AP1000核電站主控室盤臺(tái)抗震鑒定試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐

馬淵睿 朱翊洲 王赤虎 謝永誠(chéng)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院工程設(shè)備所 上海 200233）

AP1000核電站主控室盤臺(tái)抗震鑒定試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐

馬淵睿 朱翊洲 王赤虎 謝永誠(chéng)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院工程設(shè)備所 上海 200233）

抗震試驗(yàn)是設(shè)備鑒定的一部分，AP1000核電設(shè)備的抗震鑒定相比于傳統(tǒng)抗震鑒定有了新的要求和方法。為滿足AP1000核電設(shè)備的抗震鑒定要求，本次試驗(yàn)與傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)有所不同。本文以完成的主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)為例，介紹和分析該試驗(yàn)在反應(yīng)譜、加速度計(jì)布置、功能性測(cè)試等方面的特殊要求。試驗(yàn)結(jié)果表明主控室盤臺(tái)滿足AP1000抗震鑒定的要求。這些特殊要求不僅可保證很好地鑒定試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)完整性和安全功能性，而且能發(fā)掘其設(shè)計(jì)裕量。

AP1000，主控室盤臺(tái)，抗震試驗(yàn)，特殊要求

設(shè)備抗震鑒定是為證明設(shè)備在承受安全停堆地震期間和之后執(zhí)行其安全功能的能力。在承受安全停堆地震之前，設(shè)備須承受多個(gè)運(yùn)行基準(zhǔn)地震的作用。通?？拐痂b定的方法主要分為：通過(guò)型式試驗(yàn)進(jìn)行抗震鑒定和通過(guò)分析法進(jìn)行抗震鑒定。根據(jù)IEEE344-1987的要求，同時(shí)考慮到試驗(yàn)室地震臺(tái)無(wú)法容納所有的主控室盤臺(tái)，對(duì)于如主控室盤臺(tái)的1E級(jí)電器設(shè)備，可采用分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法[1]。

抗震試驗(yàn)選擇具有典型結(jié)構(gòu)代表的5個(gè)盤臺(tái)進(jìn)行，即多樣化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盤(DAS)、主專用安全盤(PDSP)、次專用安全盤(SDSP)、高級(jí)反應(yīng)堆操縱員控制臺(tái)(SRO)和反應(yīng)堆操縱員控制臺(tái)(RO B/C)，選擇三軸向獨(dú)立的、同時(shí)隨機(jī)地震輸入的地震臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)?？拐鹪囼?yàn)參照IEEE344-1987和AP1000設(shè)備鑒定的要求。AP1000主控室盤臺(tái)為1E級(jí)、抗震I類電器設(shè)備，其中主專用安全盤(PDSP)和次專用安全盤(SDSP)都有安全功能要求，在地震中、后，不僅要保證結(jié)構(gòu)完整性，還要保證其安全功能的正常運(yùn)行。主控制室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)過(guò)程包括試驗(yàn)前后的共振搜索試驗(yàn)、模擬地震試驗(yàn)。同時(shí)試驗(yàn)中、后需對(duì)試驗(yàn)盤臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控和功能性測(cè)試。本文主要介紹AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的一些特殊要求，為AP1000設(shè)備抗震鑒定的試驗(yàn)和研究工作提供幫助。

1 AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的特殊要求

1.1反應(yīng)譜

抗震鑒定具體的要求反應(yīng)譜(RRS)在設(shè)備鑒定規(guī)格書中規(guī)定或根據(jù)設(shè)備位置確定。與傳統(tǒng)試驗(yàn)不同，考慮到盤臺(tái)上電子元器件對(duì)高頻輸入的敏感性，本次試驗(yàn)的要求反應(yīng)譜(RRS)包絡(luò)了AP1000認(rèn)可的地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(CSDRS)和硬巖高頻(HRHF)構(gòu)筑物內(nèi)反應(yīng)譜(ISRS)，保證安全功能相關(guān)的電子元器件也通過(guò)抗震試驗(yàn)鑒定。

