用于快堆主容器支撐的電磁阻尼隔震技術(shù)的研究

孫妍妍，陸道綱,曾曉佳，趙 亮，赫連仁，賈唐堂，馬翔鳳

(1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206)

用于快堆主容器支撐的電磁阻尼隔震技術(shù)的研究

孫妍妍1，2，陸道綱1，2,曾曉佳1，2，趙 亮1，2，赫連仁1，2，賈唐堂1，2，馬翔鳳1，2

(1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.非能動核能安全技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206)

快堆核電站設(shè)計特點是高溫薄壁，與壓水堆的低溫厚壁比起來，更需要考慮抗震設(shè)計。區(qū)別于傳統(tǒng)的疊層橡膠和鉛芯橡膠等隔震技術(shù)，本文提出了基于電磁阻尼原理的隔震技術(shù)。為了驗證其有效性，制作了一個簡易的電磁阻尼隔震支座，用作一個貯水容器的支撐。針對該水容器支撐系統(tǒng)在振動臺上進(jìn)行了抗震實驗，驗證了電磁阻尼隔震技術(shù)的有效性。

隔震技術(shù);高溫薄壁容器;電磁阻尼;快堆

快堆核電站由于能夠高效利用鈾資源，減少核廢物，作為第四代核能系統(tǒng)的優(yōu)選堆型得到了世界各國的廣泛關(guān)注?？於巡捎靡簯B(tài)金屬作為冷卻劑，具有高溫低壓的特性，其結(jié)構(gòu)具有高溫薄壁的特點，與傳統(tǒng)壓水堆的低溫薄壁相比，在抗震設(shè)計方面需要特別注意。所謂“抗震”即依賴于提高結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(強度、剛度、延性)來抵御地震，即“以剛克剛”；所謂“隔震”是將結(jié)構(gòu)置于一個耗散能量的柔性基礎(chǔ)之上，減緩地震對結(jié)構(gòu)的直接沖擊，即“以柔克剛”。隔震技術(shù)的研究已經(jīng)在各國取得了初步進(jìn)展[1-5]，美國的 Tajirian F Fdend[6]等對鈉冷快堆 SAFR采用低形狀系數(shù)的高阻尼橡膠支座進(jìn)行隔震；日本的Kanazawa.K[7]等對快中子反應(yīng)堆FBR應(yīng)用三維隔震技術(shù)開展了一項大規(guī)模的研究，提出了三種隔震裝置：①滾動密封空氣彈簧；②鋼絲加強空氣彈簧；③液壓三維隔震裝置。隔震方式多種多樣，但使用過程中難免會遇到一些問題，比如壽命較短，效率低等等。為了進(jìn)一步提高隔震的綜合效果，降低制造成本，提高其對于快堆結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，有必要進(jìn)一步研發(fā)更新的隔震技術(shù)。針對這樣的情況，本文提出了一種電磁阻尼隔震技術(shù)，希望利用該技術(shù)能進(jìn)一步提高快堆隔震的綜合效果。

1 基于電磁阻尼的疊層橡膠隔震支座

1.1 隔震支座結(jié)構(gòu)

如圖1所示，隔震支座的結(jié)構(gòu)包括：1—金屬罩；2—內(nèi)軸；3—第一環(huán)形磁鐵；4—帶線圈的疊層橡膠；5—第二環(huán)形磁鐵；6—不帶線圈的疊層橡膠。

圖1 隔震支座結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Isolation bearing structure

具體連接為：金屬罩內(nèi)部的金屬固定板上焊接內(nèi)軸；帶線圈的疊層橡膠和不帶線圈的疊層橡膠均由圓形橡膠片堆疊而成；帶線圈的疊層橡膠由10片半徑為30cm,厚度為1cm圓形橡膠片堆疊而成，不帶線圈的疊層橡膠由40片半徑為35cm,厚度為1cm圓形橡膠片堆疊而成；每片圓形橡膠片的圓心處均有一個直徑為3cm的小孔，相鄰圓形橡膠片之間夾有砂紙；內(nèi)軸的橫截面直徑為1cm，穿過帶線圈的疊層橡膠的所有圓形橡膠片圓心處的小孔及不帶線圈的疊層橡膠片圓心處的小孔，且第一環(huán)形磁鐵和第二環(huán)形磁鐵的中部圓孔大于疊層橡膠片中部的圓孔，使內(nèi)軸可以輕松穿過；帶線圈的疊層橡膠上纏繞100匝銅質(zhì)線圈；在金屬罩內(nèi)部，以內(nèi)軸為中心軸，從下到上依次疊放:第一環(huán)形磁鐵、帶線圈的疊層橡膠、第二環(huán)形磁鐵、不帶線圈的疊層橡膠。

