先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備鑒定研究

摘 要：文章通過對第三代先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)核級設(shè)備樣機鑒定進行分析，總結(jié)出適用于核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)核級關(guān)鍵設(shè)備包括風(fēng)機類、風(fēng)閥類、空調(diào)類和凈化類的樣機選擇原則、鑒定方法的選擇、包絡(luò)性地震載荷的確定、鑒定的實施和鑒定結(jié)論。該鑒定總結(jié)對于其他核電站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)核級設(shè)備的鑒定具有較高的參考價值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；設(shè)備鑒定；環(huán)境鑒定；抗震鑒定；鑒定方法

引言

核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)對于核電站正常運行和環(huán)境保護起著重要的作用，是反應(yīng)堆重要的輔助屏障系統(tǒng)，也是核電站的縱深防御措施之一。通風(fēng)空調(diào)設(shè)備是核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，對于核安全級（簡稱核級）的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備，需要進行鑒定以驗證其在規(guī)定的使用條件下具備所要求的功能能力。核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括風(fēng)機類、風(fēng)閥類、空調(diào)類和凈化類，因設(shè)備功能不同，這些設(shè)備類別又分為多種系列、型號和規(guī)格，選擇有代表性的樣機進行鑒定成為必然。文章在目前國內(nèi)在建的某第三代先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研制基礎(chǔ)上，對鑒定樣機的選擇原則、鑒定方法的選擇、鑒定輸入條件、鑒定內(nèi)容、鑒定結(jié)論進行了分析總結(jié)。

1 設(shè)備鑒定

1.1 設(shè)備鑒定的目的

根據(jù)NB/T 20036.1[1]，設(shè)備鑒定的目的是證明被鑒定設(shè)備在規(guī)定的使用條件下具備所要求的功能能力，并產(chǎn)生相應(yīng)的證據(jù)。

1.2 設(shè)備的分級

HAF102[2]在設(shè)計總準(zhǔn)則一章中針對核電廠的設(shè)計提出了“必須明確規(guī)定構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的全部安全功能。構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件必須按其安全的重要性進行分級?！睆亩鶕?jù)其安全級別對物項的設(shè)計和評定提出相應(yīng)的鑒定要求。根據(jù)TS-X-NIEP-TCYV-DC-20001[3]，第三代先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功能安全分級、電氣分級、地震分級之間的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1.3 設(shè)備鑒定的內(nèi)容

設(shè)備鑒定包括設(shè)備的環(huán)境鑒定和抗震鑒定，只有經(jīng)過設(shè)備鑒定合格的設(shè)備，才能用于核設(shè)施。環(huán)境鑒定是驗證設(shè)備在正常與事故環(huán)境條件下的性能，環(huán)境鑒定包括長期正常運行工況下的老化鑒定和事故環(huán)境工況下的LOCA鑒定；抗震鑒定是驗證設(shè)備在地震載荷的作用下能否正常工作，保持其要求的性能，以履行其安全功能。

針對國內(nèi)在建的某第三代先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，依據(jù)該項目設(shè)備技術(shù)規(guī)格書以及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，如TS-X-NIEP-TCYV-RN-20054[4]、BTR67C00303[5]、HAF J0053[6]、NB/T 20036.2-2011[7]、IEEE 334-2006[8]等的要求，選擇了8臺代表性樣機。樣機的選取原則是：每種類型的設(shè)備選擇一臺有代表性的進行鑒定，所選擇的代表性樣機是本類型設(shè)備系列中工況條件最惡劣的。8臺樣機的鑒定要求如表2所示。

1.4 設(shè)備鑒定的方法

對于設(shè)備的環(huán)境鑒定，一般采用試驗方法；

對于設(shè)備的抗震鑒定，可采用試驗法、分析法、相似法、經(jīng)驗法或以上方法的適當(dāng)組合。

2 設(shè)備的環(huán)境鑒定

從表2可知，8臺樣機沒有事故環(huán)境工況下的LOCA鑒定要求。本課題所涉及的電氣設(shè)備鑒定要求均為K3。這些電氣設(shè)備均按RCC-E[9]的要求進行了環(huán)境鑒定或者被已作環(huán)境鑒定的同類設(shè)備所包絡(luò)。對于樣機本身，需作環(huán)境鑒定的是設(shè)備中含有的一些環(huán)境敏感的非金屬材料，如密封墊、潤滑脂和油漆，這些材料的環(huán)境鑒定均按NB/T 20036.3[10]規(guī)定的試驗方法進行。