根據(jù)IEEE344-1987要求，典型的抗震試驗(yàn)需要進(jìn)行至少5次OBE試驗(yàn)和1次可接受的SSE試驗(yàn)。本次抗震試驗(yàn)將1.67定為SSE要求反應(yīng)譜的抗震裕度，并用1.67SSE反應(yīng)譜作為RRS輸入代替SSE試驗(yàn)，用5次0.84SSE作為RRS輸入代替OBE試驗(yàn)。但考慮到1.67抗震裕度畢竟大大超過(guò)傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)的要求，在5次0.84SSE和1次1.67SSE試驗(yàn)之間，再加入一次1.2SSE試驗(yàn)。如1.67SSE試驗(yàn)后盤臺(tái)出現(xiàn)問(wèn)題，而1.2SSE試驗(yàn)后仍可保持結(jié)構(gòu)完整和安全功能，則也可視為該盤臺(tái)通過(guò)抗震試驗(yàn)鑒定。因此就抗震裕度而言，AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的要求比傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)的要求更高。

在抗震試驗(yàn)中，對(duì)于試驗(yàn)反應(yīng)譜和功率譜密度函數(shù)都有包絡(luò)要求。雖然反應(yīng)譜和功率譜密度函數(shù)不能確定激勵(lì)確切的波形或持續(xù)時(shí)間，但從它們的曲線上得到運(yùn)動(dòng)的重要頻率特性，其中功率譜密度直接提供了關(guān)于激勵(lì)的信息。本次抗震試驗(yàn)不但要求生成的試驗(yàn)反應(yīng)譜(TRS)在試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)包絡(luò)要求反應(yīng)譜(RRS)(圖1)，而且要求試驗(yàn)功率譜密度(PSD)包絡(luò)要求功率譜密度(RPSD)(圖2)。

對(duì)于由反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換得到的輸入時(shí)程，為保證統(tǒng)計(jì)上的獨(dú)立性要求至少20秒強(qiáng)震階段，如圖3所示(傳統(tǒng)試驗(yàn)要求至少15秒強(qiáng)震階段)，其相干系數(shù)應(yīng)小于0.5，同時(shí)對(duì)所有時(shí)間延遲采用的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值應(yīng)小于0.3，以保證高頻階段頻率的穩(wěn)定性。因此，就反應(yīng)譜輸入、輸出而言，AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的要求比傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)的要求要高。

對(duì)于盤臺(tái)內(nèi)元器件附件的IERS反應(yīng)譜，AP1000設(shè)備抗震試驗(yàn)要求如果試驗(yàn)的IERS高于有限元分析得到IERS，則試驗(yàn)可視為完成；如果試驗(yàn)的IERS低于有限元分析得到IERS，則說(shuō)明試驗(yàn)尚且不夠保守，需對(duì)該元器件進(jìn)行專門的部件抗震試驗(yàn)以驗(yàn)證其安全功能。

圖1 試驗(yàn)反應(yīng)譜和要求反應(yīng)譜Fig.1 TRS and RRS plot.

圖2 功率譜密度Fig.2 Power spectral density.

圖3 試驗(yàn)時(shí)程Fig.3 Testing time history.

1.2加速度計(jì)的布置

加速度計(jì)是測(cè)量線加速度的儀表，主要用來(lái)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，從而得到諸如共振頻率、試驗(yàn)反應(yīng)譜(TRS)等試驗(yàn)結(jié)果。在本次抗震試驗(yàn)中，不僅在盤臺(tái)的外部框架上布置加速度計(jì)，而且在一些重要的元器件附近也布置了加速度計(jì)。前者可以得到盤臺(tái)的整體頻率和結(jié)構(gòu)在模擬地震過(guò)程中的反應(yīng)，后者則可得到元器件所在位置的局部頻率以及元器件附件的振動(dòng)反應(yīng)，以便更好地評(píng)估地震對(duì)元器件的影響。

