三代核電閥門驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗方法_圖文

1、文章編號:1002-5855(201602-0006-05三代核電閥門驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗方法鄭開云(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海200240摘要介紹了AP/CAP系列三代核電機組各種類型的閥門驅(qū)動裝置,闡述了驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗要求、方法和結(jié)果的評價,并就IEEE382標準在抗震鑒定方面的應(yīng)用和試驗實施中存在的問題進行了分析討論,提出了針對性解決措施。關(guān)鍵詞核級閥門;驅(qū)動裝置;抗震鑒定;IEEE標準中圖分類號:TH134文獻標志碼:ASeismic Qualification Test Method forGeneration III Nuclear Valve ActuatorsZHE

2、NG Kai-yun(Shanghai Power Equipmentesearch Institute,Shanghai200240,ChinaAbstract:Various types of valve actuators for AP/CAP series generation III nuclear reactors are intro-ducedSeismic qualification test requirements,method and results evaluation are described in detailIs-sues on the application

3、of IEEE382standard in seismic qualification and implementation of test are ana-lyzed,and solutions are proposed accordinglyKey words:Nuclear Grade Valve;Actuator;Seismic Qualification;IEEE Standard1概述隨著我國第三代核電技術(shù)研發(fā)和核電站建設(shè)和發(fā)展,三代核電采用了最高標準的安全設(shè)計,所以對核電設(shè)備的設(shè)計和鑒定也提出更高要求。相對于閥門而言,驅(qū)動裝置作為1E級電氣設(shè)備,其鑒定過程往往更加復(fù)雜,涉及到環(huán)境

4、鑒定、抗震鑒定和EMC 鑒定等多方面,特別是閥門驅(qū)動裝置的抗震鑒定必須用動態(tài)法,不能采用靜力法,所以驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗有不少難度,需要深入理解試驗方法和標準。本文針對AP/CAP系列三代核電機組,梳理了各種類型的閥門驅(qū)動裝置,并歸納了驅(qū)動裝置鑒定試驗基本要求,闡述了抗震鑒定試驗方法,并對相關(guān)技術(shù)問題進行了分析和研究。2驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)分析2.1類型閥門驅(qū)動裝置用以開啟、關(guān)閉閥門或者調(diào)節(jié)閥門的位置,從而實現(xiàn)對閥門的遠距離控制。按照工作原理,驅(qū)動裝置可以分為電動、氣動、液動、氣液聯(lián)動、電液聯(lián)動等各種類型。三代核電(以下均指AP/CAP系列核電閥門驅(qū)動裝置除了通常的電動、氣動、氣液聯(lián)動等類型以外,還有

5、電磁動驅(qū)動類型(一體化設(shè)計截止閥,以及用于爆破閥的藥筒驅(qū)動裝置。由于采取非能動設(shè)計理念,三代核電機組系統(tǒng)簡化,核級設(shè)備數(shù)量比二代改進型核電廠大幅減少1,其中核級閥門數(shù)量下降到約700臺2。三代核電機組各類1E級的閥門驅(qū)動裝置約200臺,其中數(shù)量較大的是電動裝置和氣動執(zhí)行機構(gòu)。電動裝置采用直流電機驅(qū)動,用于配套電動截止閥、閘閥及蝶閥。氣動執(zhí)行機構(gòu)用于配套氣動截止閥、氣動球閥、氣動旋塞閥、氣動蝶閥、穩(wěn)壓器比例噴霧閥、大氣釋放閥、給水調(diào)節(jié)閥等多種類型的閥門。氣液聯(lián)動閥門驅(qū)動裝置用于配套兩臺主蒸汽隔離閥和兩臺主給水隔離閥。電磁閥通常用于配套氣動執(zhí)行機構(gòu),用于工藝系統(tǒng)的電磁動截止閥采用一體化設(shè)計,電磁驅(qū)

