王梁坤 施衛(wèi)星 拜立崗 張全伍

（同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)工程系，上海200092）

0 引 言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)是壓水堆核電站安全殼專項(xiàng)安全設(shè)施的重要組成部分［1］，其功能主要是當(dāng)核電站正常電力供應(yīng)發(fā)生意外事件時(shí)，對整個(gè)核電站應(yīng)急供電，使反應(yīng)堆保持在安全狀態(tài)中。在地震發(fā)生時(shí)，要求它能在規(guī)定時(shí)限內(nèi)迅速啟動(dòng)，短時(shí)內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和電壓，并接受相應(yīng)負(fù)荷［2-3］。這就要求用于壓水堆核電站的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)必須具備良好的抗震性能。

本文中發(fā)電機(jī)油泵及出線盒，屬于1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)配套設(shè)備，核安全為2 級，抗震要求為安全停堆地震（SSE），質(zhì)保要求為QA1。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求［4-6］，可以用振動(dòng)臺試驗(yàn)驗(yàn)證其在若干次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）和1 次SSE 的地震載荷作用下，仍能保持其結(jié)構(gòu)的完整性及安全運(yùn)行功能。因此，將該油泵及出線盒在模擬地震振動(dòng)臺上進(jìn)行地震鑒定試驗(yàn)，確定油泵及出線盒在承受運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）載荷時(shí)的地震響應(yīng)。

文獻(xiàn)［7-9］中，筆者們分別對核電廠消氫風(fēng)機(jī)、1E 級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)模擬繞組和核電廠循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)臺試驗(yàn)研究。本文對1E 級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)油泵及出線盒進(jìn)行了5 次OBE 及1 次SSE 振動(dòng)臺試驗(yàn)，驗(yàn)證了油泵和出線盒在各種地震作用下的結(jié)構(gòu)完整性及作用后能否正常工作并滿足有關(guān)性能指標(biāo)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次振動(dòng)臺試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)土木工程減災(zāi)防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS 模擬地震振動(dòng)臺，該振動(dòng)臺的具體參數(shù)見文獻(xiàn)［7-9］中介紹。

被試驗(yàn)設(shè)備為一個(gè)SH3656型號的油泵，外形尺寸為479 mm×340 mm×700 mm；兩個(gè)出線盒，其中型號為5D354.4902 的尺寸為1700 mm×1 320 mm×520 mm，型號為 5D354.5219 的尺寸為2 100 mm×1610 mm×520 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

首先，用連續(xù)白噪聲激勵(lì)，識別得到油泵及出線盒在三個(gè)正交軸上的自振頻率。然后，油泵及出線盒抗震試驗(yàn)按照規(guī)范［4-6］采用單軸加速度譜試驗(yàn)法進(jìn)行。按提供的生產(chǎn)廠樓面地震加速度反應(yīng)譜生成人造地震波，按三個(gè)正交軸方向輸入進(jìn)行抗震試驗(yàn)。為了確保試驗(yàn)反應(yīng)譜（Test Response Spectrum，TRS）包絡(luò)同一阻尼比的要求反應(yīng)譜（Required Response Spectrum，RRS），人造地震波應(yīng)考慮10%的裕度，振動(dòng)時(shí)間為30 s，其中強(qiáng)震（大于75%最大振動(dòng)值）部分10 s。

被試油泵及出線盒在抗震試驗(yàn)前處于停止運(yùn)行狀態(tài)，對該油泵及出線盒進(jìn)行5 次OBE 和1 次SSE 抗震試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中出線盒不通電，油泵通電并進(jìn)行油循環(huán)。被試油泵及出線盒在抗震試驗(yàn)前后，嚴(yán)格按照性能試驗(yàn)要求考核其性能指標(biāo)，以評估其抗震性能。

1.3 試驗(yàn)對象的安裝及測點(diǎn)布置

油泵及出線盒在振動(dòng)臺上的安裝固定方式與其在廠房中的實(shí)際安裝固定方式一致。根據(jù)振動(dòng)臺和被試油泵及出線盒的實(shí)際螺栓孔位置，設(shè)置剛性過渡連接鋼架和鋼板，將油泵及出線盒安裝在鋼架上和鋼板，然后將鋼架、鋼板與振動(dòng)臺連接。