在抗震試驗(yàn)中，每個(gè)主控室試驗(yàn)盤臺(tái)都布置的加速度計(jì)多達(dá)24個(gè)，以便更好地獲得試驗(yàn)所需的結(jié)果和數(shù)據(jù)。在盤臺(tái)外框架可布置質(zhì)量相對(duì)較重的三向加速度計(jì)，以便得到整體結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向(兩個(gè)水平向和一個(gè)垂直向)的振動(dòng)；另外重要電子元器件附近布置的加速度計(jì)則選擇質(zhì)量較輕兩向加速度計(jì)，這樣進(jìn)一步減小加速度計(jì)對(duì)電子元器件及其附近振動(dòng)反應(yīng)的影響。

1.3共振頻率搜索試驗(yàn)和頻率的確定

試驗(yàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性可通過(guò)共振頻率搜索試驗(yàn)測(cè)得。共振頻率搜索試驗(yàn)有正弦掃頻和白噪聲兩種試驗(yàn)，這兩種試驗(yàn)均可通過(guò)地震臺(tái)進(jìn)行。傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)的輸入最小值一般要求不小于0.2 g，而本次試驗(yàn)則對(duì)白噪聲試驗(yàn)的輸入最小值要求不小于0.3 g。兩種試驗(yàn)方法都可得到幅值——頻率圖，以及對(duì)應(yīng)的相位—頻率圖(圖4、圖5)。在抗震試驗(yàn)的前/后各需做一次共振頻率搜索試驗(yàn)，以評(píng)估模擬地震對(duì)試驗(yàn)盤臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響。

圖4 幅值—頻率(正弦掃頻)Fig.4 Transmissibility functions and phase angle plots at sine sweep test.

圖5 幅值—頻率(白噪聲)Fig.5 Transmissibility functions and phase angle plots at white noise test.

確定試驗(yàn)盤臺(tái)的結(jié)構(gòu)頻率的方法有兩種：一種是通過(guò)共振頻率搜索試驗(yàn)的結(jié)果，考慮到在模擬地震過(guò)程中盤臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度可能會(huì)降低，故采用抗震試驗(yàn)前做的共振頻率搜索試驗(yàn)結(jié)果(圖4、圖5)，幅值的峰值點(diǎn)往往對(duì)應(yīng)相位的突變點(diǎn)。若該加速度計(jì)布置在盤臺(tái)的外部框架上，則該點(diǎn)即為盤臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)主頻，若該加速度計(jì)布置在盤臺(tái)內(nèi)部的元器件附近，則該點(diǎn)即為元器件附近的局部主頻；另一種得到結(jié)構(gòu)主頻的方法則是通過(guò)傳遞函數(shù)法，即采用模擬地震過(guò)程中機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)結(jié)果得到結(jié)構(gòu)的主頻。同樣因考慮到在模擬地震過(guò)程中盤臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度可能會(huì)降低，故采用第1次0.84SSE的結(jié)果得到幅值—頻率圖(圖6)，其峰值點(diǎn)根據(jù)其加速度計(jì)位置定為整體結(jié)構(gòu)主頻或局部主頻。主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)，每一加速度位置處的盤臺(tái)結(jié)構(gòu)主頻和元器件附近的局部主頻都是通過(guò)兩種共振頻率搜索試驗(yàn)以及傳遞函數(shù)法共同確定，以確保準(zhǔn)確性。

圖6 傳遞函數(shù)曲線Fig.6 The transfer function plots.

1.4功能性測(cè)試試驗(yàn)的要求

根據(jù)IEEE344-1987要求，對(duì)于有安全功能要求的設(shè)備，在抗震試驗(yàn)中、后需進(jìn)行功能性測(cè)試試驗(yàn)，以檢查其功能是否受影響。在主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)中，功能性測(cè)試試驗(yàn)主要是對(duì)盤臺(tái)各開(kāi)關(guān)的正常跳變、重要元器件的電壓和電流、鼠標(biāo)和鍵盤的正常使用等進(jìn)行檢測(cè)。諸如PDSP和SDSP都是1E級(jí)、有安全功能要求的電器設(shè)備，因此在抗震試驗(yàn)中不但要對(duì)其各開(kāi)關(guān)和顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還要在試驗(yàn)前后以及每次模擬地震后對(duì)其進(jìn)行功能性測(cè)試。由于AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的抗震裕度較高，一旦試驗(yàn)中出現(xiàn)設(shè)備故障，可以及時(shí)得知相關(guān)元器件、開(kāi)關(guān)的位置及在哪次、哪個(gè)級(jí)別的模擬地震下造成的損壞。

