鄭開(kāi)云，陳 智

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

三代非能動(dòng)核電廠(CAP系列核電廠)是我國(guó)在引進(jìn)、消化、吸收美國(guó)西屋公司AP1000非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組[1-3]。為了滿足三代非能動(dòng)核電廠示范工程建設(shè)需要，大量的核安全級(jí)設(shè)備正在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)。我國(guó)從事核電閥門驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)制造的單位開(kāi)發(fā)了用于三代非能動(dòng)核電廠的1E級(jí)閥門電動(dòng)裝置，這也是首批實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的三代核電廠設(shè)備之一。三代非能動(dòng)核電廠1E級(jí)閥門采用直流電動(dòng)裝置[4]，相比現(xiàn)有的二代核電廠使用的交流電動(dòng)裝置，其設(shè)計(jì)、制造的難度更大，同時(shí)鑒定試驗(yàn)的要求也顯著提高。電動(dòng)裝置樣機(jī)需經(jīng)歷電磁兼容性(electromagnetic compatibility，簡(jiǎn)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(dòng)老化、抗震和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故模擬等鑒定試驗(yàn)。

本文介紹了國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的三代非能動(dòng)核電廠1E級(jí)閥門直流電動(dòng)裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)和鑒定要求，并詳細(xì)闡述了樣機(jī)鑒定試驗(yàn)過(guò)程，探討了抗震試驗(yàn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)中的技術(shù)問(wèn)題及解決方案，為從事核電設(shè)備鑒定的機(jī)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(dòng)裝置及其鑒定要求

1.1 電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

閥門驅(qū)動(dòng)裝置，包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓、電磁致動(dòng)器等，用于打開(kāi)、關(guān)閉閥門，或調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制。在三代非能動(dòng)核電廠中，有100多個(gè)1E級(jí)閥門驅(qū)動(dòng)裝置，其中大部分是電動(dòng)和氣動(dòng)裝置。

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

電動(dòng)裝置是機(jī)械部件和電氣部件的組合，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械部件采用金屬材料制造，其對(duì)于環(huán)境老化的影響可忽略不計(jì)。但是，電氣部件容易受到環(huán)境老化的影響。有機(jī)材料用于制造元器件，如：電動(dòng)機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、扭矩開(kāi)關(guān)、電氣端子、端子塊、墊圈和O形環(huán)，以及潤(rùn)滑劑，它們易受核電廠長(zhǎng)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(jī)械振動(dòng)、濕度、化學(xué)噴淋、浸沒(méi)等。蝸桿、蝸輪、軸承等運(yùn)動(dòng)部件還可能在長(zhǎng)期運(yùn)行中發(fā)生磨損。這些都需要在設(shè)計(jì)和鑒定過(guò)程中全面考慮。

圖1 電動(dòng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of an electric actuator

1.2 鑒定要求

開(kāi)展設(shè)備鑒定的目的是驗(yàn)證設(shè)備在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(Design Basis Accident，簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)核電廠1E級(jí)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(yùn)行環(huán)境。鑒定主要遵循電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，簡(jiǎn)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(dòng)核電廠1E級(jí)閥門電動(dòng)裝置的壽命是60年。電動(dòng)裝置在正常、異常運(yùn)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(jī)應(yīng)經(jīng)受相當(dāng)于60年服股的老化試驗(yàn)。對(duì)于給定的鑒定壽命目標(biāo)，沒(méi)有適當(dāng)理由不允許在鑒定程序中更換或維護(hù)樣機(jī)。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(yàn)方案

2.1 鑒定試驗(yàn)樣機(jī)

1E級(jí)直流閥門電動(dòng)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(yàn)可按照IEEE 382-2006 附錄A 選擇有代表性的電動(dòng)裝置樣機(jī)進(jìn)行[7]。該方法根據(jù)外推概念，以偏離平均值50%～100%來(lái)確定外推值以確定鑒定試驗(yàn)有代表性且合理數(shù)量的樣機(jī)。

2.2 鑒定試驗(yàn)序列

電動(dòng)裝置鑒定采用型式試驗(yàn)方法，包括基本功能試驗(yàn)、環(huán)境鑒定試驗(yàn)、抗震鑒定試驗(yàn)和EMC鑒定試驗(yàn)等，鑒定試驗(yàn)必須按規(guī)定的序列進(jìn)行。電動(dòng)裝置鑒定試驗(yàn)序列見(jiàn)表1，該鑒定試驗(yàn)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(jìn)行融合，并充分考慮了實(shí)施過(guò)程的可操作性。

