三代核电阀门驱动装置抗震鉴定试验方法_图文

1、文章编号:1002-5855(201602-0006-05三代核电阀门驱动装置抗震鉴定试验方法郑开云(上海发电设备成套设计研究院,上海200240摘要介绍了AP/CAP系列三代核电机组各种类型的阀门驱动装置,阐述了驱动装置抗震鉴定试验要求、方法和结果的评价,并就IEEE382标准在抗震鉴定方面的应用和试验实施中存在的问题进行了分析讨论,提出了针对性解决措施。关键词核级阀门;驱动装置;抗震鉴定;IEEE标准中图分类号:TH134文献标志码: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概述随着我国第三代核电技术研发和核电站建设和发展,三代核电采用了最高标准的安全设计,所以对核电设备的设计和鉴定也提出更高要求。相对于阀门而言,驱动装置作为1E级电气设备,其鉴定过程往往更加复杂,涉及到环境

4、鉴定、抗震鉴定和EMC 鉴定等多方面,特别是阀门驱动装置的抗震鉴定必须用动态法,不能采用静力法,所以驱动装置抗震鉴定试验有不少难度,需要深入理解试验方法和标准。本文针对AP/CAP系列三代核电机组,梳理了各种类型的阀门驱动装置,并归纳了驱动装置鉴定试验基本要求,阐述了抗震鉴定试验方法,并对相关技术问题进行了分析和研究。2驱动装置结构分析2.1类型阀门驱动装置用以开启、关闭阀门或者调节阀门的位置,从而实现对阀门的远距离控制。按照工作原理,驱动装置可以分为电动、气动、液动、气液联动、电液联动等各种类型。三代核电(以下均指AP/CAP系列核电阀门驱动装置除了通常的电动、气动、气液联动等类型以外,还有

5、电磁动驱动类型(一体化设计截止阀,以及用于爆破阀的药筒驱动装置。由于采取非能动设计理念,三代核电机组系统简化,核级设备数量比二代改进型核电厂大幅减少1,其中核级阀门数量下降到约700台2。三代核电机组各类1E级的阀门驱动装置约200台,其中数量较大的是电动装置和气动执行机构。电动装置采用直流电机驱动,用于配套电动截止阀、闸阀及蝶阀。气动执行机构用于配套气动截止阀、气动球阀、气动旋塞阀、气动蝶阀、稳压器比例喷雾阀、大气释放阀、给水调节阀等多种类型的阀门。气液联动阀门驱动装置用于配套两台主蒸汽隔离阀和两台主给水隔离阀。电磁阀通常用于配套气动执行机构,用于工艺系统的电磁动截止阀采用一体化设计,电磁驱

6、动部件与阀体集成。药筒驱动装置是一种特殊DOI:10.16630/ki.1002-5855.2016.02.004作者简介:郑开云(1980,男,浙江宁波人,高级工程师/博士,现主要从事核安全设备鉴定方面的工作。类型的驱动装置,用于配套非能动安全系统中的爆破阀。2.2鉴定三代核电机组安全级设备通常要求60a设计寿命,所以对于1E级的驱动装置,除了爆破阀药筒驱动装置等特殊类型外,要求达到60a鉴定寿命。驱动装置的鉴定按照IEEE3822006标准(以下简称IEEE382标准,该标准获得美国核管会(NC监管导则文件“EGULATOY GUIDE1.732013 Qualification Test

7、s for Safetyelated Actuators in Nuclear Power Plants”认可。驱动装置鉴定采用型式试验方法,通过对代表性的样机进行一系列的鉴定试验完成。基本的鉴定试验序列3根据IEEE382标准制定。基准功能试验。热老化试验。辐照老化试验包含设计基准事故(design basis accident, DBA辐照。循环老化试验。压力循环试验。振动老化试验。抗震试验。DBA环境试验包括水淹事故工况。最终功能试验。各项鉴定试验后还需要进行中间功能试验。根据驱动装置类型和设计,还需要考虑电气部件的电磁兼容性(EMC鉴定。3抗震试验要求和方法3.1总体要求对于三代核电阀

