核儀控系統(tǒng)物項(xiàng)替換抗震評估方法研究及應(yīng)用

郝則勝，張亞棟，王 嫘，高玉斌，周 洋，張 磊

(北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094)

0 引言

最初，核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)備所開展的抗震鑒定通常由原來的設(shè)備供應(yīng)商或制造商進(jìn)行。供應(yīng)商或制造商實(shí)施了質(zhì)量保證程序控制，核電相關(guān)部門通常援引這些程序控制，以確保繼續(xù)對用于原安裝設(shè)備的替換物項(xiàng)進(jìn)行抗震鑒定。目前，中國物項(xiàng)替換缺乏抗震技術(shù)評估方法[1]，因此，國內(nèi)核電行業(yè)有必要改進(jìn)物項(xiàng)采購程序，包括增加工程部門對確定采購要求和合格供應(yīng)商的參與。美國核電行業(yè)制定了核電廠物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估的指導(dǎo)方針，以協(xié)助核電相關(guān)部門滿足核電廠物項(xiàng)替換的需求。但是，這些指導(dǎo)方針并未包括對抗震技術(shù)評估的具體指導(dǎo)。

本文對替換物項(xiàng)的抗震技術(shù)評估方法進(jìn)行研究，并結(jié)合物項(xiàng)替換的實(shí)際應(yīng)用，提出適合國內(nèi)核電儀控系統(tǒng)應(yīng)用的物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估方法，對中國核電行業(yè)核安全級物項(xiàng)抗震技術(shù)評估具有很好的借鑒意義。

1 核電廠儀控系統(tǒng)物項(xiàng)替代抗震技術(shù)評估程序

對替換物項(xiàng)進(jìn)行抗震技術(shù)評估，首先進(jìn)行場景1地震不敏感物項(xiàng)評估；如不符合場景1的條件，轉(zhuǎn)入場景2地震堅(jiān)固物項(xiàng)評估；如不符合場景2的條件，轉(zhuǎn)入場景3。前兩個場景為常規(guī)評估，第三個場景是詳細(xì)的地震充分性驗(yàn)證。

場景1：確定替換物項(xiàng)是否具有地震不敏感特性。地震不敏感物項(xiàng)實(shí)際上沒有地震限制，因此不需要任何進(jìn)一步的抗震技術(shù)評估。換句話說，它們在任何地點(diǎn)或方向都可以被抗震技術(shù)評估程序接受。

場景2：需要施加限制條件，使物項(xiàng)被歸類為地震堅(jiān)固物項(xiàng)，例如，典型的限制條件可能是對核電廠儀控系統(tǒng)設(shè)備的位置的限制條件。場景2的目的是確定地震堅(jiān)固物項(xiàng)的差異是否會影響主機(jī)所需的地震充分性。

場景3：對于尚未確定為地震堅(jiān)固物項(xiàng)或已知可能對地震敏感的物項(xiàng)，需要進(jìn)行詳細(xì)的地震充分性驗(yàn)證。

核電廠儀控系統(tǒng)抗震技術(shù)評估程序的三級評估場景[2]，如圖1所示。

圖1 抗震技術(shù)評估程序三級評估場景

2 物項(xiàng)替代抗震技術(shù)評估關(guān)鍵步驟

2.1 地震不敏感物項(xiàng)技術(shù)評估

地震不敏感物項(xiàng)是抗震技術(shù)評估三級評估場景中,對替換物項(xiàng)的第一級篩選。地震不敏感物項(xiàng)通常沒有地震破壞機(jī)理。因此，地震不敏感物項(xiàng)可以在沒有任何具體地震要求的情況下采購，其性能和可接受性不受地震荷載的影響。

地震不敏感物項(xiàng)的確定可以基于試驗(yàn)法、分析法或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法。無論這些物項(xiàng)所承受地震載荷程度如何，這些物項(xiàng)都不會受到損害，而且這些物項(xiàng)及其主機(jī)的地震充分性也將得到維持。

在評估地震不敏感物項(xiàng)時，技術(shù)評估人員應(yīng)首先審查現(xiàn)有地震不敏感物項(xiàng)清單。如果該物項(xiàng)不在核電廠的地震不敏感清單上，則應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行評估；如果該物項(xiàng)滿足地震不敏感的要求，則可將其添加到核電廠的地震不敏感清單中。一旦確定某物項(xiàng)對地震不敏感，就可以在沒有具體地震要求的情況下采購。

