AP1000主控室設(shè)備抗震鑒定試驗研究

李 琦 杜建勇 柳琳琳 李天勇

（中國核動力研究設(shè)計院核級設(shè)備鑒定中心 成都 610041）

AP1000主控室設(shè)備抗震鑒定試驗研究

李 琦 杜建勇 柳琳琳 李天勇

（中國核動力研究設(shè)計院核級設(shè)備鑒定中心 成都 610041）

AP1000是西屋公司開發(fā)的先進非能動壓水堆。本文描述了AP1000主控室設(shè)備（PDSP和SDSP機柜）抗震鑒定試驗的試驗目的、試驗裝置、試驗方法、試驗內(nèi)容和試驗結(jié)果。試驗目的在于考核設(shè)備的剛度、強度以及其在地震載荷作用時和作用后的性能指標。試驗在中國核動力研究設(shè)計院核級設(shè)備鑒定中心進行。試驗中通過正弦掃描和白噪聲探查了樣機三個軸向的固有頻率及阻尼比，并采用多頻波法在樣機的三個軸向同時輸入模擬加速度時程激振，利用地震臺臺面加速度作為控制信號完成抗震鑒定試驗。試驗結(jié)果表明，樣機在試驗中及試驗后結(jié)構(gòu)完整，功能完好，滿足規(guī)范要求。

AP1000，主控室設(shè)備，地震臺，抗震鑒定

AP1000 是由美國西屋公司開發(fā)的一種兩環(huán)路1000 Mwe非能動型的壓水反應(yīng)堆核電站，我國目前正采用這一技術(shù)在三門、海陽兩個廠址建設(shè)4個機組。與我國現(xiàn)有的核電站抗震設(shè)防基準不同，AP1000設(shè)計中去除了對運行基準地震(OBE)的要求，僅以安全停堆地震(SSE)作為抗震設(shè)防基準，抗震I類、II類的構(gòu)筑物、系統(tǒng)、設(shè)備和部件的抗震設(shè)計均是基于SSE[1]。

AP1000主控室的PDSP和SDSP機柜是核電站1E級電氣設(shè)備，屬于抗震I類設(shè)備，要求在地震條件下保持結(jié)構(gòu)完整和功能完好。根據(jù)核相關(guān)法規(guī)要求[2,3]，必須對設(shè)備樣機進行抗震鑒定試驗。試驗目的在于考核設(shè)備的剛度、強度及其在地震載荷作用時和作用后的性能指標，以驗證設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性及功能完好性。本試驗是AP1000設(shè)備在國內(nèi)的首次抗震鑒定試驗。

1 研究方法

設(shè)備的抗震鑒定方法有四種，即分析法、試驗法、分析與試驗相結(jié)合、經(jīng)驗反饋法。一般來說，對于能動的機械設(shè)備和1E級電氣設(shè)備，在第一次抗震鑒定時，宜采用試驗方法[4]。地震模擬振動臺可真實地再現(xiàn)地震過程和進行人工地震波的實驗，它是在實驗室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機理的最直接方法，是目前研究抗震研究的重要手段之一[5]。設(shè)備的抗震鑒定試驗，需做兩種類型試驗，即動態(tài)特性探查試驗和抗震性能試驗。前者是為了獲取設(shè)備的自振頻率和阻尼等，確定設(shè)備的固有動態(tài)特性，后者則主要檢驗在規(guī)定強度和頻度的地震作用時和作用后，設(shè)備的正常功能和完整性[6]。

1.1試驗對象及裝置

試驗對象為AP1000主控室設(shè)備（PDSP和SDSP機柜），兩機柜重量分別為1127 kg和424 kg。試驗在中國核動力研究設(shè)計院核級設(shè)備鑒定中心6m×6m大型高性能地震模擬試驗臺上進行。臺面最大承載60 t，水平和垂直向最大位移分別為±150mm和±100 mm，自由度數(shù)6個，128個測量通道，具有150 kHz高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。地震臺水平向和豎直向的最大加速度（滿載）分別為1 g和0.8g，頻率范圍為0.1?100 Hz，具有足夠?qū)挼墓ぷ黝l率范圍和良好的高頻和低頻特性。

1.2試件安裝和測點布置

試驗前檢查設(shè)備整體結(jié)構(gòu)有無變形和損傷，各個連接件有無松動或脫落，在結(jié)構(gòu)完整的情況下模擬現(xiàn)場安裝方式將其安裝在地震臺上，并對樣機進行功能試驗。圖1為設(shè)備在地震臺上的安裝圖，圖中的X方向和Y方向為地震臺的水平方向，Z方向為地震臺的豎直方向。

圖1 設(shè)備在地震臺上的安裝圖Fig.1 The layouts of test units on the seismic table.

