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。