3 設(shè)備的抗震鑒定

3.1 抗震鑒定方法選擇的一般原則

抗震鑒定方法的具體應(yīng)用應(yīng)遵守NB/T 20036.1[1]的要求。在選擇抗震鑒定方法時宜考慮待鑒定設(shè)備的安全功能、可能的失常、可利用的鑒定資源以及設(shè)備類型、尺寸、形狀、復(fù)雜性，是否實際可行，是否只憑結(jié)構(gòu)完整性就可評定所要求的安全功能，結(jié)論的可靠性等。

對于非能動機械設(shè)備的抗震鑒定，選擇分析法進行；對于無核電廠使用經(jīng)驗的能動機械設(shè)備，應(yīng)采用試驗法鑒定其原型設(shè)備（特殊情況除外）。

抗震分析法是采用有限元分析的方法，利用ANSYS程序計算設(shè)備的固有頻率，然后采用譜分析（計算時采用的地震載荷譜為該項目同一類型同一結(jié)構(gòu)型式的所有核級設(shè)備地震譜的包絡(luò)譜）與靜力分析相結(jié)合的方法計算設(shè)備在自重、壓力、風(fēng)管載荷（如有）以及地震載荷共同作用下的應(yīng)力和變形，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行應(yīng)力評定。

抗震試驗法鑒定的試驗過程如下：

基準(zhǔn)試驗：檢驗正常運行條件下的功能，并取得基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；

老化試驗（如有）：熱老化、輻照老化、運行老化（磨損、振動）；

地震試驗：規(guī)定地震條件下的振動和功能試驗；

最終檢驗：即最后的功能試驗，以便與基準(zhǔn)試驗比較。

3.2 核級通風(fēng)空調(diào)設(shè)備的抗震鑒定過程和結(jié)論

3.2.1 核級密閉型離心風(fēng)機和核級高壓軸流風(fēng)機的抗震鑒定過程

核級密閉型離心風(fēng)機和核級高壓軸流風(fēng)機的抗震鑒定采用試驗法進行。電機作為風(fēng)機的配套設(shè)備，與風(fēng)機一起進行抗震試驗，電機本身則采用相似法進行驗證?？拐鹪囼灥膬?nèi)容和順序如下：

（1）基準(zhǔn)試驗，包括：外觀及尺寸檢查、動平衡檢驗、機械運轉(zhuǎn)試驗、性能試驗。

（2）極限工況性能，即20%超速試驗。

（3）事故工況試驗。

即地震試驗，試驗采用多頻波法在試驗設(shè)備的三個正交軸向同時輸入人工模擬加速度（取地震阻尼比為4%時樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜水平方向和垂直方向的最大加速度）時程進行激振。采用地震臺臺面的加速度信號作為控制信號完成5次1/2DBE和1次DBE地震試驗，每次試驗時間30s。在模擬核安全事故工況下，風(fēng)機可靠運行。該試驗在中國核動力設(shè)計研究院核級設(shè)備鑒定實驗室完成。

樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜是按照核級風(fēng)機所處的廠房和標(biāo)高，選擇每個廠房最大的樓層反應(yīng)譜，然后對所選擇的樓層反應(yīng)譜以4%阻尼比的曲線進行包絡(luò)分析得到核級風(fēng)機的SSE包絡(luò)譜；

（4）最終檢驗，是地震試驗后的功能試驗，與基準(zhǔn)試驗進行比較。

抗震試驗結(jié)果表明，核級密閉型離心風(fēng)機和核級高壓軸流風(fēng)機樣機在正常工況下以及事故工況下都滿足規(guī)范的要求。

3.2.2 核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥的抗震鑒定過程

核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥的抗震鑒定采用分析法和試驗法相結(jié)合的方法進行。

（1）分析法的抗震鑒定過程

對核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥進行抗震分析與應(yīng)力評定，驗證結(jié)構(gòu)的完整性，分析過程中采用有限元分析方法。

考慮核級風(fēng)閥垂直管道和水平管道安裝方式，以及最不利的風(fēng)管安裝方式的核級風(fēng)閥開、關(guān)兩個位置建立有限元模型。

確定邊界條件：在進行模態(tài)分析時，核級風(fēng)閥的邊界條件是將風(fēng)閥與風(fēng)管連接的所有螺栓的對應(yīng)節(jié)點進行固定約束；在進行風(fēng)閥抗震分析時，模型邊界條件為在支架和預(yù)埋板焊接處的相應(yīng)節(jié)點上固支約束。