試驗中的測試量分為振動加速度、電流和電壓信號。加速度計主要用于測量地震臺臺面和設(shè)備上典型位置的加速度響應(yīng)。試驗采用江蘇聯(lián)能的三向加速度計，一共20個，安裝位置為地震臺臺面、機柜頂部、機柜重心、機柜內(nèi)部、操作臺臺面等處。其中4號和10號加速度計測量的是PDSP的機柜操作臺臺面和機柜頂部的加速度響應(yīng)，1號和5號加速度計測量的是SDSP機柜的操作臺臺面和機柜頂部的加速度響應(yīng)。電流/壓傳感器用于測量機柜的電信號，一共有8個，圖2為SDSP機柜內(nèi)部的加速度計和電壓傳感器布置。數(shù)據(jù)采集采用比利時LMS SC316數(shù)據(jù)采集儀，最高采樣頻率為102.4 k，16 Bit，±10 V。輸入測量儀表及相關(guān)設(shè)備均在檢定的有效期內(nèi)使用。

圖2 SDSP機柜內(nèi)的加速度計和電壓傳感器Fig.2 The accelerometers and voltage sensors at SDSP.

1.3動態(tài)特性探查試驗

在抗震性能試驗前，首先進行動態(tài)特性探查試驗，用以查明設(shè)備的自振頻率和阻尼，了解設(shè)備的固有動態(tài)特性。試驗中分別采用正弦掃描和白噪聲兩種方式來探查設(shè)備的動態(tài)特性。正弦掃描采用輸入幅值不大于0.2 g的正弦波連續(xù)掃描，在1?100?1Hz范圍內(nèi)，在設(shè)備三個主軸方向的每一個正交軸上作探查試驗，掃描速度為1倍頻程/分。借助于正弦拍波的輸入信號與測量點處的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的相位之間的比較關(guān)系來確定自振頻率。白噪聲激勵則是輸入幅度為0.3 g的白噪聲信號在設(shè)備每一正交軸上激振，振動持續(xù)時間180 s，以保證自振頻率和振型的精度。

1.4抗震性能試驗

抗震性能試驗是考核設(shè)備在規(guī)定的地震下能否履行規(guī)定的安全功能。《核設(shè)備抗震鑒定試驗指南》規(guī)定，抗震性能試驗必須滿足以下要求：1) 由振動臺產(chǎn)生的試驗反應(yīng)譜(TRS)應(yīng)在整個試驗頻率范圍內(nèi)包絡(luò)要求的反應(yīng)譜(RRS)，試驗反應(yīng)譜和要求反應(yīng)譜有相同的阻尼比；2) 輸入運動波的峰值加速度應(yīng)不小于要求反應(yīng)譜的零周期加速度值；3) 試驗反應(yīng)譜的頻率范圍應(yīng)包絡(luò)要求反應(yīng)譜的頻率范圍，但不包括高于RRS截斷頻率的頻率成分。

試驗中采用多頻波法在樣機的三個正交軸向同時進行激振，并以地震臺臺面的加速度信號作為控制信號。地震阻尼比取5%。根據(jù)設(shè)計方提供的樓板反應(yīng)譜，用計算機生成人工模擬地震加速度時程作為輸入信號在設(shè)備三個正交軸向完成了5次0.84SSE、1次1.2SSE，1次1.67SSE地震試驗，每次試驗時間為30 s，并且強震時間不少于20 s。在每次地震試驗過程中監(jiān)測樣機的運行電流和電壓，測量各測點的加速度響應(yīng)。每次試驗后對樣機進行功能試驗。

圖3為1.67SSE地震試驗中三向的人工加速度模擬時程，采樣頻率為256 Hz，采樣點數(shù)量為7680個，分析的頻率范圍是0?128 Hz，可獲得的頻率分辨率為0.0333 Hz，滿足《核設(shè)備抗震鑒定試驗指南》關(guān)于樓板反應(yīng)譜的頻率間隔最小為0.1 Hz的要求。

圖3 1.67SSE試驗中三向人工加速度模擬時程Fig.3 Artificial time history along three orthogonal axes of 1.67SSE. (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

圖4為1.67SSE地震試驗中X方向臺面加速度響應(yīng)譜包絡(luò)情況，圖中RRS為要求的譜線，TRS為臺面實現(xiàn)的譜線。在各次地震試驗中，各方向臺面加速度時程響應(yīng)譜對各自要求的加速度譜均實現(xiàn)了包絡(luò)，即臺面較好地模擬了設(shè)計的加速度時程。各次地震中實現(xiàn)的臺面加速度時程X、Y、Z三向之間相關(guān)系數(shù)小于0.3，滿足指南的要求。

圖4 1.67SSE試驗中X方向臺面響應(yīng)譜包絡(luò)情況Fig.4 The envelope of response spectrum along X direction of 1.67SSE.

2 結(jié)果與討論

地震試驗前利用正弦掃描得到的設(shè)備動態(tài)特性探查試驗結(jié)果如表1所示。

表1 地震試驗前設(shè)備動態(tài)特性探查試驗結(jié)果Table 1 Dynamic characteristics of the specimen in pre-test frequency search.

