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        CAP系列核電廠直流電動裝置鑒定試驗(yàn)方法研究

        2018-11-29 07:56:18丁多亮
        發(fā)電設(shè)備 2018年6期
        關(guān)鍵詞:抗擾度老化試驗(yàn)樣機(jī)

        陳 智, 楊 曉, 丁多亮

        (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)

        CAP系列核電廠1E級直流電動裝置由直流電動機(jī)驅(qū)動,其上設(shè)有為電動機(jī)提供動力電源的電纜和用于提供和反饋控制信號的控制電纜,與1E級電氣系統(tǒng)相連。1E級電動裝置作為核安全級閥門的驅(qū)動裝置,通過連接機(jī)構(gòu)與閥門連接,驅(qū)動閥門動作,實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉,以保護(hù)管道、設(shè)備或系統(tǒng)。

        基于ASME、IEEE、IEC等標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn),對1E級直流電動裝置的鑒定方法進(jìn)行研究,制定出CAP系列1E級直流電動裝置的鑒定大綱,并在鑒定項(xiàng)目中實(shí)施。

        1 1E級直流電動裝置結(jié)構(gòu)與功能

        1E級直流電動裝置主要結(jié)構(gòu)包括:箱體、主傳動機(jī)構(gòu)、手動操作機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)、手切換機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)、連接盤以及直流電動機(jī)等零部件。1E級直流電動裝置原理圖見圖1。

        圖1 1E級直流電動裝置原理圖

        1E級直流電動裝置在CAP系列核電廠的正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件和事故環(huán)境(包括失水、地震等)條件下應(yīng)能執(zhí)行安全相關(guān)功能,包括保持電氣和結(jié)構(gòu)完整性、按要求驅(qū)動閥門動作至規(guī)定位置,為反應(yīng)堆緊急停堆、堆芯冷卻、安全殼和反應(yīng)堆熱量導(dǎo)出或防止放射性物質(zhì)大量釋放到環(huán)境中提供保障。

        2 鑒定試驗(yàn)序列

        CAP系列核電設(shè)備鑒定包括:環(huán)境鑒定、抗震鑒定和EMC(電磁兼容性)鑒定[1]。CAP系列核電廠的環(huán)境條件包括:正常環(huán)境條件、異常環(huán)境條件、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故環(huán)境條件。1E級直流電動裝置的環(huán)境鑒定需包括上述三類環(huán)境下的鑒定。

        根據(jù)ASME QME-1及IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2],確定1E級直流電動裝置經(jīng)受的鑒定大綱,并按下列序列依次進(jìn)行[3]:(1)接收檢查;(2)基準(zhǔn)功能試驗(yàn);(3)EMC試驗(yàn);(4)熱老化試驗(yàn);(5)輻照老化試驗(yàn)(包括正常工況和事故工況);(6)磨損老化試驗(yàn);(7)正常循環(huán)加壓試驗(yàn);(8)振動老化試驗(yàn);(9)抗震試驗(yàn);(10)LOCA(核電廠安全殼內(nèi)冷卻劑喪失)試驗(yàn);(11)水淹工況鑒定試驗(yàn)(浸沒試驗(yàn));(12)試驗(yàn)后檢查。其中,EMC 鑒定試驗(yàn)可在整個鑒定活動實(shí)施過程中的任意階段進(jìn)行;同時在第(3)~(11)項(xiàng)鑒定試驗(yàn)后,均應(yīng)進(jìn)行功能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)與初始的基準(zhǔn)功能試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

        3 鑒定裕度

        根據(jù)IEEE 323[4]的要求(見表1),在執(zhí)行鑒定試驗(yàn)時應(yīng)在最嚴(yán)重運(yùn)行工況的基礎(chǔ)上再增加一定的裕度,同時為了允許設(shè)備在出現(xiàn)正常變更以及合理偏差時,不影響其性能。

        表1 鑒定裕度要求

        4 鑒定試驗(yàn)方法及參數(shù)確定

        4.1 接收檢查

        根據(jù)制造廠提供的圖紙及相關(guān)資料,進(jìn)行1E級直流電動裝置的接收檢查,包括外觀和尺寸檢查。外觀檢查包括銘牌、標(biāo)志、編號、內(nèi)外表面質(zhì)量、緊固件擰緊情況、轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是否正確、所有零件是否正確組裝、電氣接插件是否牢固可靠等。尺寸檢查包括連接尺寸、長度、寬度應(yīng)符合圖紙要求,樣機(jī)質(zhì)量與圖紙規(guī)定值的偏差小于±10%。

        4.2 基準(zhǔn)功能試驗(yàn)