金屬罩為碳鋼材質(zhì)，為邊長為1m正方形的金屬固定板與一個上下無蓋底面半徑為40，高為60的圓柱筒的焊接體，金屬固定板距邊緣1cm處分布有36個螺絲孔，用于跟地震臺固定。

內(nèi)軸為碳鋼材質(zhì)實心軸。

圖2 隔震支座實物圖Fig.2 Physical isolation bearings

1.2 隔震支座工作原理

①將電磁阻尼隔震支座安裝在快堆主容器的下面固定，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，該電磁阻尼隔震支座會先感受到震感發(fā)生震動，電磁阻尼隔震支座的橡膠疊層發(fā)生左右摩擦，根據(jù)能量守恒原理，電磁阻尼隔震支座震動產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化成了圓形橡膠片間摩擦所產(chǎn)生的熱能，從而使傳到主容器的震感變得微弱，起到隔震的作用；

②帶線圈的疊層橡膠上纏繞100匝銅質(zhì)線圈，根據(jù)磁能生電的原理，在發(fā)生地震時，線圈與磁鐵間產(chǎn)生相對運動，線圈的運動切割磁感線，從而產(chǎn)生了電流，線圈兩端外接電流表，有利于測量地震過程中產(chǎn)生的電流；第一環(huán)形磁鐵、帶線圈的疊層橡膠、第二環(huán)形磁鐵形成一個電源，發(fā)生震動時，線圈在垂直的方向切割磁感線，根據(jù)電流的磁效應(yīng)，電流通過磁鐵可以起到電磁阻尼的作用，從而進(jìn)一步阻礙主容器的震動，增強隔震效果。

2 隔震支座性能的驗證實驗

2.1 實驗裝置

由于實際應(yīng)用中，快堆本體底面積非常大，需要多個本裝置才能達(dá)到應(yīng)有的效果，本次實驗只研究一個隔震裝置的隔震作用。

本實驗將電磁阻尼隔震支座通過底部金屬板上的螺絲孔固定于地震臺表面，貯水容器是一個底部有一圈突出的金屬桶，我們將最上面的橡膠片與桶底直徑相同的位置挖出一個凹槽，使桶能與橡膠片固定，同時橡膠片中心有內(nèi)軸和地震臺固定，這樣既使貯水容器在受到震動時不至于傾倒，又不影響震動時橡膠片之間的相對運動。

該地震臺能夠模擬水平方向地震波，其加速度最大能達(dá)到3g m/s2，頻率范圍1～60Hz,在隔震支座上方安裝貯水容器，容器內(nèi)液體重5kg，選取70mm為標(biāo)準(zhǔn)液面，將液位晃動傳感器固定于水容器壁面，高度為液面上方390cm，選取一系列正弦三波進(jìn)行試驗。正弦三波頻率為1.75Hz，最大峰值為20mm，各正弦三波峰值分別為最大峰值的20%～50%不等。進(jìn)行試驗。圖3、圖4分別為隔震支座實驗裝置圖和傳感器安裝位置圖。

圖3 隔震支座性能實驗裝置Fig.3 Isolation bearing performance experiment device

圖4 傳感器安裝位置Fig.4 Sensor installation position

2.2 實驗步驟

本實驗分為三組進(jìn)行對比實驗

(1) 將貯水容器單獨放在地震臺上，測量不同震級液面高度的晃動情況；

(2) 在貯水容器下面放入電磁阻尼疊層橡膠隔震支座，并連通電流表，測量不同震級的液面高度變化和是否有電流產(chǎn)生；

(3) 在貯水容器下面放入電磁阻尼橡膠隔震支座，連通12V電源，觀察不同震級液面高度變化。

2.3 實驗結(jié)果與分析

2.3.1 實驗現(xiàn)象

實驗現(xiàn)象：第二組實驗中電流表顯示有電流產(chǎn)生，并且液面高度變化有所降低；第三組實驗中液面高度變化較第二組實驗有所降低。

實驗數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 隔震支座驗證實驗結(jié)果Table 1 Isolation bearing test results

表2 改善程度對比結(jié)果Table 2 improvement degree compared result

注：改善程度即為加入不同的隔震支座后，在同一量級下液面的最大位移減小程度。

2.3.2 實驗結(jié)論

(1) 由表格中數(shù)據(jù)所示，橡膠墊能夠在一定程度上隔震，加入電磁線圈后隔震效果增加；

(2) 在震級為30%時表現(xiàn)尤為明顯，震級過大或過小都沒有明顯效果;

(3) 改善程度隨著震級的增加表現(xiàn)出先增大后減小的效果。

2.3.3 實驗誤差分析

(1) 隨著實驗進(jìn)行，液面高度會發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器捕捉到的結(jié)果產(chǎn)生誤差；