確定載荷組合和地震載荷，地震載荷采用核級風(fēng)閥樓層反應(yīng)譜的SSE包絡(luò)譜。

確定評定準(zhǔn)則，包括設(shè)備應(yīng)力限值，支承件應(yīng)力限值，變形限值，連接螺栓應(yīng)力評定準(zhǔn)則。

利用ANSYS程序計算核級風(fēng)閥的固有頻率，然后采用譜分析的方法計算核級風(fēng)閥在自重、壓力、地震載荷共同作用下的應(yīng)力和變形。計算和評定的內(nèi)容有：模態(tài)分析，地震響應(yīng)分析，各使用等級下計算和評定（包括應(yīng)力分析結(jié)果及評定，變形分析結(jié)果及評定，軸的評定，連接螺栓的評定）。

依照RCC-M[11]規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行強度評定，結(jié)構(gòu)的變形參考ASME AG-1[12]以及BTR67C00503[13]進行評定。結(jié)果表明核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥的設(shè)計滿足規(guī)范的要求。

（2）試驗法的抗震鑒定過程

核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥分別采用垂直管道和水平管道兩種安裝方式進行抗震試驗以實現(xiàn)包絡(luò)。電動裝置作為核級密閉型隔離風(fēng)閥的配套設(shè)備，與核級密閉型隔離風(fēng)閥一起進行抗震試驗。電動裝置本身也按IEEE 382-2006[14]采用抗震試驗的方法單獨進行驗證。

a.基準(zhǔn)試驗，包括：外觀及尺寸檢查、動作靈活性試驗、外泄漏試驗、內(nèi)泄漏試驗

b.極限工況試驗，包括：葉片變形量試驗、最大耐壓試驗

c.性能隨時間變化試驗，包括：500次循環(huán)試驗、循環(huán)試驗后外觀及尺寸檢查、循環(huán)試驗后外泄漏試驗、循環(huán)試驗后內(nèi)泄漏試驗

d.事故工況試驗

即地震試驗，試驗采用多頻波法在試驗設(shè)備的三個正交軸向同時輸入人工模擬加速度（取地震阻尼比為4%時樓層反應(yīng)譜的包絡(luò)譜水平方向和垂直方向的最大加速度）時程進行激振。采用地震臺臺面的加速度信號作為控制信號完成5次1/2DBE和1次DBE地震試驗，每次試驗時間30s。在模擬地震試驗過程中及試驗后，風(fēng)閥能夠保持結(jié)構(gòu)完整性的同時，也能實現(xiàn)其功能。該試驗在中國核動力設(shè)計研究院核級設(shè)備鑒定實驗室完成。

e.最終檢驗，是地震試驗后的功能試驗，與基準(zhǔn)試驗進行比較。

抗震試驗結(jié)果表明，核級密閉型隔離風(fēng)閥和核級多葉密閉型止回風(fēng)閥樣機在正常工況下以及事故工況下都滿足規(guī)范的要求。

3.2.3 核級冷風(fēng)機組的抗震鑒定

核級冷風(fēng)機組的抗震鑒定采用分析法進行。風(fēng)機作為核級冷風(fēng)機組的配套設(shè)備，與核級冷風(fēng)機組一起進行整機的抗震分析，風(fēng)機和電機本身的能動性則通過相似法被已通過鑒定的同類設(shè)備所包絡(luò)。

首先，對核級冷風(fēng)機組的結(jié)構(gòu)特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、壓力（P）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應(yīng)的載荷組合方式，地震載荷采用核級冷風(fēng)機組樓層反應(yīng)譜的SSE包絡(luò)譜；

然后確定評定準(zhǔn)則，包括應(yīng)力評定準(zhǔn)則、變形評定準(zhǔn)則和連接螺栓評定準(zhǔn)則；

接著進行計算得出結(jié)果并根據(jù)RCC-M[11]和ASME AG-1[12]對結(jié)果進行評定，分別得出模態(tài)分析結(jié)果、地震響應(yīng)分析結(jié)果、各使用等級下計算結(jié)果及評定（包括應(yīng)力分析結(jié)果及評定、變形分析結(jié)果、連接螺栓評定、預(yù)埋板載荷）；

