非能動核電廠1E級閥門電動裝置的鑒定與試驗

鄭開云，陳 智

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

三代非能動核電廠(CAP系列核電廠)是我國在引進、消化、吸收美國西屋公司AP1000非能動技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新開發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型先進壓水堆核電機組[1-3]。為了滿足三代非能動核電廠示范工程建設(shè)需要，大量的核安全級設(shè)備正在進行國產(chǎn)化開發(fā)。我國從事核電閥門驅(qū)動裝置設(shè)計制造的單位開發(fā)了用于三代非能動核電廠的1E級閥門電動裝置，這也是首批實現(xiàn)國產(chǎn)化的三代核電廠設(shè)備之一。三代非能動核電廠1E級閥門采用直流電動裝置[4]，相比現(xiàn)有的二代核電廠使用的交流電動裝置，其設(shè)計、制造的難度更大，同時鑒定試驗的要求也顯著提高。電動裝置樣機需經(jīng)歷電磁兼容性(electromagnetic compatibility，簡稱EMC)、熱老化、熱循環(huán)、輻照老化、磨損老化、正常循環(huán)加壓、振動老化、抗震和設(shè)計基準(zhǔn)事故模擬等鑒定試驗。

本文介紹了國內(nèi)自主研發(fā)的三代非能動核電廠1E級閥門直流電動裝置樣機的設(shè)計和鑒定要求，并詳細(xì)闡述了樣機鑒定試驗過程，探討了抗震試驗、設(shè)計基準(zhǔn)事故試驗中的技術(shù)問題及解決方案，為從事核電設(shè)備鑒定的機構(gòu)和其他相關(guān)的核電設(shè)備研制單位提供借鑒。

1 電動裝置及其鑒定要求

1.1 電動裝置設(shè)計

閥門驅(qū)動裝置，包括電動、氣動、液壓、電磁致動器等，用于打開、關(guān)閉閥門，或調(diào)節(jié)閥門開度，從而實現(xiàn)閥門的遠程控制。在三代非能動核電廠中，有100多個1E級閥門驅(qū)動裝置，其中大部分是電動和氣動裝置。

三代非能動核電廠中的1E級電動裝置由直流電動機驅(qū)動，用于操作截止閥、閘閥和蝶閥。電機的額定電壓為220VDC。電動裝置的安全功能是在需要時打開或關(guān)閉閥門。在三代非能動核電廠中，1E級電動裝置為抗震I類和安全級C類，電動裝置的設(shè)計壽命為60年。安裝在安全殼內(nèi)部和外部的電動裝置，分別對應(yīng)嚴(yán)酷和緩和環(huán)境條件。

電動裝置是機械部件和電氣部件的組合，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。機械部件采用金屬材料制造，其對于環(huán)境老化的影響可忽略不計。但是，電氣部件容易受到環(huán)境老化的影響。有機材料用于制造元器件，如：電動機、限位開關(guān)、扭矩開關(guān)、電氣端子、端子塊、墊圈和O形環(huán)，以及潤滑劑，它們易受核電廠長期服役期間的老化因素的影響，可能的因素有：溫度、輻照、壓力、機械振動、濕度、化學(xué)噴淋、浸沒等。蝸桿、蝸輪、軸承等運動部件還可能在長期運行中發(fā)生磨損。這些都需要在設(shè)計和鑒定過程中全面考慮。

圖1 電動裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of an electric actuator

1.2 鑒定要求

開展設(shè)備鑒定的目的是驗證設(shè)備在設(shè)計基準(zhǔn)事故(Design Basis Accident，簡稱DBA)期間和之后能夠執(zhí)行安全相關(guān)的功能，從而減少服役過程中由環(huán)境引起的設(shè)備共模失效的可能性。

三代非能動核電廠1E級電氣設(shè)備的鑒定包括三部分，即環(huán)境鑒定、抗震鑒定和電磁兼容性鑒定[5]。鑒定范圍須覆蓋核電廠所有安裝位置(安全殼內(nèi)和殼外)的服役工況，包括正常、異常和DBA運行環(huán)境。鑒定主要遵循電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，簡稱IEEE)發(fā)布的核電設(shè)備鑒定標(biāo)準(zhǔn)，并兼顧規(guī)范書中其他特定的鑒定要求[6]。

三代非能動核電廠1E級閥門電動裝置的壽命是60年。電動裝置在正常、異常運行和DBA環(huán)境中遭受環(huán)境老化作用而發(fā)生性能退化。在DBA之前，樣機應(yīng)經(jīng)受相當(dāng)于60年服股的老化試驗。對于給定的鑒定壽命目標(biāo)，沒有適當(dāng)理由不允許在鑒定程序中更換或維護樣機。在鑒定大綱中環(huán)境參數(shù)的選擇應(yīng)包含核電廠安全殼內(nèi)部和外部的所有安裝位置的正常、異常和DBA工況。