8、门驱动装置,其抗震鉴定要求非常高,显著区别于以往二代加核电的要求,是十分关键的鉴定项目。驱动装置样机在抗震试验前须经历热老化、辐照老化、循环老化、压力循环和振动老化试验等,模拟驱动装置在核电厂正常运行工况对驱动装置寿命产生的累积损伤,因此在进行抗震试验时,样机已经到达寿命的“末期”。抗震试验项目包括运行基准地震(operating ba-sis earthquake,OBE试验和安全停堆地震(safe shutdown earthquake,SSE试验。OBE试验为沿三个正交方向的单轴正弦扫频试验。SSE试验分为正弦拍波要求输入运动(required input motion,IM试验和多频波

9、要求反应谱(required response spec-trum,S地震试验,管线安装方式的驱动装置进行沿三个正交方向的单轴或双轴单频正弦拍波IM试验,刚性安装方式(安装于楼板、墙壁和结构的驱动装置进行三轴或双轴的多频S试验,两种安装方式都有的驱动装置在完成IM试验后再进行S试验。但是,需要注意到IEEE382标准给出的IM和S谱线不适用于三代核电。抗震试验前需要进行共振频率探查试验,用于测定驱动装置的共振频率,抗震试验后可再做一遍,通过对比试验前、后共振频率点的变化判断抗震试验可能对样机造成的损伤。驱动装置样机在SSE 试验期间要求执行操作,所以试验时样机连同模拟负载安装至试验台。通过抗震

10、试验及后续功能试验后,按照试验序列进行DBA环境试验,或者对于DBA工况无安全功能的驱动装置,则鉴定试验即已完成。3.2OBE试验对于管线安装和/或刚性安装方式的驱动装置, OBE试验要求和方法是相同的。OBE试验采用正弦扫频的方式,按照2/3IM曲线,即加速度水平取IM曲线的2/3,以不超过1oct/min的速度,分别沿X、Y、Z三个正交方向,完成两次2Hz64Hz 2Hz扫频,两次扫频时,驱动装置样机分别处于“开”位和“关”位,样机不需要执行操作。OBE试验应确保加速度幅值不低于要求值加+10%裕度。3.3IM SSE试验管线安装的驱动装置IM SSE试验要求按照表1的试验点完成单频正弦拍

11、波试验,其中2 32Hz为1/3倍频程频率点,32 64Hz为1/6倍频程频率点,此外还应进行100Hz以内共振频率点的正弦拍波试验。表1要求输入运动(IM频率(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频率(Hz8.0010.0812.7016.0020.1625.40加速度(g 4.50 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00频率(Hz32.0035.9240.3245.2550.8064.00加速度(g 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00 6.00通常采用分别沿X、Y、Z三

12、个正交方向的单轴试验,在每个频率点的正弦拍波试验包括一连串的拍波系列。需要指出的是,IEEE382标准与IEEE 344标准对于正弦拍波的定义不尽一致。IEEE382标准中15.3c条款要求拍波系列是连续的、同相的(振动反应叠加,持续时间不少于15s,每拍包括12 15个周波数。IEEE3442013中8.6.2.3条款要求拍波系列包含至少5个拍波,且拍与拍之间有充分的停顿以避免振动反应叠加,每拍通常包含5或10个周波数,总的持续时间不少于15s(不包括拍与拍之间的停顿4。可见这两个标准的主要差异在于前者采用连续的拍波系列而后者采取间断的拍波系列,且前者对于拍波包含周波数也更加保守。我国核电行