PDSP和SDSP機柜最大加速度響應(yīng)均出現(xiàn)在1.67SSE地震試驗中。PDSP機柜的X、Y、Z方向加速度最大響應(yīng)分別為4.00、5.71和4.74 g，相對臺面放大系數(shù)分別為2.76、3.76和2.74；SDSP機柜的X、Y、Z方向加速度最大響應(yīng)分別為6.59、3.68和2.50 g，相對臺面放大系數(shù)分別為4.54、2.42和1.45。在抗震性能試驗過程中，設(shè)備的電流、電壓和開關(guān)信號均正常。

抗震性能試驗后再按照1.3節(jié)的方法進行試驗后的動態(tài)特性探查試驗。試驗前后設(shè)備的動態(tài)特性略有改變，但變化不大，說明設(shè)備在試驗后的整體特性沒有發(fā)生明顯變化。試驗后的檢查沒有發(fā)現(xiàn)樣機有螺栓松動和結(jié)構(gòu)變形等情況。對樣機進行了功能試驗，可以正常運行。

3 結(jié)語

根據(jù)設(shè)計方提供的樓板譜，按照《核設(shè)備抗震鑒定試驗指南》規(guī)定的方法，中國核動力研究設(shè)計院核級設(shè)備鑒定中心完成了AP1000主控室的PDSP和SDSP機柜的抗震鑒定試驗。試驗中采用正弦掃頻和白噪聲兩種方式探查了設(shè)備在地震試驗前后的動態(tài)特性，并采用多頻波法在設(shè)備的三個正交軸向同時激振，完成了抗震鑒定試驗。試驗結(jié)論如下：

(1) 抗震鑒定試驗正確地模擬了輸入地震樓層反應(yīng)譜，試驗方法滿足HAF.J0053《核設(shè)備抗震鑒定試驗指南》中關(guān)于多頻波法的相關(guān)要求。

(2) AP1000主控室設(shè)備（PDSP和SDSP機柜）在地震試驗后結(jié)構(gòu)完整，能夠正常啟動和運行。

(3) AP1000主控室設(shè)備（PDSP和SDSP機柜）在地震試驗前、中、后機械性能和電氣性能均合格。

1 李忠誠, 楊孟嘉. AP1000抗震分析與設(shè)計特點研究[J].世界地震工程, 2008, (24): 137?142 LI Zhongcheng, YANG Mengjia. Study on the major characteristics of seismic analysis and design of AP1000[J]. World Earthquake Engineering, 2008, (24): 137?142

2 Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Std 344.IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations[S], New York, 2004

3 國家核安全局. HAF.J0053. 核設(shè)備抗震鑒定試驗指南[S]. 北京, 1995 National Nuclear Safety Administration. HAF.J0053.Guide of Seismic Qualification Test for Nuclear Equipment[S]. Beijing, 1995

4 方慶賢. 核電廠設(shè)備抗震鑒定的審評[J]. 核動力工程, 1995, 16(5): 394?400 FANG Qingxian. Safety review for seismic qualification of nuclear power plant equipment[J]. Nuclear Power Engineering, 1995, 16(5): 394?400

5 邱法維, 錢稼茹, 陳志鵬. 結(jié)構(gòu)抗震實驗方法[M]. 北京: 科學出版社, 2000 QIU Fawei, QIAN Jiaru, CHEN Zhipeng. Seismic test methodology for structures[M]. Beijing: Science Press, 2000

6 劉永昌, 孫柏濤. 核電站用機電設(shè)備抗震性能試驗鑒定若干問題[J]. 地震工程與工程振動, 1999, 19(3): 68?73 LIU Yongchang, SUN Baitao. Some problem in seismic qualification of equipment for nuclear power generating stations[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1999, 19(3): 68?73

Experimental study on seismic qualification test of AP1000 main control room equipment

LI Qi DU Jianyong LIU Linlin LI Tianyong
(Nuclear Equipment Qualification Center of Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: AP1000 is a advanced passive PWR which designed by the Westinghouse. Purpose: The purpose of the seismic qualification test is to obtain test data that will demonstrate structural integrity and functionality of AP1000 MCR equipment during and after exposure to the dynamic effect of seismic load. Methods: The test was performed at the Nuclear Equipment Qualification Center (NEQ) of Nuclear Power Institute of China (NPIC). The dynamic characteristics of specimens are detected by sine sweep and random input respectively. Multi-frequency method is applied along three orthogonal axis of the specimen in seismic qualification tests. And the seismic qualification tests are taken by using the acceleration on surface of the shake table as the control signal. Results: The structural integrity and the operability of the specimen are perfect during and after the seismic qualification test. Conclusions: Therefore, the AP1000 MCR equipments (PDSP and SDSP) pass the seismic qualification test.

AP1000, MCR equipment, Shake table, Seismic qualification test

TL327

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040614

李琦，女，1980年出生，2007年于重慶大學獲工學碩士學位，助研，專業(yè)為結(jié)構(gòu)力學

2012-10-31，

2013-03-01

CLC TL327