2 鑒定試驗方案

2.1 鑒定試驗樣機

1E級直流閥門電動裝置應(yīng)具有同樣的材料、結(jié)構(gòu)形式、功能、安裝方式和制造工藝，故其鑒定試驗可按照IEEE 382-2006 附錄A 選擇有代表性的電動裝置樣機進行[7]。該方法根據(jù)外推概念，以偏離平均值50%～100%來確定外推值以確定鑒定試驗有代表性且合理數(shù)量的樣機。

2.2 鑒定試驗序列

電動裝置鑒定采用型式試驗方法，包括基本功能試驗、環(huán)境鑒定試驗、抗震鑒定試驗和EMC鑒定試驗等，鑒定試驗必須按規(guī)定的序列進行。電動裝置鑒定試驗序列見表1，該鑒定試驗序列制定的原則是將IEEE 382-2006標(biāo)準(zhǔn)的要求和規(guī)范書的要求進行融合，并充分考慮了實施過程的可操作性。

表1 鑒定試驗序列

注：*鑒定規(guī)范書中的特定要求

電動裝置的功能試驗根據(jù)規(guī)范書規(guī)定來確定，主要包括：

(1)空載動作試驗：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下分別實施試驗樣機的開、關(guān)方向動作；

(2)帶載動作試驗：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下，并使轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)設(shè)定在額定轉(zhuǎn)矩值，分別實施試驗樣機的開、關(guān)方向動作；

(3)堵轉(zhuǎn)試驗：在72%電壓下實施試驗樣機電機的堵轉(zhuǎn)試驗。

3 鑒定試驗結(jié)果

3.1 EMC試驗

EMC試驗用于驗證電動裝置產(chǎn)生的電磁干擾不會影響核電廠正常運行，驗證其自身的抗電磁干擾的能力，以判斷安全級設(shè)備在受到電磁干擾時能否正確執(zhí)行其規(guī)定的功能。

樣機的EMC試驗按照NRC RG 1.180文件要求執(zhí)行[8]，采用了相應(yīng)的MIL-STD-461E標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)，包括發(fā)射試驗和抗擾度試驗，所完成的試驗項目見表2，試驗結(jié)果表明，電動裝置樣機滿足EMC鑒定驗收要求。

表2 EMC試驗項目

3.2 環(huán)境老化試驗

環(huán)境老化試驗的目的是檢驗電動裝置樣機到達壽命末端的狀態(tài)[9]，通過樣機在DBA試驗前經(jīng)受等同于設(shè)備在正常服役期間由溫度、輻照、機械磨損、外壓、振動等老化因子引起的對其材料或結(jié)構(gòu)的退化作用，以判斷樣機是否仍可執(zhí)行規(guī)定功能。

樣機經(jīng)歷的環(huán)境老化試驗包括熱老化、熱循環(huán)、輻照老化(含γ和等效的β輻照劑量[10])、磨損老化、正常循環(huán)加壓、振動老化等，鑒定試驗參數(shù)見表3。各項鑒定試驗后的功能試驗結(jié)果表明樣機功能正常，各項指標(biāo)均在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)。

表3 環(huán)境鑒定試驗參數(shù)

3.3 抗震試驗

通過抗震試驗及功能試驗驗證了樣機在地震工況下以及經(jīng)受地震載荷作用之后仍能執(zhí)行安全功能的能力。抗震試驗項目包括運行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake, 簡稱OBE)試驗和安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, 簡稱SSE)試驗。OBE試驗采用沿三個正交方向的單軸正弦掃頻方式實施，SSE試驗分為正弦拍波要求輸入運動(Required Input Motion, 簡稱RIM)試驗和多頻波要求響應(yīng)譜(Required Response Spectrum ,簡稱 RRS)試驗，并且需在抗震前后進行共振頻率探查試驗?；镜脑囼灲Y(jié)果如下：

(1)OBE試驗

對樣機的每個正交軸向進行加速度幅值為2/3停堆值的正弦掃頻振動試驗，如圖2所示。實際試驗的加速度幅值應(yīng)增加10%裕度。共包括2次2Hz～64Hz～2Hz 的單軸正弦掃描試驗，掃頻速率為 1倍頻程/min。兩次掃頻時，樣機分別處于開啟和關(guān)閉位置。

(2)RIM試驗

對樣機在每個正交軸向進行一系列的單軸正弦拍波試驗，頻率范圍為2Hz～64Hz。在2Hz～32Hz頻率范圍內(nèi)以1/3倍頻程間隔進行，在32Hz～64Hz頻率范圍內(nèi)以1/6倍頻程間隔進行，加速度幅值如圖2所示，實際試驗的加速度幅值應(yīng)增加10%裕度。如果樣機存在小于64Hz的共振頻率，則還應(yīng)在該共振頻率點按相應(yīng)加速度值進行試驗。每個頻率的激勵形式為：至少5個連續(xù)的正弦拍波，每拍15個周波，最少持續(xù)15秒。在每個頻率拍波時，樣機在定電壓下完成至少一次帶載動作循環(huán)。