1.5抗震試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證

考慮到AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)的要求大幅度提高(特別是反應(yīng)譜要求)，試驗(yàn)前需對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行功能性測(cè)試，以驗(yàn)證其是否達(dá)到AP1000抗震試驗(yàn)要求。對(duì)地震臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，即Demo試驗(yàn)和地震臺(tái)系統(tǒng)的驗(yàn)證工作。Demo試驗(yàn)是對(duì)一個(gè)與試驗(yàn)盤臺(tái)質(zhì)量相似的試樣，按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行抗震試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)反應(yīng)譜、相關(guān)系數(shù)和相干系數(shù)等是否滿足抗震試驗(yàn)的要求?？拐鹪囼?yàn)前又以正弦波形，對(duì)地震臺(tái)進(jìn)行空載試驗(yàn)(即地震臺(tái)系統(tǒng)的驗(yàn)證工作)，以驗(yàn)證地震臺(tái)、LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和四組加速度傳感器的性能。

2 抗震試驗(yàn)的結(jié)果

AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)不僅符合IEEE344-1987的要求，而且某些方面比其更為嚴(yán)格。通過(guò)主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)，五個(gè)盤臺(tái)結(jié)構(gòu)上未發(fā)現(xiàn)破損，各安全功能仍可正常運(yùn)行，各級(jí)模擬地震試驗(yàn)中安全開(kāi)關(guān)也未發(fā)現(xiàn)跳變現(xiàn)象。故該抗震試驗(yàn)很好地證明了五個(gè)盤臺(tái)在經(jīng)受各級(jí)模擬地震后仍能保持結(jié)構(gòu)完整性，對(duì)于有安全功能要求的PDSP和SDSP盤臺(tái)，在模擬地震中、后都可保持其安全功能。同時(shí)試驗(yàn)前后的共振頻率搜索試驗(yàn)結(jié)果也顯示盤臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性并未受到各級(jí)模擬地震的影響，具有一定的設(shè)計(jì)裕量。

3 結(jié)語(yǔ)

AP1000主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)可很好證明盤臺(tái)在經(jīng)受各級(jí)模擬地震后仍能保持結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)對(duì)于有安全功能要求的PDSP和SDSP盤臺(tái)，在模擬地震中、后都可保證其安全功能性，也為相應(yīng)的

有限元分析模型驗(yàn)證提供充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從本次主控室盤臺(tái)抗震試驗(yàn)也可以看出，該設(shè)備的抗震試驗(yàn)在反應(yīng)譜、加速度計(jì)布置、功能性測(cè)試等方面特殊要求，其不僅針對(duì)試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)完整性和安全功能性，而且盡可能發(fā)掘設(shè)計(jì)裕量，這對(duì)于全面了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能，提升設(shè)備的設(shè)計(jì)能力都有較大的幫助。

1 IEEE Std. 344-1987, IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations[S], Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1987

Research and project practice in AP1000 nuclear plant MCR assemblies seismic test

MA Yuanrui ZHU Yizhou WANG Chihu XIE Yongcheng
(Department of Component Research and Design, Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The seismic test is one of Plant Equipment Seismic Qualification Methodologies. Purpose: To satisfy the special requirements of AP1000 seismic qualification, this test is not same to traditional seismic test. Methods: AP1000 nuclear plant equipment qualification has new methods and requirements. The special requirements as response spectrum, accelerometer installation and functional test are described for AP1000 MCR seismic test. Results: The test results are demonstrated that MCR assemblies are satisfied as AP1000 seismic qualification requirements. Conclusions: These requirements are beneficial to the qualification for structural integrity and functional safety. They are also used to find design margin.

AP1000, Equipment qualification, Seismic test, Specific requirements

TL35

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040611

馬淵睿，男，1984年出生，2010年于華東理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域：反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-10-31，

2013-03-14

CLC TL35