抗震技術(shù)評估流程如圖2所示。

圖2 抗震技術(shù)評估流程圖

確定物項(xiàng)地震不敏感的方法有以下幾種[3-5]。

(1)該物項(xiàng)對主機(jī)的動態(tài)特性影響很小，替換后主機(jī)的固有頻率保持相似。通常，對于簡單的物項(xiàng)，可以通過證明物項(xiàng)質(zhì)量的潛在變化是主機(jī)質(zhì)量的一小部分來證明。抗震技術(shù)評估還必須考慮離心率或質(zhì)心變化的影響，并證明輕微的變化不會影響主機(jī)的動態(tài)特性。這就確保了物項(xiàng)替換引起的質(zhì)量變化的影響可以忽略不計(jì)，從而排除了跟蹤質(zhì)量變化累積效應(yīng)的需要。本文給出了確定主機(jī)固有頻率保持相似的方法，具體參見第3節(jié)。

(2)物項(xiàng)不機(jī)械地改變狀態(tài)(如閥門)或機(jī)電地改變狀態(tài)(如繼電器、斷路器)，也不損害主機(jī)的安全功能。

(3)物項(xiàng)不在主機(jī)的地震荷載路徑中，或者沒有地震破壞失效模式。①是否在地震荷載路徑，技術(shù)評估人員可以通過分析地震荷載路徑來確定。地震載荷路徑中的物項(xiàng)將被視為將主機(jī)固定在一起的物項(xiàng)。除因物項(xiàng)本身的慣性而產(chǎn)生的地震荷載外，物項(xiàng)內(nèi)的應(yīng)力(如軸承、彎曲、張力或剪切)不因地震荷載而增加，則可判定為物項(xiàng)不在地震載荷路徑之中。②沒有地震破壞失效模式。技術(shù)評估人員可以通過分析、測試或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來完成。一般來說，證明該物項(xiàng)的地震能力超過任何地震荷載對物項(xiàng)的破壞能力。

2.2 地震堅(jiān)固物項(xiàng)技術(shù)評估

地震堅(jiān)固物項(xiàng)是抗震技術(shù)評估三級評估場景中,對替換物項(xiàng)的第二級篩選。地震堅(jiān)固物項(xiàng)是指在地震荷載超過物項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)用所需地震要求的條件下，預(yù)期能保持物項(xiàng)所要求的地震適應(yīng)性。

2.2.1 地震堅(jiān)固物項(xiàng)限制條件

地震不敏感物項(xiàng)和地震堅(jiān)固物項(xiàng)的主要區(qū)別是：地震不敏感物項(xiàng)可以作為不受地震限制的替換物；而地震堅(jiān)固物項(xiàng)則有其局限性，必須為地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單中的每個物項(xiàng)確定其適用的限制條件。

限制條件是根據(jù)記錄在案的地震能力所確定的，并確保替換物項(xiàng)保持該物項(xiàng)及其主機(jī)的地震充分性。這些限制條件可以分為兩類。第一類與地震需求有關(guān)，為地震包絡(luò)條件，通常用地震反應(yīng)譜來表示。第二類限制條件涉及對替換物項(xiàng)施加的任何其他限制條件，為特定條件，以確保記錄在案的地震能力適用于替換物項(xiàng)(即設(shè)計(jì)和安裝方面相似)。當(dāng)?shù)卣饒?jiān)固物項(xiàng)的地震包絡(luò)條件和特定條件得到滿足時，該物項(xiàng)及其主機(jī)的地震充分性將得到滿足。

純粹的結(jié)構(gòu)物項(xiàng)(螺栓、螺母、墊圈等)是地震堅(jiān)固物項(xiàng)。這些物項(xiàng)沒有地震包絡(luò)條件，但與材料強(qiáng)度、尺寸和安裝有關(guān)的限制條件需要滿足特定條件。

進(jìn)行地震堅(jiān)固物項(xiàng)評估時，技術(shù)評估人員應(yīng)首先審查核電廠特有的地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單。如果該物項(xiàng)不在核電廠的地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單上，應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行評估；如果該物項(xiàng)符合地震堅(jiān)固物項(xiàng)的要求，則可添加到核電廠的地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單中。

2.2.2 地震堅(jiān)固物項(xiàng)作為替換物項(xiàng)的判定條件

技術(shù)評估人員在評估地震堅(jiān)固物項(xiàng)是否可判定為可接受的替換物項(xiàng)時，須證明該物項(xiàng)符合限制條件。如滿足以下兩點(diǎn)，則該物項(xiàng)可以作為地震堅(jiān)固物項(xiàng)采購。①地震包絡(luò)條件覆蓋了物項(xiàng)的地震需求。證明所安裝的物項(xiàng)具有較高的裕量，即地震反應(yīng)譜、峰值加速度、較低的地面高度或較低的放大率等地震需求參數(shù)均滿足物項(xiàng)的地震需求。②物項(xiàng)的質(zhì)量屬性包絡(luò)定義的特定條件。證明該物項(xiàng)具有與特定條件相同或更高的質(zhì)量屬性(例如，強(qiáng)度更大、延展性增加等)。