圖2 要求輸入運動Fig. 2 Required input motion

(3)RRS試驗

對樣機進行三軸隨機多頻試驗，水平方向和垂直方向同時進行激勵，持續(xù)時間30s，其中強震部分20s。頻率范圍1～100Hz。實際試驗的加速度應(yīng)增加10%裕度，以保證試驗響應(yīng)譜(Test Response Spectrum，簡稱TRS)包絡(luò)RRS。RRS如圖3所示，對應(yīng)的阻尼比為3%，圖中最頂層的譜線包絡(luò)電動裝置在核電廠中的全部安裝位置，作為試驗用的RRS。試驗過程中，樣機應(yīng)在規(guī)定電壓下完成至少一次帶載動作循環(huán)。

由于三代非能動核電廠設(shè)備抗震試驗要求非常高，而國內(nèi)缺乏高性能的試驗臺架[11-13]，所以需要對采用單一的三軸液壓振動臺(地震模擬振動臺)試驗方案進行優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)對于RIM試驗，包括OBE正弦掃頻和SSE正弦拍波試驗，無法在一個試驗臺上完成全部試驗，考慮到低頻部分位移大、高頻部分加速度大的特點，采取液壓振動臺和電磁振動臺分臺試驗，分別解決低頻和高頻部分的試驗。

(2)對于RRS試驗，采用三軸液壓試驗臺，但試驗臺可以達到的位移和速度有限，試驗響應(yīng)譜無法包絡(luò)RRS譜線低頻部分，考慮到電動裝置共振頻率在5Hz以上，所以3.5Hz以下可以不包絡(luò)，因此在RRS試驗時重點確保高頻部分能夠包絡(luò)要求譜線。

圖3 RRS試驗響應(yīng)譜Fig. 3 Response spectrum of RRS test

3.4 設(shè)計基準(zhǔn)事故試驗

DBA試驗?zāi)M核電站DBA期間及之后的環(huán)境條件，用以考核樣機在此事故環(huán)境條件下的安全功能，以及必要的機械完整性和電氣完整性。DBA試驗包絡(luò)線如圖4所示。

圖4 DBA試驗溫度和壓力包絡(luò)線Fig. 4 Temperature and pressure profile for DBA test

樣機連同模擬負(fù)載安裝于DBA試驗容器內(nèi)(見圖5)，試驗持續(xù)時間共30天，包括24小時的化學(xué)噴淋。三代非能動核電廠設(shè)備鑒定DBA試驗的特點是初始拉峰過程溫度和壓力上升速率較快，特別是要求容器內(nèi)溫度由試驗環(huán)境溫度在18秒鐘內(nèi)升溫至峰值溫度226℃(含+8℃裕度)，試驗難度較大，DBA試驗臺架需要充足的蒸汽蓄能罐，多個蒸汽噴射入口，從而實現(xiàn)快速拉峰過程[14]。

圖5 DBA試驗樣機安裝照片F(xiàn)ig. 5 Installation of specimens for DBA test

在安全殼內(nèi)的DBA事故，即失水事故，最終會導(dǎo)致安全殼內(nèi)置換料水箱釋放冷卻水淹沒堆芯[15]，在這種工況下，標(biāo)高較低的閥門會被淹沒，所以這部分閥門的電動裝置也會經(jīng)受DBA事故后的水淹環(huán)境。在完成上述的30天DBA模擬試驗后，兩臺樣機浸沒于規(guī)定壓力、溫度和化學(xué)條件的硼酸溶液中，完成72小時的浸沒試驗。

試驗結(jié)果表明，試驗環(huán)境參數(shù)實測曲線包絡(luò)目標(biāo)曲線。試驗期間樣機在規(guī)定時間點完成帶載動作，說明樣機在模擬LOCA事故過程中、事故后以及水淹事故中能夠保持其安全功能。

4 結(jié)論

三代非能動核電廠1E級閥門直流電動裝置樣機通過一系列鑒定試驗，結(jié)果表明樣機可以承受鑒定規(guī)范書要求的正常、異常和DBA及SSE的考驗，可以確保執(zhí)行啟、閉閥門的功能，該系列1E級直流電動裝置具備在核電廠服役過程中執(zhí)行規(guī)定的安全功能的能力。同時，也表明國內(nèi)已掌握該核電堆型用1E級直流電動裝置設(shè)計和制造的核心技術(shù)，并具備設(shè)備鑒定的能力。