，得到結構動態特性的主要影響因素。針對地震不敏感物項及地震堅固物項,提出動態相似的具體證明方法；結合國內核電廠儀控系統某光纜終端盒替換實例，提出適合國內核電行業應用的核電廠物項替換抗震技術評估方法。該研究對中國核電行業核安全級物項抗震技術評估具有借鑒意義。