對于被試油泵，在其頂部、質(zhì)心處標(biāo)高位置、轉(zhuǎn)軸處和連接件上各布置1 組測點(diǎn)，共7 組測點(diǎn)，每組3 個(gè)加速度傳感器對應(yīng)三個(gè)方向的加速度反應(yīng)，根據(jù)其轉(zhuǎn)軸處測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線中的油泵振動(dòng)信號，判斷油泵及出線盒的起動(dòng)時(shí)間，即油泵及出線盒從0 轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時(shí)間。對于出線盒，在其頂部布置3 組測點(diǎn)，每組3 個(gè)加速度傳感器對應(yīng)三個(gè)方向的加速度反應(yīng)。油泵及出線盒的測點(diǎn)布置如圖1所示。

2 試驗(yàn)步驟

2.1 油泵及出線盒性能測試

被試油泵及出線盒在進(jìn)行振動(dòng)臺試驗(yàn)前，先按技術(shù)規(guī)格書的要求對其進(jìn)行性能測試，測得的數(shù)據(jù)作為油泵及出線盒振動(dòng)臺試驗(yàn)后性能測試的基準(zhǔn)值。

2.2 油泵及出線盒自振頻率及阻尼比測試

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points

采用白噪聲波的方法分別在X、Y、Z三正交軸方向進(jìn)行激勵(lì)。白噪聲的持續(xù)時(shí)間要足夠，以保證自振頻率測定的精度。輸入的臺面運(yùn)動(dòng)加速為0.2g，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間大于或等于15 s。

2.3 油泵及出線盒抗震鑒定試驗(yàn)

試驗(yàn)前，首先安裝和檢驗(yàn)所用的監(jiān)測儀器和設(shè)備。按要求的樓面地震加速度反應(yīng)譜及文獻(xiàn)［5］的8 條規(guī)定，生成的人造模擬地震波作為輸入信號激勵(lì)振動(dòng)臺臺面進(jìn)行抗震鑒定試驗(yàn)。人造模擬地震波得出的試驗(yàn)反應(yīng)譜（TRS）應(yīng)包絡(luò)要求反應(yīng)譜（RRS）的整個(gè)頻段（1～33 Hz）。如果被試油泵及出線盒在5 Hz 以下沒有共振現(xiàn)象，則TRS 只需包絡(luò)到 3.5 Hz 的RRS，但在 1～3 Hz 范圍內(nèi)仍需保持一定的激勵(lì)。如果被試油泵及出線盒在5 Hz以下有共振現(xiàn)象，只要求TRS 在最小的自振頻率的70%以上的頻率部分包絡(luò)RRS。

抗震試驗(yàn)按同時(shí)在X、Y和Z三正交軸方向進(jìn)行激勵(lì)振動(dòng)，在三正交軸方向同時(shí)輸入的人造模擬地震波，為確保輸入波的相互獨(dú)立，其相干函數(shù)的平均值應(yīng)小于0.5，相關(guān)函數(shù)的絕對值應(yīng)小于0.3。

抗震試驗(yàn)中對OBE 進(jìn)行5 次考核試驗(yàn)，對SSE進(jìn)行1次考核試驗(yàn)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間大于或等于30 s。對每次考核試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。試驗(yàn)的工況具體安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況表Table 1 Test condition table

表1 中，運(yùn)行指油泵及出線盒在加載地震波之前就已經(jīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；工況1 中油泵及出線盒在采集系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，僅僅啟動(dòng)油泵及出線盒，直至其按照額定功率運(yùn)行10 s 后結(jié)束，啟動(dòng)1 發(fā)生時(shí)，振動(dòng)臺不發(fā)生振動(dòng)；啟動(dòng)2 指油泵及出線盒在地震開始后8 s 啟動(dòng)。OBE 三向地震波及反應(yīng)譜如圖2所示，XYZ三向地震波的相干函數(shù)時(shí)程如圖3所示。

圖2 OBE三向地震波及反應(yīng)譜Fig.2 Three directions of OBE seismic waves.

