一種核級電動執行機構的抗震試驗分析

陳寶龍，陳 根，朱 瑄

（重慶川儀自動化股份有限公司 執行器分公司，重慶 401121）

0 引言

核級電動執行機構是用于控制核電站的閥門驅動裝置，以確保閥門正常開關動作，作為閥門控制單元，是核電站的重要安全設備。其設計制造完成后，需嚴格按照相關標準及技術規格書要求進行鑒定試驗[1,2]，鑒定試驗全部完成后，方可投入核電站使用。抗震試驗作為其中一項重要鑒定試驗項目，特別是福島核電站地震發生后產生的嚴重后果，越發引起人們對核電站抗震安全的擔心。因此，必須要進行核級電動執行機構的抗震試驗。本文即是對N10 核級電動執行機構進行抗震試驗研究[3]。

1 執行機構的結構與性能參數

N10 核級電動執行機構用于核電站開啟和關閉小口徑電動截止閥、閘閥等，嚴格按照三代核電設計要求，在安全停堆地震（SSE）載荷下仍能執行規定的功能[4,5]，N10核級電動執行機構主要由電機、傳動部件、手輪、電氣罩、接線蓋等組成，如圖1 所示。該機型具有體積小、傳動精度高、傳遞功率大、承載能力高、易于安裝等特點，主要技術參數如下：

圖1 電動執行機構傳動原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of transmission principle of electric actuator

型號：N10

輸出轉速：72r/min

轉動方式：多回轉

額定轉矩：60Nm

防護等級：IP68

安全類別：K3

重量：45kg

外形尺寸：515×430×300

2 抗震試驗

N10 核級電動執行機構抗震試驗在天津航天瑞萊科技有限公司試驗檢測中心H1248A、BT900M 和HV-D-1-180-1001 振動臺上進行，抗震試驗按照用戶現場實際安裝工況安裝，將電動執行機構安裝在臺面上，坐標系布置如圖2 所示。手輪方向為Z 軸，接線蓋方向為X 軸，電氣罩方向為Y 軸，測量點布置如圖3 所示。手輪為測量點1，接線蓋頂部為測量點2，電機頂部為測量點3。

2.1 動態特性探測試驗

試驗時，電動執行機構通過夾具剛性固定在振動臺擴展臺（Z 向）或水平滑臺（X、Y 向）上。試驗采用兩點平均控制方式進行，兩控制點均位于振動臺擴展臺（Z 向）或水平滑臺（X、Y 向）上。在試驗件上安裝 3 個測量點，動態特性探測試驗曲線如圖4 所示。其中，加速度幅值示值擴展不確定度≤0.21dB（k=2），頻率示值擴展不確定度≤0.001%（k=2）。

結果表明，N10 樣機X 方向的第一階固有頻率為87.004Hz；Y 方向的第一階固有頻率為82.156Hz；Z 方向的第一階固有頻率為160.37Hz，設備3 個方向的頻譜如圖4所示。

圖2 設備安裝圖Fig.2 Equipment installation diagram

圖3 測量點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

2.2 OBE試驗

動態特性探查之后，N10 樣機按照圖5 要求進行了OBE 地震模擬試驗，N10 樣機與動態特性探測試驗相同安裝，參照表1 參數進行OBE 試驗。

結果表明，經兩次掃描后樣機并未出現異常，掃頻曲線如圖6 所示。

2.3 SSE試驗

OBE 試驗后，N10 樣機按照圖5 進行了SSE 地震模擬試驗，在整個抗震試驗中，SSE 地震模擬試驗最為嚴酷，為此次抗震分析比較的重點對象。

圖4 設備頻譜圖Fig.4 Equipment spectrum

圖5 地震試驗要求響應譜Fig.5 Response spectrum required for seismic test

圖6 掃頻曲線Fig.6 Frequency sweep curve

表1 OBE試驗條件Table 1 OBE test conditions

SSE 試驗采用的是正旋拍波方式分別對X、Y、Z 三個方向進行地震試驗，在各頻率點及共振頻率處（＜64Hz）進行試驗，正弦拍波的每個拍中應包含12 ～15 個周波。振動臺頻率范圍為0.1Hz ～200Hz，最大位移峰峰150mm，受設備最大位移限制，振動臺在SSE 試驗中2Hz 處能達到最大加速度為1.15g，2.52Hz 處能達到最大加速度為1.65g。試驗頻率：1Hz ～33Hz 間采用1/3 倍頻程，33Hz ～64Hz間采用1/6 倍頻程，見表2。