表1 鑒定試驗(yàn)序列

注：*鑒定規(guī)范書中的特定要求

電動(dòng)裝置的功能試驗(yàn)根據(jù)規(guī)范書規(guī)定來(lái)確定，主要包括：

(1)空載動(dòng)作試驗(yàn)：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下分別實(shí)施試驗(yàn)樣機(jī)的開(kāi)、關(guān)方向動(dòng)作；

(2)帶載動(dòng)作試驗(yàn)：在額定電壓下、72%電壓下以及110%電壓下，并使轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)關(guān)設(shè)定在額定轉(zhuǎn)矩值，分別實(shí)施試驗(yàn)樣機(jī)的開(kāi)、關(guān)方向動(dòng)作；

(3)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)：在72%電壓下實(shí)施試驗(yàn)樣機(jī)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

3 鑒定試驗(yàn)結(jié)果

3.1 EMC試驗(yàn)

EMC試驗(yàn)用于驗(yàn)證電動(dòng)裝置產(chǎn)生的電磁干擾不會(huì)影響核電廠正常運(yùn)行，驗(yàn)證其自身的抗電磁干擾的能力，以判斷安全級(jí)設(shè)備在受到電磁干擾時(shí)能否正確執(zhí)行其規(guī)定的功能。

樣機(jī)的EMC試驗(yàn)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(yàn)和抗擾度試驗(yàn)，所完成的試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)裝置樣機(jī)滿足EMC鑒定驗(yàn)收要求。

表2 EMC試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2 環(huán)境老化試驗(yàn)

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

樣機(jī)經(jīng)歷的環(huán)境老化試驗(yàn)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(dòng)老化等，鑒定試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。各項(xiàng)鑒定試驗(yàn)后的功能試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)功能正常，各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)定的偏差范圍內(nèi)。

表3 環(huán)境鑒定試驗(yàn)參數(shù)

3.3 抗震試驗(yàn)

通過(guò)抗震試驗(yàn)及功能試驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)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?？拐鹪囼?yàn)項(xiàng)目包括運(yùn)行基準(zhǔn)地震(Operating Basis Earthquake, 簡(jiǎn)稱OBE)試驗(yàn)和安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, 簡(jiǎn)稱SSE)試驗(yàn)。OBE試驗(yàn)采用沿三個(gè)正交方向的單軸正弦掃頻方式實(shí)施，SSE試驗(yàn)分為正弦拍波要求輸入運(yùn)動(dòng)(Required Input Motion, 簡(jiǎn)稱RIM)試驗(yàn)和多頻波要求響應(yīng)譜(Required Response Spectrum ,簡(jiǎn)稱 RRS)試驗(yàn)，并且需在抗震前后進(jìn)行共振頻率探查試驗(yàn)?；镜脑囼?yàn)結(jié)果如下：

(1)OBE試驗(yàn)

對(duì)樣機(jī)的每個(gè)正交軸向進(jìn)行加速度幅值為2/3停堆值的正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，如圖2所示。實(shí)際試驗(yàn)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(yàn)，掃頻速率為 1倍頻程/min。兩次掃頻時(shí)，樣機(jī)分別處于開(kāi)啟和關(guān)閉位置。

(2)RIM試驗(yàn)

對(duì)樣機(jī)在每個(gè)正交軸向進(jìn)行一系列的單軸正弦拍波試驗(yàn)，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(jìn)行，在32Hz～64Hz頻率范圍內(nèi)以1/6倍頻程間隔進(jìn)行，加速度幅值如圖2所示，實(shí)際試驗(yàn)的加速度幅值應(yīng)增加10%裕度。如果樣機(jī)存在小于64Hz的共振頻率，則還應(yīng)在該共振頻率點(diǎn)按相應(yīng)加速度值進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)頻率的激勵(lì)形式為：至少5個(gè)連續(xù)的正弦拍波，每拍15個(gè)周波，最少持續(xù)15秒。在每個(gè)頻率拍波時(shí)，樣機(jī)在定電壓下完成至少一次帶載動(dòng)作循環(huán)。