        在所有鑒定試驗(yàn)開始前,首先進(jìn)行1E級直流電動裝置的基準(zhǔn)功能試驗(yàn),且在每一項(xiàng)鑒定試驗(yàn)開始前和完成后均需進(jìn)行功能試驗(yàn)并記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括輸出速度、動作時間、輸出轉(zhuǎn)矩、電動機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩控制開關(guān)動作至電動裝置動作停止之間的時間間隔),以評估和判斷電動裝置在經(jīng)受鑒定試驗(yàn)后對電動裝置功能的影響。試驗(yàn)項(xiàng)目見表2。

        表2 基準(zhǔn)功能試驗(yàn)項(xiàng)目

        4.3 EMC試驗(yàn)

        EMC試驗(yàn)是為了驗(yàn)證1E級直流電動裝置在經(jīng)受核電廠正常運(yùn)行工況下的電磁干擾時能夠正確執(zhí)行其規(guī)定的功能[5],并且其電磁信號不會干擾其他電氣設(shè)備的運(yùn)行,包括發(fā)射試驗(yàn)和抗擾度試驗(yàn)。

        發(fā)射試驗(yàn)包含低頻傳導(dǎo)發(fā)射、高頻傳導(dǎo)發(fā)射、磁場輻射發(fā)射以及電場輻射發(fā)射等試驗(yàn)內(nèi)容。

        抗擾度試驗(yàn)包括低頻傳導(dǎo)抗擾度、高頻傳導(dǎo)抗擾度、磁場輻射抗擾度、電場輻射抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度、浪涌、電快速瞬變脈沖群、靜電放電等試驗(yàn)內(nèi)容。發(fā)射試驗(yàn)時檢測數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值[6-7],抗擾度試驗(yàn)時電動裝置無誤動作,可正常操作。

        4.4 熱老化試驗(yàn)

        熱老化試驗(yàn)是為了考核1E級直流電動裝置在壽期內(nèi)由溫度及溫度變化引起的材料性能退化對電動裝置性能的影響。

        1E級直流電動裝置中非金屬部件的熱老化試驗(yàn)按ASME QME-1非強(qiáng)制性附錄QR-B的要求進(jìn)行[2]。熱老化分兩種方式:加速熱老化和自然老化。為了縮短試驗(yàn)時間,同時在保證執(zhí)行安全功能的非金屬件老化至其壽期末狀態(tài)的前提下,通常采用加速熱老化方法。

        根據(jù)ASME QME-1附錄QR-B,對于大多數(shù)非金屬材料,其活化能通常處于0.75~0.85 eV,1E級直流電動裝置中非金屬材料的活化能取中間值為0.8 eV;根據(jù)IEEE 382—1996標(biāo)準(zhǔn)推薦,加速熱老化溫度取138 ℃。試驗(yàn)時間和溫度的換算關(guān)系按阿列紐斯(Arrhenius)公式求得:

        (1)

        式中:T1為正常使用時材料的最高溫度;T2為加速熱老化的溫度;Ф為活化能;k為玻爾茲曼常數(shù)(8.617×10-5eV/K);t1為要求的合格壽命;t2為試驗(yàn)時間。

        4.5 輻照試驗(yàn)

        輻照試驗(yàn)是為了驗(yàn)證安裝在1E級直流電動裝置上的非金屬件(包括涂層、潤滑油/潤滑脂等)在壽期內(nèi)由γ或β輻照引起的材料退化對電動裝置性能的影響。

        輻照試驗(yàn)分為兩部分:正常運(yùn)行工況輻照、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況輻照,可結(jié)合起來進(jìn)行,即將正常工況下和輻照劑量和事故工況下的輻照劑量累積起來計(jì)算,并按高的輻照累積劑量率實(shí)施輻照老化試驗(yàn)。

        事故工況下的輻照包括γ輻照和β輻照。為了方便試驗(yàn)的實(shí)施,可采用將β輻照劑量等效成γ輻照劑量的方法。出于保守的考慮,β輻照劑量應(yīng)按1∶1的比例等效成γ輻照劑量。

        輻照老化試驗(yàn)的總劑量=(鑒定壽期內(nèi)正常輻照累積γ劑量+事故期間累積γ劑量+β劑量當(dāng)量)+10%的裕度,計(jì)算得到電動裝置應(yīng)受到的γ輻照總劑量應(yīng)不低于1 020 kGy。

        4.6 磨損老化試驗(yàn)

        1E級直流電動裝置應(yīng)進(jìn)行循環(huán)動作以模擬預(yù)期的機(jī)械和電氣磨損。磨損老化應(yīng)在預(yù)期的載荷作用下進(jìn)行試驗(yàn),磨損老化試驗(yàn)可以結(jié)合循環(huán)(壽命)試驗(yàn)進(jìn)行,共計(jì)3 000次+300次(裕度)。在循環(huán)(壽命)試驗(yàn)時,限位開關(guān)要隨之動作。