(2) 實驗進(jìn)行很多次后，橡膠墊之間的砂紙上的砂粒會被磨掉，導(dǎo)致摩擦力減小。

3 結(jié)論分析與展望

振動臺實驗是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的最重要也是最直接的手段，也是地震工程研究工作的重要研究設(shè)備之一，因此在實際抗震工程中得到了廣泛應(yīng)用。本文以快堆核電站的薄壁性能為背景，利用電磁阻尼理論，研究隔震支座固有振動特性，選取液面變化的峰值，可為快堆核電站建設(shè)提供一定參考。

主要得到以下結(jié)論：

(1) 電磁阻尼可以有效減輕地震時主容器震動程度；

(2) 單純的橡膠阻尼能起到隔震的效果；

(3) 橡膠阻尼與電磁阻尼共同作用下，其隔震效果顯著增加。

本實驗在接下來的一段時間里，還有許多方面需要改進(jìn)和完善：

(1) 測量水容器中水晃動的頻率時，激光位移傳感器固定方式不是十分牢固，導(dǎo)致有輕微的顫抖，接下來希望找到一個更為合理的固定方式。

(2) 水容器水面上撒的金粉由于震動次數(shù)過多，有一部分沉入水底，導(dǎo)致液面金粉分布不均勻，影響傳感器的測量，接下來在水里適當(dāng)加入一些有機(jī)溶劑，使金粉不要沉入水底。

(3) 使用激光位移傳感器測量在不同地震激勵下液面波高的變化情況，研究水容器內(nèi)液體是否會在地震激勵下濺出水面。

(4) 實驗時可以采用彈簧振子來測量支座的隔震效果，因為水的晃動特別復(fù)雜，研究起來不太方便，今后會在實驗中改進(jìn)。

致謝

在論文完成之際，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師陸道綱老師和學(xué)長劉雨，學(xué)姐曾曉佳的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我撰寫論文的過程中，陸道綱老師傾注了大量的心血和汗水，無論是在論文的選題、構(gòu)思和資料的收集方面，還是在論文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了陸老師悉心細(xì)致的教誨和無私的幫助，特別是他廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)使我終生受益，在此表示真誠地感謝和深深的謝意。

[1] Melkumyan M G. Seismic isolation of civil buildings inArmenia [J]. Progress in Structural Engineering and Materials，2002,4 (4):344-352.

[2] Martelli A，F(xiàn)orni M. Seismic isolation of civil buildings in Europe[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2005， 1 (3):286-294.

[3] Fu Linzhou. Seismic isolation of civil buildings in the People’s Republic of China[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2001,3(3):268-276.

[4] Fujita T. Seismic isolation of civil buildings in the Japan[J]. Progress in Structural Engineering and Materials， 1998，1(3): 295-300.

[5] Robinson W H. Seismic isolation of civil buildings in New Zealand[J]. Progress in Structural Engineering and Materials,2000 ,2: 328-334.

[6] Tajirian F F，Kelly J M，Aiken I D，et al. Seismic isolation for advanced nuclear power stations [J].Earthquake Spectra，1990，6 (2)： 371-401.

[7] Kanazawa K.Hirata K.Matsuda A.“Shaking table test of three-dimensional base isolation system using laminated thick rubber bearings”. 15th.

Research on the electromagnetic damping isolation technologyapplied to the main support of the fast reactor vessel

SUN Yan-yan1,2，LU Dao-gang1,2，ZENG Xiao-jia1,2，ZHAO Liang1,2,HE Lian-ren1,2,JIA Tang-tang1,2,MA Xiang-feng1,2

(1.School of Nuclear Science and Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China2. Beijing Key Laboratory of Passive Safety Technology for Nuclear Energy，North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

Fast reactor nuclear power plant design is characterized by high temperature-thin wall，compared with the low temperature-thick wall in pressurized water reactor，more need to consider the seismic design. Different from traditional seismic isolation techniques，such as lead core rubber and laminated rubber，A new isolation technology is proposed in this paper based on the principle of electromagnetic damping . In order to verify its effectiveness,we made a simple electromagnetic damping isolation bearing，used as a water container support. For this container support system，a seismic experiment is made on the vibration table to verify the effectiveness of electromagneticdamping isolation technology.

Isolation technology;High temperature-thin wall vessel;The electromagnetic damping;Fast reactor

2016-03-20

國家重大科技專項經(jīng)費資助2015(ZX06004002-003)

孫妍妍(1994—)，性別女，本科生，輻射防護(hù)與核安全專業(yè)，主要從事反應(yīng)堆隔震抗震

TL353+9

A

0258-0918(2016)05-0646-05