圖2 要求輸入運(yùn)動(dòng)Fig. 2 Required input motion

(3)RRS試驗(yàn)

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行三軸隨機(jī)多頻試驗(yàn)，水平方向和垂直方向同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)，持續(xù)時(shí)間30s，其中強(qiáng)震部分20s。頻率范圍1～100Hz。實(shí)際試驗(yàn)的加速度應(yīng)增加10%裕度，以保證試驗(yàn)響應(yīng)譜(Test Response Spectrum，簡(jiǎn)稱TRS)包絡(luò)RRS。RRS如圖3所示，對(duì)應(yīng)的阻尼比為3%，圖中最頂層的譜線包絡(luò)電動(dòng)裝置在核電廠中的全部安裝位置，作為試驗(yàn)用的RRS。試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)應(yīng)在規(guī)定電壓下完成至少一次帶載動(dòng)作循環(huán)。

由于三代非能動(dòng)核電廠設(shè)備抗震試驗(yàn)要求非常高，而國(guó)內(nèi)缺乏高性能的試驗(yàn)臺(tái)架[11-13]，所以需要對(duì)采用單一的三軸液壓振動(dòng)臺(tái)(地震模擬振動(dòng)臺(tái))試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)對(duì)于RIM試驗(yàn)，包括OBE正弦掃頻和SSE正弦拍波試驗(yàn)，無(wú)法在一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上完成全部試驗(yàn)，考慮到低頻部分位移大、高頻部分加速度大的特點(diǎn)，采取液壓振動(dòng)臺(tái)和電磁振動(dòng)臺(tái)分臺(tái)試驗(yàn)，分別解決低頻和高頻部分的試驗(yàn)。

(2)對(duì)于RRS試驗(yàn)，采用三軸液壓試驗(yàn)臺(tái)，但試驗(yàn)臺(tái)可以達(dá)到的位移和速度有限，試驗(yàn)響應(yīng)譜無(wú)法包絡(luò)RRS譜線低頻部分，考慮到電動(dòng)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(yàn)時(shí)重點(diǎn)確保高頻部分能夠包絡(luò)要求譜線。

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

3.4 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故試驗(yàn)

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

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

樣機(jī)連同模擬負(fù)載安裝于DBA試驗(yàn)容器內(nèi)(見(jiàn)圖5)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間共30天，包括24小時(shí)的化學(xué)噴淋。三代非能動(dòng)核電廠設(shè)備鑒定DBA試驗(yàn)的特點(diǎn)是初始拉峰過(guò)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(yàn)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(yàn)難度較大，DBA試驗(yàn)臺(tái)架需要充足的蒸汽蓄能罐，多個(gè)蒸汽噴射入口，從而實(shí)現(xiàn)快速拉峰過(guò)程[14]。

圖5 DBA試驗(yàn)樣機(jī)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(huì)導(dǎo)致安全殼內(nèi)置換料水箱釋放冷卻水淹沒(méi)堆芯[15]，在這種工況下，標(biāo)高較低的閥門會(huì)被淹沒(méi)，所以這部分閥門的電動(dòng)裝置也會(huì)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(yàn)后，兩臺(tái)樣機(jī)浸沒(méi)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(shí)的浸沒(méi)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)曲線包絡(luò)目標(biāo)曲線。試驗(yàn)期間樣機(jī)在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)完成帶載動(dòng)作，說(shuō)明樣機(jī)在模擬LOCA事故過(guò)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(dòng)核電廠1E級(jí)閥門直流電動(dòng)裝置樣機(jī)通過(guò)一系列鑒定試驗(yàn)，結(jié)果表明樣機(jī)可以承受鑒定規(guī)范書要求的正常、異常和DBA及SSE的考驗(yàn)，可以確保執(zhí)行啟、閉閥門的功能，該系列1E級(jí)直流電動(dòng)裝置具備在核電廠服役過(guò)程中執(zhí)行規(guī)定的安全功能的能力。同時(shí)，也表明國(guó)內(nèi)已掌握該核電堆型用1E級(jí)直流電動(dòng)裝置設(shè)計(jì)和制造的核心技術(shù)，并具備設(shè)備鑒定的能力。