圖3 OBE工況XYZ三向地震波相干函數(shù)Fig.3 XYZ three-way seismic wave coherence function of OBE case

由圖 3 可見，OBE 工況中，X與Y向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.006 0，X與Z向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.007 0，Y與Z向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.007 8，均滿足相關(guān)函數(shù)的絕對值應(yīng)小于0.3的要求。

SSE三向地震波及反應(yīng)譜如圖4所示，XYZ三向地震波的相干函數(shù)時(shí)程如圖5所示。

由圖 5 可見，SSE 工況中，X與Y向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.024，X與Z向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.028，Y與Z向相干函數(shù)的絕對值最大值為0.031，均滿足相關(guān)函數(shù)的絕對值應(yīng)小于0.3的要求。

2.4 油泵及出線盒的功能監(jiān)測

在進(jìn)行抗震試驗(yàn)過程中，被試油泵及出線盒由停止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)，出線盒不通電，觀察、監(jiān)測油泵及出線盒結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量、風(fēng)機(jī)振動(dòng)、風(fēng)機(jī)氣密性、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間等。在5次OBE考核試驗(yàn)和1次SSE考核試驗(yàn)后，按技術(shù)規(guī)格書的要求對油泵及出線盒進(jìn)行性能測試，測得的數(shù)據(jù)作為油泵及出線盒抗震鑒定的依據(jù)。

2.5 最后檢查

圖4 SSE三向地震波Fig.4 Three directions of SSE seismic waves.

圖5 SSE工況XYZ三向地震波相干函數(shù)Fig.5 XYZ three-way seismic wave coherence function of SSE case

抗震試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后，用目測方法檢查被試油泵及出線盒外觀完整性。油泵及出線盒與振動(dòng)臺的連接螺栓、螺母不應(yīng)有松動(dòng)、脫落等不正常現(xiàn)象。如油泵及出線盒起動(dòng)運(yùn)行正常，記錄得到的數(shù)據(jù)偏差在允許誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為該油泵及出線盒抗震試驗(yàn)為合格。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 油泵及出線盒一階自振頻率及阻尼比

從各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)總體分析，該設(shè)備的第一自振頻率較大，3 測點(diǎn)處有106.81 Hz 的Y水平向局部振動(dòng)頻率和107.56 Hz 的Z豎向的局部振動(dòng)頻率。油泵及兩個(gè)出線盒在X、Y、Z三方向的第一自振頻率詳見表2。

表2 油泵及出線盒的自振頻率Table 2 Natural frequencies of oil pump and outlet boxes

3.2 OBE及SSE考核試驗(yàn)

關(guān)于油泵及出線盒 5 次 OBE、1 次 SSE 考核試驗(yàn)時(shí)在X、Y、Z三方向的臺面實(shí)測加速度時(shí)程和第一次OBE 和SSE 的反應(yīng)譜參見圖2 和圖3。TRS包絡(luò)RRS的情況符合相關(guān)規(guī)范［4-6］的要求。

各測點(diǎn)的加速度峰值如表3所示。

表3 各測點(diǎn)加速度峰值Table 3 Maximum accelerations of measuring points

OBE、SSE 考核試驗(yàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間見3.3 節(jié)，試驗(yàn)前后啟動(dòng)時(shí)間無明顯變化。

對油泵及出線盒進(jìn)行5次OBE地震反應(yīng)考核試驗(yàn)、1 次SSE 地震反應(yīng)考核試驗(yàn)后，試件外形結(jié)構(gòu)無變形，殼體沒有裂紋，螺釘螺母沒有松動(dòng)、脫落。油泵及出線盒各項(xiàng)性能指標(biāo)在抗震試驗(yàn)前后無明顯變化。因此，該油泵及出線盒符合抗震要求。

4 結(jié) 論

本文對1E 級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)油泵和出線盒進(jìn)行了5次OBE地震反應(yīng)抗震試驗(yàn)、1次SSE地震反應(yīng)抗震試驗(yàn)，可得以下結(jié)論：

（1）抗震試驗(yàn)期間，油泵的啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好，滿足試驗(yàn)要求。

（2）各試件外形結(jié)構(gòu)無變形，殼體沒有裂紋，螺釘螺母沒有松動(dòng)、脫落。

（3）1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)油泵和出線盒的各項(xiàng)性能指標(biāo)在抗震試驗(yàn)后符合規(guī)范要求。