6、動部件與閥體集成。藥筒驅(qū)動裝置是一種特殊DOI:10.16630/ki.1002-5855.2016.02.004作者簡介:鄭開云(1980,男,浙江寧波人,高級工程師/博士,現(xiàn)主要從事核安全設(shè)備鑒定方面的工作。類型的驅(qū)動裝置,用于配套非能動安全系統(tǒng)中的爆破閥。2.2鑒定三代核電機組安全級設(shè)備通常要求60a設(shè)計壽命,所以對于1E級的驅(qū)動裝置,除了爆破閥藥筒驅(qū)動裝置等特殊類型外,要求達到60a鑒定壽命。驅(qū)動裝置的鑒定按照IEEE3822006標準(以下簡稱IEEE382標準,該標準獲得美國核管會(NC監(jiān)管導(dǎo)則文件“EGULATOY GUIDE1.732013 Qualification Test

7、s for Safetyelated Actuators in Nuclear Power Plants”認可。驅(qū)動裝置鑒定采用型式試驗方法,通過對代表性的樣機進行一系列的鑒定試驗完成?；镜蔫b定試驗序列3根據(jù)IEEE382標準制定?；鶞使δ茉囼?。熱老化試驗。輻照老化試驗包含設(shè)計基準事故(design basis accident, DBA輻照。循環(huán)老化試驗。壓力循環(huán)試驗。振動老化試驗?？拐鹪囼?。DBA環(huán)境試驗包括水淹事故工況。最終功能試驗。各項鑒定試驗后還需要進行中間功能試驗。根據(jù)驅(qū)動裝置類型和設(shè)計,還需要考慮電氣部件的電磁兼容性(EMC鑒定。3抗震試驗要求和方法3.1總體要求對于三代核電閥

8、門驅(qū)動裝置,其抗震鑒定要求非常高,顯著區(qū)別于以往二代加核電的要求,是十分關(guān)鍵的鑒定項目。驅(qū)動裝置樣機在抗震試驗前須經(jīng)歷熱老化、輻照老化、循環(huán)老化、壓力循環(huán)和振動老化試驗等,模擬驅(qū)動裝置在核電廠正常運行工況對驅(qū)動裝置壽命產(chǎn)生的累積損傷,因此在進行抗震試驗時,樣機已經(jīng)到達壽命的“末期”?？拐鹪囼烅椖堪ㄟ\行基準地震(operating ba-sis earthquake,OBE試驗和安全停堆地震(safe shutdown earthquake,SSE試驗。OBE試驗為沿三個正交方向的單軸正弦掃頻試驗。SSE試驗分為正弦拍波要求輸入運動(required input motion,IM試驗和多頻波

9、要求反應(yīng)譜(required response spec-trum,S地震試驗,管線安裝方式的驅(qū)動裝置進行沿三個正交方向的單軸或雙軸單頻正弦拍波IM試驗,剛性安裝方式(安裝于樓板、墻壁和結(jié)構(gòu)的驅(qū)動裝置進行三軸或雙軸的多頻S試驗,兩種安裝方式都有的驅(qū)動裝置在完成IM試驗后再進行S試驗。但是,需要注意到IEEE382標準給出的IM和S譜線不適用于三代核電。抗震試驗前需要進行共振頻率探查試驗,用于測定驅(qū)動裝置的共振頻率,抗震試驗后可再做一遍,通過對比試驗前、后共振頻率點的變化判斷抗震試驗可能對樣機造成的損傷。驅(qū)動裝置樣機在SSE 試驗期間要求執(zhí)行操作,所以試驗時樣機連同模擬負載安裝至試驗臺。通過抗震

10、試驗及后續(xù)功能試驗后,按照試驗序列進行DBA環(huán)境試驗,或者對于DBA工況無安全功能的驅(qū)動裝置,則鑒定試驗即已完成。3.2OBE試驗對于管線安裝和/或剛性安裝方式的驅(qū)動裝置, OBE試驗要求和方法是相同的。OBE試驗采用正弦掃頻的方式,按照2/3IM曲線,即加速度水平取IM曲線的2/3,以不超過1oct/min的速度,分別沿X、Y、Z三個正交方向,完成兩次2Hz64Hz 2Hz掃頻,兩次掃頻時,驅(qū)動裝置樣機分別處于“開”位和“關(guān)”位,樣機不需要執(zhí)行操作。OBE試驗應(yīng)確保加速度幅值不低于要求值加+10%裕度。3.3IM SSE試驗管線安裝的驅(qū)動裝置IM SSE試驗要求按照表1的試驗點完成單頻正弦拍