2.2.3 地震堅(jiān)固物項(xiàng)的評估方法

在進(jìn)行地震堅(jiān)固物項(xiàng)評估時，技術(shù)評估人員應(yīng)審查現(xiàn)有的分析文件、鑒定報(bào)告、試驗(yàn)和地震經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，以確定是否為替換物項(xiàng)提供了適用的地震充分性信息。

物項(xiàng)的地震能力和設(shè)計(jì)/安裝屬性限制條件通常是從現(xiàn)有的地震能力文件中得出的，也可以進(jìn)行地震充分性分析。為確定某一物項(xiàng)是否為地震堅(jiān)固物項(xiàng)，必須對適用的文件進(jìn)行審查，以確定地震的包絡(luò)條件和物項(xiàng)的特定條件。

確定地震堅(jiān)固物項(xiàng)的方法如下。

(1)物項(xiàng)為不具有潛在可操作性的敏感物項(xiàng)。

(2)物項(xiàng)對主機(jī)的動態(tài)特性的影響是可以接受的，證明方法參見第3節(jié)。

(3)確定地震邊界條件。地震邊界條件包括以下幾個部分。①根據(jù)現(xiàn)有的地震資料或地震充分性，分析確定一個物項(xiàng)的地震充分性。②確定物項(xiàng)所需的主機(jī)，并確定因主機(jī)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的任何放大效應(yīng)。此外，還應(yīng)界定建筑物的高度，利用主機(jī)安裝位置和振幅，確定地震需求(例如，反應(yīng)譜、位移、峰值加速度等)。然后，將預(yù)期替換物項(xiàng)的地震需求與地震充分性文獻(xiàn)中的地震能力進(jìn)行比較。③確定用于確保地震堅(jiān)固物項(xiàng)的地震包絡(luò)條件，并將其列入地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單。這些條件可以用地震能力(反應(yīng)頻譜、峰值加速度等)或應(yīng)用限制(主機(jī)位置、建筑高度等)來表示。

技術(shù)評估人員應(yīng)審查地震充分性文件，以確定適用于地震能力的限制條件。對物項(xiàng)的限制條件應(yīng)滿足核電廠許可證的要求，具體限制條件包括制造/型號/年份、有關(guān)物項(xiàng)的地震設(shè)計(jì)屬性的條件及安裝條件。地震設(shè)計(jì)屬性與物項(xiàng)的資格鑒定方法相關(guān)聯(lián)，包括：物項(xiàng)相對于其附件或錨地的質(zhì)量；物項(xiàng)的剛度；受材料、截面特性和結(jié)構(gòu)影響的物項(xiàng)強(qiáng)度；物項(xiàng)錨固方法(支撐位置等)；物項(xiàng)錨固強(qiáng)度；重要或精密裝置或電氣干擾的間隙、公差和允許載荷；物項(xiàng)的附件(管道、電纜、電氣導(dǎo)線等)；物項(xiàng)的固有頻率；物項(xiàng)的可動子部件(受地震引起的運(yùn)動影響)。

技術(shù)評估人員應(yīng)對物項(xiàng)替換活動的要求(例如設(shè)計(jì)和安裝細(xì)節(jié))進(jìn)行審查，確保與現(xiàn)有地震充分性文件的限制條件一致。將物項(xiàng)列入核電廠的地震堅(jiān)固物項(xiàng)清單，并界定特定條件，以涵蓋地震充分性文件中充分反映替換條件的所有情況。地震堅(jiān)固物項(xiàng)為純結(jié)構(gòu)物項(xiàng)的特定條件應(yīng)與材料、尺寸和安裝有關(guān)。材料特定條件為最小強(qiáng)度、延展性和高溫下的特性等；尺寸特定條件為螺栓直徑、螺紋長度、每英寸(1英寸=25.4 mm)螺紋和頭樣式等。安裝特定條件如螺栓擰緊扭矩值。

3 核電廠儀控系統(tǒng)物項(xiàng)替代抗震技術(shù)評估主機(jī)動態(tài)特性相似證明

證明物項(xiàng)替換后主機(jī)動態(tài)特性是否保持相似，首先應(yīng)確定主機(jī)動態(tài)特性的主要影響因素。本文以單自由度有阻尼自由振動系統(tǒng)為例，介紹動態(tài)特性的主要影響因素[6-10]。單自由度有阻尼自由振動系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 單自由度有阻尼自由振動系統(tǒng)力學(xué)模型