13、业普遍采用的HAF J00531995指南与IEEE3442013标准中的方法基本一致5,因此,实际试验采用至少5个拍波,持续时间不少于15s,两条件须同时满足(低频5个拍波的持续时间可能大于15s,高频15s持续时间对应的拍波数可能大于5拍,拍间停顿不少于2s(通常不超过5s。同时,考虑到三代核电要求评价IM试验的可接受性,每拍周波数宜为12或15。IM SSE试验加速度幅值要求加+10%裕度。在试验操作顺序上,每个方向的IM SSE试验也可以紧接着该方向的OBE试验后进行。在每个频率点的IM SSE试验期间,驱动装置要求执行操作。当驱动装置的操作循环时间大于试验持续时间,则可执行部分操作,

14、但必须在规定振幅水平进行开启和关闭操作。当开启/关闭循环时间小于5s,则要求在试验期间至少执行两次操作循环。调节阀驱动装置以20%行程执行带载操作。为了评价IM SSE试验结果可接受性,需要按照表2的流程对每个频率点的正弦拍波试验数据进行一系列的分析计算,通过所有步骤则认为试验结果符合要求。评价过程需要使用所采集IM SSE 试验时间历程的数据,用于计算相关频率点的反应谱(阻尼比取5%,还需要修正放大因子(Corrected Amplification Factor,CAF曲线(图1。这一评价流程的实质是证实试验反应谱(test response spectrum, TS包络IM拍波的要求反应

15、谱S,不单是只要求试验的最大加速度幅值大于试验要求值。以10.08Hz频率点为例,其评价结果见图2,其中上图为试验要求的IM拍波时程(12周波/拍,下图为对应的反应谱,实际拍波试验加速度最大反应值应高于要求的反应值。表2IM SSE试验符合性评价流程步骤评价内容计算结果N1IM试验频率(Hz(表1N2IM试验要求加速度幅度(g(表1N3最近邻反应谱分析频率(可取N3=N1N4根据IM试验时程,计算N3频率点加速度的最大反应(阻尼比取5%(gN5IM试验的零周期加速度ZPA(g,即IM试验加速度绝对值峰值N6核查N5N2若核查结果为否,则试验结果不可接受N7计算比值:N3/N1(=1N8计算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计算实际反应加速度:N4/N8(gN10核查N9N2,即N4N8N2若核查结果为否,则试验结果不可接受N11根据IM试验时程,计算N1(110%频率点加速度的最大反应(阻尼比取5%(g或者计算N3/(21/6频率点加速度的最大反应(阻尼比取5%(gN12计算乘积: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若核查结果为否,则试验结果不可接受N14根据IM试验时程,计算N1(1+10%频率点加速度的最大反应(阻尼比取5%(g或者计算N3

17、(21/6频率点加速度的最大反应(阻尼比取5%(gN15计算乘积: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若核查结果为否,则试验结果不可接受3.4S SSE试验刚性安装驱动装置需要进行S SSE试验,推荐采用三轴地震模拟试验。S由具体设备的规范书给定。试验前通常需要生成人工模拟地震波(人工模拟加速度时程,作为地震试验输入。三代核电S SSE试验要求频率范围1 100Hz,持续时间30s,其中强震部分至少20s(大于IEEE344标准要求的15s。S SSE试验时,地震台三个正交方向同时产生相互独立的人工模拟地震波,它们之

18、间的相干函数小于0.5或者相关系数的绝对值小于0.3 。(a12周波/拍(b15周波/拍图1修正放大因子曲线(阻尼比5% 图2IM拍波时程和反应谱由于S是一系列假定阻尼比和自振频率的单自由度振子对于某一地震的最大反应,所以鉴定规范书中所给出的一系列阻尼比的S理论上是等价的,即试验可选取任意一个S作为试验的目标反应谱,并以此S对应的阻尼比作为试验采用的阻尼比,不需要与样机本身的阻尼比一致。例如,可选取5%阻尼比和该阻尼比的S用于试验。实际地震试验的TS必须包络S+10%裕度。S SSE试验期间,驱动装置要求执行操作。当驱动装置的操作循环时间大于试验持续时间,则可执行部分操作,但必须在规定振幅水平