11、波試驗,其中2 32Hz為1/3倍頻程頻率點,32 64Hz為1/6倍頻程頻率點,此外還應(yīng)進行100Hz以內(nèi)共振頻率點的正弦拍波試驗。表1要求輸入運動(IM頻率(Hz 2.00 2.52 3.17 4.00 5.04 6.35加速度(g 1.20 1.50 1.86 2.32 2.89 3.60頻率(Hz8.0010.0812.7016.0020.1625.40加速度(g 4.50 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00頻率(Hz32.0035.9240.3245.2550.8064.00加速度(g 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00通常采用分別沿X、Y、Z三

12、個正交方向的單軸試驗,在每個頻率點的正弦拍波試驗包括一連串的拍波系列。需要指出的是,IEEE382標準與IEEE 344標準對于正弦拍波的定義不盡一致。IEEE382標準中15.3c條款要求拍波系列是連續(xù)的、同相的(振動反應(yīng)疊加,持續(xù)時間不少于15s,每拍包括12 15個周波數(shù)。IEEE3442013中8.6.2.3條款要求拍波系列包含至少5個拍波,且拍與拍之間有充分的停頓以避免振動反應(yīng)疊加,每拍通常包含5或10個周波數(shù),總的持續(xù)時間不少于15s(不包括拍與拍之間的停頓4?？梢娺@兩個標準的主要差異在于前者采用連續(xù)的拍波系列而后者采取間斷的拍波系列,且前者對于拍波包含周波數(shù)也更加保守。我國核電行

13、業(yè)普遍采用的HAF J00531995指南與IEEE3442013標準中的方法基本一致5,因此,實際試驗采用至少5個拍波,持續(xù)時間不少于15s,兩條件須同時滿足(低頻5個拍波的持續(xù)時間可能大于15s,高頻15s持續(xù)時間對應(yīng)的拍波數(shù)可能大于5拍,拍間停頓不少于2s(通常不超過5s。同時,考慮到三代核電要求評價IM試驗的可接受性,每拍周波數(shù)宜為12或15。IM SSE試驗加速度幅值要求加+10%裕度。在試驗操作順序上,每個方向的IM SSE試驗也可以緊接著該方向的OBE試驗后進行。在每個頻率點的IM SSE試驗期間,驅(qū)動裝置要求執(zhí)行操作。當驅(qū)動裝置的操作循環(huán)時間大于試驗持續(xù)時間,則可執(zhí)行部分操作,

14、但必須在規(guī)定振幅水平進行開啟和關(guān)閉操作。當開啟/關(guān)閉循環(huán)時間小于5s,則要求在試驗期間至少執(zhí)行兩次操作循環(huán)。調(diào)節(jié)閥驅(qū)動裝置以20%行程執(zhí)行帶載操作。為了評價IM SSE試驗結(jié)果可接受性,需要按照表2的流程對每個頻率點的正弦拍波試驗數(shù)據(jù)進行一系列的分析計算,通過所有步驟則認為試驗結(jié)果符合要求。評價過程需要使用所采集IM SSE 試驗時間歷程的數(shù)據(jù),用于計算相關(guān)頻率點的反應(yīng)譜(阻尼比取5%,還需要修正放大因子(Corrected Amplification Factor,CAF曲線(圖1。這一評價流程的實質(zhì)是證實試驗反應(yīng)譜(test response spectrum, TS包絡(luò)IM拍波的要求反應(yīng)