試驗時，試驗件安裝狀態、測量點安裝位置同OBE 試驗。試驗采用單點控制方式進行，一個控制點位于振動臺擴展臺（Z 向）或水平滑臺（X、Y 向）上。各頻率點設置正弦拍波的拍數見表4，每個拍中包含15 個周波，符合試驗要求。各測點響應最大值見表3。

2.4 試驗狀態檢查

每個狀態試驗前，對螺栓連接狀態、測量與控制系統、試驗件安全保護裝置、試驗件狀態等內容進行檢查。每個狀態試驗時，對試驗件的狀態進行外觀監視。每個狀態試驗結束后，進行以下內容檢查：

1）試驗數據分析及檢查。

2）控制傳感器的安裝狀態、線路連接等環節有無異常。

3）測量傳感器的安裝狀態、線路連接等環節有無異常。

4）試驗件與夾具的連接螺栓的固定狀態檢查。

5）試驗件外觀檢查、螺栓連接狀態檢查。

6）其他配套檢查。

被試設備測點處加速度響應的最大峰值（絕對值），見表3。從表3 中可見，在SSE 地震模擬試驗中，手輪測點處的加速度反應最大，X、Y、Z 三軸向峰值分別為19.160g、36.209g、14.826g，三軸向所測點最大加速度峰值位置分別為電機、手輪、電機，放大倍數分別為2.66、5.03、2.06 倍，見表4。

表2 SSE試驗條件Table 2 SSE test conditions

表3 各測點加速度時程最大值（g）Table 3 Maximum acceleration time history of each measuring point (g)

表4 所測點最大加速度及放大倍數Table 4 Maximum acceleration and magnification of the measured points

圖7 加速度時程圖Fig.7 Acceleration time history chart

抗震試驗的SSE 地震模擬試驗加速度時程圖，如圖7所示。由于試驗件在5Hz 以下沒有共振反應，則在3.17 Hz以下可以不包絡，3.17Hz 及以上試驗中設備控制點處加速度響應（TIM）的幅值在三正交軸向均能包絡幅值地震鑒定的要求輸入運動（RIM），故試驗滿足HAF J0053-1995《核設備抗震鑒定試驗指南》要求，試驗中試驗件控制點處加速度幅值包絡情況如圖8 所示。

3 結論

按照樣機鑒定試驗大綱抗震試驗的要求，對N10 進行了動態特性探查試驗。按地震試驗要求響應譜設計的人工地震波進行兩次OBE 地震模擬試驗、一次SSE 地震模擬試驗；試驗時X、Y、Z 三個方向的反應譜均包絡了要求響應譜。幾何因子G=1.2，抗震試驗前、試驗后對樣機進行了性能測試。結果如下：

圖8 控制點處加速度幅值包絡情況Fig.8 Envelope of acceleration amplitude at control points

1）動態特性探測試驗測得N10 樣機X 方向的第一階固有頻率為87.004Hz；Y 方向的第一階固有頻率為82.156 Hz；Z 方向的第一階固有頻率為160.37Hz。

2）兩次OBE 地震模擬試驗、一次SSE 地震模擬試驗后，檢查樣機，樣機結構無裂痕、螺釘、螺母無松動、脫落，也沒有任何損傷、變形，被試設備始終保持其完整性。

3）抗震試驗前、試驗中、試驗后對N10 樣機進行了性能試驗，試驗結果顯示N10 樣機性能滿足鑒定試驗大綱及試驗規程要求。

綜上所述，在對N10 樣機進行規定的抗震試驗后，試驗驗證了N10 型核級閥門驅動裝置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。