圖3中：k為振動系統(tǒng)剛度；c為振動系統(tǒng)阻尼；m為振動系統(tǒng)質(zhì)量；x為質(zhì)點(diǎn)位移。

根據(jù)牛頓第二定律，建立具有黏性阻尼的自由振動微分方程：

(1)

對式(1)進(jìn)行變形，得：

(2)

令：

式中：ζ為阻尼比；ωn=2πfn，與固有頻率直接相關(guān)，fn為固有頻率。

綜上可知，結(jié)構(gòu)的固有頻率為：

(3)

從式(3)中可以看出，結(jié)構(gòu)固有頻率只與系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量有關(guān)。在確定物項(xiàng)對主機(jī)的動力學(xué)影響時，物項(xiàng)對主機(jī)動態(tài)特性的影響主要是分析其對剛度和質(zhì)量的影響，進(jìn)而分析對主機(jī)固有頻率的影響。

根據(jù)GB 50267-1997 核電廠地震設(shè)計(jì)規(guī)范對地震設(shè)計(jì)中計(jì)算模型的基本要求，得出物項(xiàng)對主機(jī)動態(tài)特性影響程度影響評判標(biāo)準(zhǔn)[5]：假設(shè)替換物項(xiàng)作為子體系，其質(zhì)量變化為m1；主機(jī)質(zhì)量為m。子體系質(zhì)量與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量之比為λ，規(guī)定如下。①若λ<0.01。不考慮物項(xiàng)作為子體系的剛度影響。②若0.01<λ<0.1。當(dāng)物項(xiàng)作為子體系的基本頻率與主機(jī)的主導(dǎo)頻率之比小于等于0.8或者大于等于1.25時，不考慮物項(xiàng)為子體系的剛度影響。③若物項(xiàng)與主體結(jié)構(gòu)式柔性連接，不計(jì)入子體系的剛度的影響。④主機(jī)動態(tài)特性變化，可由式(3)求得。

評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：主機(jī)結(jié)構(gòu)固有頻率變化小于10%，認(rèn)為物項(xiàng)替換引起的主機(jī)動態(tài)特性與原主機(jī)動態(tài)特性保持相似。

4 物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估應(yīng)用實(shí)例

某核電站工程樣機(jī)鑒定于2013年4月底完成了設(shè)備鑒定試驗(yàn)。A光纜終端盒也屬此設(shè)備鑒定的范圍，且設(shè)備鑒定合格。后期，因A光纜終端盒廠家停止生產(chǎn)，核電站需要采購B光纜終端盒替換A光纜終端盒，因此，需要對B光纜終端盒進(jìn)行抗震技術(shù)評估。

根據(jù)第1節(jié)抗震技術(shù)評估流程，確定對B光纜終端盒進(jìn)行抗震技術(shù)評估。首先，需要判斷B光纜終端盒是否屬于地震不敏感物項(xiàng)，即B光纜終端盒是否滿足第2節(jié)確定物項(xiàng)地震不敏感的方法。證明過程如下。

②光纜終端盒的作用是為光纜提供安裝接點(diǎn)。其本身不機(jī)械地改變狀態(tài)或機(jī)電地改變狀態(tài)，也不損害工程樣機(jī)的安全功能。

③光纜終端盒除因本身的慣性而產(chǎn)生的地震荷載外，光纜終端盒內(nèi)的應(yīng)力不因地震荷載而增加。因此，可以證明光纜終端盒不在主機(jī)的地震荷載路徑中。

由以上證明過程，可以判定B光纜終端盒為地震不敏感物項(xiàng)。根據(jù)圖2，文件記錄B光纜終端盒的地震不敏感特性，并直接采購抗震技術(shù)評估合格的B光纜終端盒。

為驗(yàn)證核電廠儀控系統(tǒng)物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估方法的正確性，對B光纜終端盒進(jìn)行單獨(dú)的抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，B光纜終端盒具備良好的抗震性能，從而證明了核電廠儀控系統(tǒng)物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估方法正確可行。

5 結(jié)束語

本文對美國EPRI相關(guān)導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，提出核電廠儀控系統(tǒng)抗震技術(shù)評估程序的三級篩選和評估場景及抗震技術(shù)評估流程圖，利用單自由度有阻尼自由振動系統(tǒng)模型，得到結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的主要影響因素。針對地震不敏感物項(xiàng)及地震堅(jiān)固物項(xiàng),提出動態(tài)相似的具體證明方法；結(jié)合國內(nèi)核電廠儀控系統(tǒng)某光纜終端盒替換實(shí)例，提出適合國內(nèi)核電行業(yè)應(yīng)用的核電廠物項(xiàng)替換抗震技術(shù)評估方法。該研究對中國核電行業(yè)核安全級物項(xiàng)抗震技術(shù)評估具有借鑒意義。