15、譜S,不單是只要求試驗的最大加速度幅值大于試驗要求值。以10.08Hz頻率點為例,其評價結(jié)果見圖2,其中上圖為試驗要求的IM拍波時程(12周波/拍,下圖為對應(yīng)的反應(yīng)譜,實際拍波試驗加速度最大反應(yīng)值應(yīng)高于要求的反應(yīng)值。表2IM SSE試驗符合性評價流程步驟評價內(nèi)容計算結(jié)果N1IM試驗頻率(Hz(表1N2IM試驗要求加速度幅度(g(表1N3最近鄰反應(yīng)譜分析頻率(可取N3=N1N4根據(jù)IM試驗時程,計算N3頻率點加速度的最大反應(yīng)(阻尼比取5%(gN5IM試驗的零周期加速度ZPA(g,即IM試驗加速度絕對值峰值N6核查N5N2若核查結(jié)果為否,則試驗結(jié)果不可接受N7計算比值:N3/N1(=1N8計算N7

16、比值(=1下的修正放大因子CAF(12周波/拍,CAF=8(15周波/拍,CAF=8.5N9計算實際反應(yīng)加速度:N4/N8(gN10核查N9N2,即N4N8N2若核查結(jié)果為否,則試驗結(jié)果不可接受N11根據(jù)IM試驗時程,計算N1(110%頻率點加速度的最大反應(yīng)(阻尼比取5%(g或者計算N3/(21/6頻率點加速度的最大反應(yīng)(阻尼比取5%(gN12計算乘積:N11/N1比值下的修正放大因子CAFN2,即4.3N2N13核查N11(0.9N12,即N11(0.94.3N2若核查結(jié)果為否,則試驗結(jié)果不可接受N14根據(jù)IM試驗時程,計算N1(1+10%頻率點加速度的最大反應(yīng)(阻尼比取5%(g或者計算N3

17、(21/6頻率點加速度的最大反應(yīng)(阻尼比取5%(gN15計算乘積:N14/N1比值下的修正放大因子CAFN2,即5.4N2N16核查N14(0.9N15,即N14(0.95.4N2若核查結(jié)果為否,則試驗結(jié)果不可接受3.4S SSE試驗剛性安裝驅(qū)動裝置需要進行S SSE試驗,推薦采用三軸地震模擬試驗。S由具體設(shè)備的規(guī)范書給定。試驗前通常需要生成人工模擬地震波(人工模擬加速度時程,作為地震試驗輸入。三代核電S SSE試驗要求頻率范圍1 100Hz,持續(xù)時間30s,其中強震部分至少20s(大于IEEE344標準要求的15s。S SSE試驗時,地震臺三個正交方向同時產(chǎn)生相互獨立的人工模擬地震波,它們之

18、間的相干函數(shù)小于0.5或者相關(guān)系數(shù)的絕對值小于0.3 。(a12周波/拍(b15周波/拍圖1修正放大因子曲線(阻尼比5% 圖2IM拍波時程和反應(yīng)譜由于S是一系列假定阻尼比和自振頻率的單自由度振子對于某一地震的最大反應(yīng),所以鑒定規(guī)范書中所給出的一系列阻尼比的S理論上是等價的,即試驗可選取任意一個S作為試驗的目標反應(yīng)譜,并以此S對應(yīng)的阻尼比作為試驗采用的阻尼比,不需要與樣機本身的阻尼比一致。例如,可選取5%阻尼比和該阻尼比的S用于試驗。實際地震試驗的TS必須包絡(luò)S+10%裕度。S SSE試驗期間,驅(qū)動裝置要求執(zhí)行操作。當驅(qū)動裝置的操作循環(huán)時間大于試驗持續(xù)時間,則可執(zhí)行部分操作,但必須在規(guī)定振幅水平

19、進行開啟和關(guān)閉操作,調(diào)節(jié)閥驅(qū)動裝置以20%行程執(zhí)行帶載操作。3.5共振頻率探查對于驅(qū)動裝置剛性設(shè)計有要求的情況,如電動裝置要求共振頻率大于33Hz,進行共振頻率探查試驗可以進一步確定樣機實際共振頻率符合設(shè)計要求。另一方面,共振頻率探查測定驅(qū)動裝置樣機100Hz以內(nèi)的共振頻率點,作為IM SSE試驗的頻率點。試驗可采用單軸低水平正弦掃頻,掃描速度不超過2oct/min,掃頻范圍1 100Hz。實際廣泛采用低水平寬帶隨機波(白噪聲,分別在三個主軸方向激勵足夠時間(通常120 180s。共振頻率探查試驗的加速度水平通常為0.2g。對于驅(qū)動裝置,其本身抗震性能較高,可以適當提高加速度以獲得更加準確的測