19、进行开启和关闭操作,调节阀驱动装置以20%行程执行带载操作。3.5共振频率探查对于驱动装置刚性设计有要求的情况,如电动装置要求共振频率大于33Hz,进行共振频率探查试验可以进一步确定样机实际共振频率符合设计要求。另一方面,共振频率探查测定驱动装置样机100Hz以内的共振频率点,作为IM SSE试验的频率点。试验可采用单轴低水平正弦扫频,扫描速度不超过2oct/min,扫频范围1 100Hz。实际广泛采用低水平宽带随机波(白噪声,分别在三个主轴方向激励足够时间(通常120 180s。共振频率探查试验的加速度水平通常为0.2g。对于驱动装置,其本身抗震性能较高,可以适当提高加速度以获得更加准确的测

20、量值。4问题与讨论4.1配套阀门刚性尽管IEEE382标准作为阀门驱动装置鉴定的专门标准,给出了完整的鉴定试验流程和方法,但是驱动装置作为阀门的配套组件,仍然与阀门有密切关联。在驱动装置抗震鉴定试验方面,采用IEEE382标准事实上隐含了一个前提条件,即驱动装置配套后的阀门组件是刚性的(共振频率大于33Hz。以上所论述抗震试验的输入运动和反应谱实际上应是从阀门安装位置输入的作用于阀门的激励,所以相应的试验方法对于阀门组件整体的动态抗震试验总是适用的。只有当阀门组件为刚性的条件下,阀门驱动装置的加速度(图3中点3才能等于阀门安装位置的振动加速度(图3中点1、2,这时IEEE 382标准方法方可成

21、立。因此,按照IEEE 382标准完成抗震鉴定的驱动装置配套的阀门应是刚性的,对于不满足条件的情况,应对阀门组件整体进行动态抗震试验6 。1、2.阀门安装位置的振动加速度 3.阀门驱动装置的加速度图3典型阀门组件4.2抗震试验台能力三代核电抗震鉴定要求显著提高,特别是IMSSE 试验最高加速度(加+10%裕度达到6.6g ,而以往二代加核电抗震试验为5g ,由此造成现有抗震试验台能力不足的问题。OBE 试验和IM SSE 试验特点是低频区段位移大,高频区段加速度大(图4。液压振动台和地震台位移大,比较适合低频区段的试验,但高频区段,尤其是50Hz 以上,加速度性能受限,现有地震台几乎都达不到4

22、.4g 以上。电磁振动台适合5Hz 以上频率范围,高频性能优越,但是位移较小,无法胜任低频区段试验需求。因此,需要对OBE 试验和IM SSE 试验采取分段试验的方式,在液压振动台或地震台完成低频区段的试验,然后在电磁振动台完成高频区段的试验 。图4要求输入运动加速度、速度和位移S SSE 试验要求TS 包络S 。由于三代核电S 低频部分的加速度反应大,所以模拟地震波的位移和速度振幅也特别大,往往超出地震台限值,造成低频部分无法包络7。对于驱动装置而言,其整体结构刚性较好,5Hz 以下没有共振点,若不考虑驱动装置内部机械构件和电气部件的局部共振频率,在3.5Hz 以下TS 可以不包络S ,则现有地震台能力可以满足试验包络需求。随着国内高性能振动试验台建设和发展,抗震试验台的能力问题将得到根本解决,从而确保驱动装置抗震鉴定试验。5结语阀门驱动装置按照IEEE 382标准开展鉴定,其中抗震鉴定试验包括OBE 试验、IM SSE 试验和S SSE 试验。三代核电抗震鉴定要求提高,抗震试验参数更加保守。阀门驱动装置IM 试验频率范围扩展至64Hz ,最大加速度提高到6.6g ,抗震鉴定要求的提高,也给