最后依照RCC-M[11]規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行強度評定，結(jié)構(gòu)的變形參考ASME AG-1[12]進行評定。結(jié)果表明核級冷風(fēng)機組的設(shè)計滿足規(guī)范的要求。

3.2.4 核級高壓致密型過濾器箱體的抗震鑒定

核級高壓致密型過濾器箱體的抗震鑒定采用力學(xué)分析法進行。

首先，對核級高壓致密型過濾器箱體的結(jié)構(gòu)特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、靜壓（P）、風(fēng)管施加的載荷（W）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應(yīng)的載荷組合方式，地震載荷采用核級高壓致密型過濾器箱體樓層反應(yīng)譜的SSE包絡(luò)譜；

然后確定評定準(zhǔn)則，包括應(yīng)力評定準(zhǔn)則、連接螺栓評定準(zhǔn)則和穩(wěn)定性評定準(zhǔn)則；

接著進行計算得出結(jié)果并根據(jù)RCC-M[11]對結(jié)果進行評定，分別得出模態(tài)分析結(jié)果、地震響應(yīng)分析結(jié)果、各使用等級下計算結(jié)果及評定（包括應(yīng)力分析結(jié)果及評定、變形分析結(jié)果、連接螺栓評定、預(yù)埋板載荷、焊縫強度校核、穩(wěn)定性（屈曲）分析和評定）；

最后依照RCC-M[11]規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行強度評定，結(jié)構(gòu)的變形參考BTR67C00703[15]進行評定。結(jié)果表明核級高壓致密型過濾器箱體的設(shè)計滿足規(guī)范的要求。

3.2.5 核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架的抗震鑒定

核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架的抗震鑒定采用力學(xué)分析法進行。

首先，對核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架的結(jié)構(gòu)特點進行分析，建立有限元模型，確定邊界條件，分析材料特性；

其次分析載荷條件，分別對自重（DW）、靜壓（P）和地震載荷進行分析，確定使用等級及對應(yīng)的載荷組合方式，地震載荷采用核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架樓層反應(yīng)譜的SSE包絡(luò)譜；

然后確定評定準(zhǔn)則，包括應(yīng)力評定準(zhǔn)則和連接螺栓評定準(zhǔn)則；

接著進行計算得出結(jié)果并根據(jù)RCC-M[11]對結(jié)果進行評定，分別得出模態(tài)分析結(jié)果、地震響應(yīng)分析結(jié)果、各使用等級下計算結(jié)果及評定（包括應(yīng)力分析結(jié)果及評定、變形分析結(jié)果、連接螺栓評定）；

最后依照RCC-M[11]規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行強度評定，結(jié)構(gòu)的變形參考BTR67C00703[15]進行評定。結(jié)果表明核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架的設(shè)計滿足規(guī)范的要求。

3.2.6 DVD分體式核級空氣處理機組的抗震鑒定過程

DVD分體式核級空氣處理機組由4部分組成，分別為：DVD-AHU通風(fēng)機組、DVD-AHU壓縮機機組、DVD-AHU室外機組和DVD-AHU就地控制柜，采用冷媒管路和電纜將4部分連接而成的整套機組。

DVD分體式核級空氣處理機組均安裝在同一廠房同一標(biāo)高的樓層上，選擇4%阻尼比的曲線作為其SSE反應(yīng)譜。

4 結(jié)束語

文章對第三代先進壓水堆核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備：核級密閉型離心風(fēng)機、核級高壓軸流風(fēng)機、核級密閉型隔離風(fēng)閥、核級多葉密閉型止回風(fēng)閥、核級冷風(fēng)機組、DVD分體式核級空氣處理機組、核級高壓致密型過濾器箱體和核級預(yù)過濾器/高效過濾器排架的鑒定分別進行了總結(jié)，對核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的抗震鑒定如何應(yīng)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行了分析總結(jié)，總結(jié)出適用于核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的樣機選擇原則，鑒定方法的選擇，包絡(luò)性地震載荷的確定，鑒定的實施，和鑒定結(jié)論。該鑒定總結(jié)對于其他核電站核島通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)核級設(shè)備的鑒定具有較高的參考價值和指導(dǎo)意義。

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*通訊作者：甘瑞霞（1974，2-），女，本科，工學(xué)學(xué)士，空調(diào)制冷工程師，現(xiàn)就職于南方風(fēng)機股份有限公司，任職研發(fā)工程師，主要從事暖通空調(diào)系統(tǒng)凈化設(shè)備、空調(diào)設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計等工作。