20、量值。4問題與討論4.1配套閥門剛性盡管IEEE382標準作為閥門驅(qū)動裝置鑒定的專門標準,給出了完整的鑒定試驗流程和方法,但是驅(qū)動裝置作為閥門的配套組件,仍然與閥門有密切關(guān)聯(lián)。在驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗方面,采用IEEE382標準事實上隱含了一個前提條件,即驅(qū)動裝置配套后的閥門組件是剛性的(共振頻率大于33Hz。以上所論述抗震試驗的輸入運動和反應(yīng)譜實際上應(yīng)是從閥門安裝位置輸入的作用于閥門的激勵,所以相應(yīng)的試驗方法對于閥門組件整體的動態(tài)抗震試驗總是適用的。只有當閥門組件為剛性的條件下,閥門驅(qū)動裝置的加速度(圖3中點3才能等于閥門安裝位置的振動加速度(圖3中點1、2,這時IEEE 382標準方法方可成

21、立。因此,按照IEEE 382標準完成抗震鑒定的驅(qū)動裝置配套的閥門應(yīng)是剛性的,對于不滿足條件的情況,應(yīng)對閥門組件整體進行動態(tài)抗震試驗6 。1、2.閥門安裝位置的振動加速度 3.閥門驅(qū)動裝置的加速度圖3典型閥門組件4.2抗震試驗臺能力三代核電抗震鑒定要求顯著提高,特別是IMSSE 試驗最高加速度(加+10%裕度達到6.6g ,而以往二代加核電抗震試驗為5g ,由此造成現(xiàn)有抗震試驗臺能力不足的問題。OBE 試驗和IM SSE 試驗特點是低頻區(qū)段位移大,高頻區(qū)段加速度大(圖4。液壓振動臺和地震臺位移大,比較適合低頻區(qū)段的試驗,但高頻區(qū)段,尤其是50Hz 以上,加速度性能受限,現(xiàn)有地震臺幾乎都達不到4

22、.4g 以上。電磁振動臺適合5Hz 以上頻率范圍,高頻性能優(yōu)越,但是位移較小,無法勝任低頻區(qū)段試驗需求。因此,需要對OBE 試驗和IM SSE 試驗采取分段試驗的方式,在液壓振動臺或地震臺完成低頻區(qū)段的試驗,然后在電磁振動臺完成高頻區(qū)段的試驗 。圖4要求輸入運動加速度、速度和位移S SSE 試驗要求TS 包絡(luò)S 。由于三代核電S 低頻部分的加速度反應(yīng)大,所以模擬地震波的位移和速度振幅也特別大,往往超出地震臺限值,造成低頻部分無法包絡(luò)7。對于驅(qū)動裝置而言,其整體結(jié)構(gòu)剛性較好,5Hz 以下沒有共振點,若不考慮驅(qū)動裝置內(nèi)部機械構(gòu)件和電氣部件的局部共振頻率,在3.5Hz 以下TS 可以不包絡(luò)S ,則現(xiàn)有地震臺能力可以滿足試驗包絡(luò)需求。隨著國內(nèi)高性能振動試驗臺建設(shè)和發(fā)展,抗震試驗臺的能力問題將得到根本解決,從而確保驅(qū)動裝置抗震鑒定試驗。5結(jié)語閥門驅(qū)動裝置按照IEEE 382標準開展鑒定,其中抗震鑒定試驗包括OBE 試驗、IM SSE 試驗和S SSE 試驗。三代核電抗震鑒定要求提高,抗震試驗參數(shù)更加保守。閥門驅(qū)動裝置IM 試驗頻率范圍擴展至64Hz ,最大加速度提高到6.6g ,抗震鑒定要求的提高,也給