        4.7 正常加壓循環(huán)試驗(yàn)

        1E級直流電動裝置應(yīng)經(jīng)受正常循環(huán)加壓試驗(yàn)(外壓),以驗(yàn)證其在經(jīng)受核電廠正常環(huán)境條件下環(huán)境壓力的升高時或之后仍能執(zhí)行其規(guī)定的功能。

        試驗(yàn)時,應(yīng)采用足夠小的升壓速率從環(huán)境壓力緩慢升高至規(guī)定壓力,并至少保持10 min,然后再采用足夠小的降壓速率從規(guī)定壓力緩慢降壓至環(huán)境壓力,以盡可能真實(shí)地模擬安全殼內(nèi)正常的升壓工況和降壓工況。

        該試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于15次。試驗(yàn)過程中,1E級直流電動裝置應(yīng)實(shí)施功能試驗(yàn),檢查其是否能夠正常動作。

        4.8 振動老化試驗(yàn)

        振動老化試驗(yàn)是為了驗(yàn)證1E級直流電動裝置整機(jī)抗核電廠正常運(yùn)行工況下由于系統(tǒng)運(yùn)行瞬態(tài)及環(huán)境振動引起的管道系統(tǒng)振動的能力。

        1E級直流電動裝置剛性安裝在試驗(yàn)裝置上,該試驗(yàn)裝置應(yīng)穩(wěn)固地與振動試驗(yàn)臺架相連。試樣的安裝應(yīng)盡可能模擬在役安裝方式。試驗(yàn)系統(tǒng)布置見圖2。

        圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖

        按照IEEE 382[3],振動老化應(yīng)以每分鐘2 倍頻程的速率由5 Hz→100 Hz→5 Hz 進(jìn)行單軸正弦掃描,輸入加速度為7.35 m/s2。每個正交軸向的試驗(yàn)持續(xù)時間應(yīng)為90 min。試驗(yàn)期間,電動裝置應(yīng)通電,并在振動老化試驗(yàn)過程每隔15 min應(yīng)進(jìn)行一次動作,并記錄輸入電壓、電動機(jī)電流、動作時間等參數(shù)。

        4.9 抗震試驗(yàn)

        抗震試驗(yàn)是為了驗(yàn)證1E級直流電動裝置抗地震的能力。1E級直流電動裝置應(yīng)承受要求的輸入運(yùn)動(RIM)和要求的響應(yīng)譜(RRS)試驗(yàn)[5]。

        1E級直流電動裝置樣機(jī)應(yīng)安裝在剛性試驗(yàn)裝置上,該試驗(yàn)裝置應(yīng)穩(wěn)固地與地震試驗(yàn)臺架相連。樣機(jī)的安裝應(yīng)盡可能模擬在役安裝方式,應(yīng)在適當(dāng)位置布置加速度的測點(diǎn)(見圖2)。

        1E級直流電動裝置抗震試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括以下四大類:

        (1) 固有頻率探測試驗(yàn)。采用隨機(jī)探測的方法進(jìn)行,三軸分別進(jìn)行。隨機(jī)探測試驗(yàn)每軸的時間宜為180 s左右。試驗(yàn)期間1E級直流電動裝置樣機(jī)不動作。

        (2) 低水平地震循環(huán)載荷。對1E級直流電動裝置樣機(jī)實(shí)施在每個正交軸向幅值為2/3 SSE(安全停堆地震)再加10%裕度的加速度進(jìn)行兩次2 Hz→64 Hz→2 Hz的單軸正弦掃描試驗(yàn)。掃描速率為1 oct/min。兩次掃頻時,1E級直流電動裝置樣機(jī)分別處于開啟和關(guān)閉位置。

        (3) RIM試驗(yàn)。對1E級直流電動裝置樣機(jī)在每個正交軸向進(jìn)行一系列的單軸正弦拍波試驗(yàn),頻率為2~64 Hz。在2~32 Hz內(nèi)應(yīng)以1/3倍頻程間隔進(jìn)行,在32~64 Hz內(nèi)以1/6倍頻程間隔進(jìn)行。每個試驗(yàn)頻率下的加速度值應(yīng)按鑒定規(guī)范書的規(guī)定。如測得的共振頻率小于64 Hz,則應(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 s。

