三代非能動核電廠抗震鑒定試驗系統選型方案研究

尚 恒，葛 磊

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

核電廠設備開展抗震鑒定試驗主要依據核電廠設計規范書或鑒定試驗標準中規定的地震反應譜。三代非能動核電廠抗震鑒定試驗在位移和加速度指標上提出了更高的要求，國內原有的地震試驗系統大都難以完全滿足新的抗震鑒定試驗要求。鑒于此，筆者根據開展三代核電設備抗震鑒定試驗所要求的地震模擬試驗系統(簡稱抗震鑒定試驗系統)性能參數，結合該系統的特點和工程需要進行選型及方案優化，最終提出了一套抗震鑒定試驗系統的推薦選型方案。

1 抗震鑒定試驗系統性能參數

三代非能動核電廠需要開展抗震鑒定試驗的設備分為管線安裝設備和樓板安裝設備。根據IEEE std-344—2013 《核電站用1E級設備抗震鑒定的實施規程》和IEEE std-382—2006 《核電站用閥門驅動裝置鑒定》，管線安裝設備需要進行2/3RIM(required input motion)試驗及RIM試驗，樓板安裝設備需要進行1/2RRS(required response spectrum)試驗及RRS試驗。若設備的安裝形式既涉及管線安裝又涉及樓板安裝，則應對此設備分別進行單頻率RIM試驗和多頻率RRS試驗。

葛磊等[1]對三代核電地震試驗系統運動參數指標的確定進行了研究，得到了地震試驗系統的初步性能參數(見表1，X、Y方向為水平方向，Z方向為垂直方向)。

表1 地震試驗系統的初步性能參數

2 初步選型方案

鑒于RRS試驗要求在三個方向同時運動，并且在低頻段(<2 Hz)需要實現大位移，而電磁振動臺的設備固有特性決定了無法實現大位移，因此抗震鑒定試驗系統不能選用電磁振動臺，必須選用三軸六自由度液壓振動臺。

通過對三代非能動核電廠安全相關設備的分析，確定某一型號閥門的質量和尺寸可基本包絡大多數需要開展抗震鑒定試驗的設備，其最大開檔尺寸為1.1 m，總質量為3.4 t。該閥門在抗震鑒定試驗時需要連接管道和其他附件(如支架)等，最終設備的總長度約為2 m，總質量約為5 t。同時，為保留一定的裕量，初步考慮將抗震鑒定試驗系統的臺面尺寸設計為2.5 m×2.5 m，系統最大負載為6 t。

抗震鑒定試驗系統的初步選型方案見表2。

表2 抗震鑒定試驗系統的初步選型方案

3 方案優化及最終選型方案

結合三軸六自由度液壓振動臺的工作原理及特性進行綜合分析，如果采用表2的參數作為抗震鑒定試驗系統的選型參數，在系統研制過程中可能遇到以下技術問題：

(1) 為了實現低頻位移段要求，即水平最大位移為±280 mm、垂直最大位移為±180 mm，同時實現高頻段最大加速度達到8g，需要設計行程很長的抗震鑒定試驗系統的作動器推力桿，可能導致油柱共振頻率和作動器側向共振頻率偏低，一旦發生共振，在高頻加速度段難以保證8g的設計要求。與此同時，在2.5 m×2.5 m的臺面尺寸條件下，實現表2中提出的水平、垂直方向的大位移，會導致球鉸的擺角過大，容易引起機械干涉，可能進一步影響系統控制特性，甚至影響抗震鑒定試驗系統的安全性。而且球鉸設計中擺角越大，其剛度可能會越差，同樣造成作動器的側向共振頻率偏低，也會對高頻段最大加速度達到8g的設計要求產生不利影響。

(2) 中頻段要求水平最大速度為4.5 m/s、垂直最大速度為3.5 m/s，則要求配有超大流量的伺服閥，尤其在6 t負載的條件下，伺服閥的頻響性能將大幅下降，難以保證64 Hz之后達到最大加速度為8g的設計要求。

綜合考慮以上因素，按照表2的參數建造抗震鑒定系統不僅技術難度大，而且存在安全隱患，可實施性較低。

由于抗震鑒定試驗系統的位移和速度的極限要求均來自RRS試驗，結合工程實際中不同樓層反應譜的反演結果，根據設備質量、尺寸進行分類(A類設備質量為100～4 000 kg，尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m～1.5 m×1.5 m×1.5 m，占需要開展抗震鑒定設備類型總數的95%以上；B類設備質量≤100 kg，尺寸≤0.5 m×0.5 m×0.5 m，占需要開展抗震鑒定設備類型總數的3%以下)，分別提出針對不同類型設備開展抗震鑒定試驗的系統應達到的主要性能參數(見表3)。

表3 主要設備的RRS試驗參數

從表3可以看出：三代非能動核電廠需要開展抗震鑒定試驗的設備中，A類設備進行RRS試驗所要求的位移、加速度和速度等顯著低于B類設備同類參數；B類設備雖然要求的參數高，但質量和尺寸都較小。如果將A、B兩類設備抗震鑒定試驗要求分別考慮，可研發和建造2套三軸六自由度液壓振動臺。該方案在滿足A類和B類設備抗震試驗要求的同時，也可降低技術風險和建設成本，并提高設備運行安全性。

根據以上方案，2套三軸六自由度液壓臺的推薦選型參數見表4。

表4 2套三軸六自由度液壓振動臺的最終選型方案

4 結語

結合工程實際對不同樓層反應譜的反演結果及對應的設備質量、尺寸分類，并考慮一定的裕量，最終得出了適用于三代非能動核電設備的抗震鑒定試驗系統選型推薦方案。