        在每個頻率拍波時,1E級直流電動裝置樣機(jī)在額定電壓下完成一次帶載動作循環(huán)。

        (4) RRS試驗(yàn)。對1E級直流電動裝置樣機(jī)進(jìn)行三軸隨機(jī)多頻試驗(yàn),水平方向和垂直方向應(yīng)分別進(jìn)行激勵,持續(xù)時間為30 s,其中強(qiáng)震部分為20 s。軸向間相關(guān)系數(shù)小于0.3,頻率為1~100 Hz,加速度應(yīng)增加10%裕度,并保證TRS包絡(luò)RRS。試驗(yàn)采用的阻尼比為3%。

        試驗(yàn)過程中,1E級直流電動裝置樣機(jī)應(yīng)在規(guī)定電壓下完成至少一次帶載動作循環(huán)。

        4.10 LOCA試驗(yàn)

        LOCA試驗(yàn)是為了驗(yàn)證1E級直流電動裝置在經(jīng)受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故工況時和之后仍具備執(zhí)行安全有關(guān)任務(wù)的能力。

        1E級直流電動裝置應(yīng)按適當(dāng)?shù)姆绞桨惭b在用于模擬事故工況的LOCA 試驗(yàn)爐內(nèi)。安裝應(yīng)使1E級直流電動裝置直接暴露于蒸汽環(huán)境(溫度、壓力、濕度、噴淋工況等)中。1E級直流電動裝置上所帶電纜應(yīng)通過適當(dāng)?shù)姆绞?如貫穿件)從試驗(yàn)爐內(nèi)穿出。所有連接應(yīng)具有可靠的電氣和密封完整性。LOCA試驗(yàn)布置見圖3。

        圖3 LOCA試驗(yàn)布置示意圖

        1E級直流電動裝置LOCA試驗(yàn)分以下三個步驟進(jìn)行:

        (1) 初始狀態(tài):試驗(yàn)容器內(nèi)環(huán)境溫度保持正常環(huán)境溫度上限值,壓力保持在正常大氣壓至少2 h。

        (2) 事故階段:模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故發(fā)生時環(huán)境狀態(tài)急劇變化的瞬態(tài)過程,其中試驗(yàn)容器內(nèi)溫度在短時升溫至峰值溫度,同時壓力也迅速升高;拉峰過后,溫度和壓力開始下降,在1~2 h后,環(huán)境狀態(tài)趨于緩慢降低階段。拉峰過后約10 min開始化學(xué)噴淋。

        (3) 事故后階段:化學(xué)噴淋結(jié)束后至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故后30天,環(huán)境溫度和壓力緩慢降低,樣機(jī)經(jīng)受長時間的蒸汽濕熱環(huán)境的作用,30天試驗(yàn)時間到達(dá)后,試驗(yàn)容器冷卻至常溫常壓,打開容器后取出樣機(jī)。

        4.11 水淹試驗(yàn)

        水淹試驗(yàn)是為了驗(yàn)證1E級直流電動裝置在水淹工況下的密封性能以及實(shí)施功能的能力。

        1E級直流電動裝置樣機(jī)(連同模擬加載裝置)應(yīng)按適當(dāng)?shù)姆绞桨惭b在密閉的試驗(yàn)裝置內(nèi)。安裝應(yīng)使樣機(jī)直接暴露于水淹環(huán)境中。樣機(jī)上所帶電纜應(yīng)通過適當(dāng)?shù)姆绞?如貫穿件)從試驗(yàn)容器內(nèi)穿出。所有連接應(yīng)具有可靠的電氣和密封完整性。試驗(yàn)布置圖見圖3。

        樣機(jī)應(yīng)規(guī)定溫度和壓力,完全浸沒于水淹介質(zhì)液面以下保持72 h,并在規(guī)定時間點(diǎn)執(zhí)行動作。

        4.12 試驗(yàn)后檢查

        在完成上述所要求的試驗(yàn)后,1E級直流電動裝置應(yīng)進(jìn)行外觀檢查和解體檢查。

        外觀檢查包括:銘牌、標(biāo)志、編號、內(nèi)外表面質(zhì)量、緊固件擰緊情況、轉(zhuǎn)矩設(shè)定值是否正確、所有零件是否正確組裝、電氣接插件是否牢固可靠等。

        解體檢查包括:樣機(jī)主要件直流電機(jī)、箱體、蝸輪蝸桿、軸承、力矩部件和行程部件等磨損情況,微動開關(guān)、接線端子、潤滑油、密封件等老化情況。

        5 結(jié)語

        CAP系列核電站1E級直流電動裝置設(shè)備鑒定為國內(nèi)首次,制定合理、完整的鑒定大綱是1E級直流電動裝置實(shí)施鑒定試驗(yàn)的前提。鑒定試驗(yàn)的成功實(shí)施將推進(jìn)1E級直流電動裝置的國產(chǎn)化,有利于打破國外壟斷,降低了CAP系列核電機(jī)組的建設(shè)成本。

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