CAP系列核電廠直流電動裝置鑒定試驗方法研究

陳 智， 楊 曉， 丁多亮

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(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驅(qū)動，其上設(shè)有為電動機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，通過連接機構(gòu)與閥門連接，驅(qū)動閥門動作，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，以保護管道、設(shè)備或系統(tǒng)。

基于ASME、IEEE、IEC等標準及文獻，對1E級直流電動裝置的鑒定方法進行研究，制定出CAP系列1E級直流電動裝置的鑒定大綱，并在鑒定項目中實施。

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、主傳動機構(gòu)、手動操作機構(gòu)、行程控制機構(gòu)、手切換機構(gòu)、轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)、連接盤以及直流電動機等零部件。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)計基準事故環(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)標準的要求[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行[3]：(1)接收檢查；(2)基準功能試驗；(3)EMC試驗；(4)熱老化試驗；(5)輻照老化試驗(包括正常工況和事故工況)；(6)磨損老化試驗；(7)正常循環(huán)加壓試驗；(8)振動老化試驗；(9)抗震試驗；(10)LOCA(核電廠安全殼內(nèi)冷卻劑喪失)試驗；(11)水淹工況鑒定試驗(浸沒試驗)；(12)試驗后檢查。其中，EMC 鑒定試驗可在整個鑒定活動實施過程中的任意階段進行；同時在第(3)～(11)項鑒定試驗后，均應(yīng)進行功能試驗，試驗結(jié)果應(yīng)與初始的基準功能試驗結(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)行鑒定試驗時應(yīng)在最嚴重運行工況的基礎(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，樣機質(zhì)量與圖紙規(guī)定值的偏差小于±10%。

4.2 基準功能試驗

在所有鑒定試驗開始前，首先進行1E級直流電動裝置的基準功能試驗，且在每一項鑒定試驗開始前和完成后均需進行功能試驗并記錄相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)(包括輸出速度、動作時間、輸出轉(zhuǎn)矩、電動機電流、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)受鑒定試驗后對電動裝置功能的影響。試驗項目見表2。

表2 基準功能試驗項目

4.3 EMC試驗

EMC試驗是為了驗證1E級直流電動裝置在經(jīng)受核電廠正常運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)備的運行，包括發(fā)射試驗和抗擾度試驗。

發(fā)射試驗包含低頻傳導(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)射等試驗內(nèi)容。

抗擾度試驗包括低頻傳導(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、靜電放電等試驗內(nèi)容。發(fā)射試驗時檢測數(shù)值在標準規(guī)定的限值[6-7]，抗擾度試驗時電動裝置無誤動作，可正常操作。

4.4 熱老化試驗

熱老化試驗是為了考核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按ASME QME-1非強制性附錄QR-B的要求進行[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標準推薦，加速熱老化溫度取138 ℃。試驗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為試驗時間。

4.5 輻照試驗

輻照試驗是為了驗證安裝在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。

輻照試驗分為兩部分：正常運行工況輻照、設(shè)計基準事故工況輻照，可結(jié)合起來進行，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算，并按高的輻照累積劑量率實施輻照老化試驗。

事故工況下的輻照包括γ輻照和β輻照。為了方便試驗的實施，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劑量當量)+10%的裕度，計算得到電動裝置應(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

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

4.7 正常加壓循環(huán)試驗

1E級直流電動裝置應(yīng)經(jīng)受正常循環(huán)加壓試驗(外壓)，以驗證其在經(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，以盡可能真實地模擬安全殼內(nèi)正常的升壓工況和降壓工況。

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

4.8 振動老化試驗

振動老化試驗是為了驗證1E級直流電動裝置整機抗核電廠正常運行工況下由于系統(tǒng)運行瞬態(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裝置上，該試驗裝置應(yīng)穩(wěn)固地與振動試驗臺架相連。試樣的安裝應(yīng)盡可能模擬在役安裝方式。試驗系統(tǒng)布置見圖2。

圖2 試驗系統(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持續(xù)時間應(yīng)為90 min。試驗期間，電動裝置應(yīng)通電，并在振動老化試驗過程每隔15 min應(yīng)進行一次動作，并記錄輸入電壓、電動機電流、動作時間等參數(shù)。

4.9 抗震試驗

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

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

1E級直流電動裝置抗震試驗項目主要包括以下四大類：

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

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

(3) RIM試驗。對1E級直流電動裝置樣機在每個正交軸向進行一系列的單軸正弦拍波試驗，頻率為2～64 Hz。在2～32 Hz內(nèi)應(yīng)以1/3倍頻程間隔進行，在32～64 Hz內(nèi)以1/6倍頻程間隔進行。每個試驗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)在該共振頻率點按相應(yīng)加速度值進行試驗。

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在額定電壓下完成一次帶載動作循環(huán)。

(4) RRS試驗。對1E級直流電動裝置樣機進行三軸隨機多頻試驗，水平方向和垂直方向應(yīng)分別進行激勵，持續(xù)時間為30 s，其中強震部分為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。試驗采用的阻尼比為3%。

試驗過程中，1E級直流電動裝置樣機應(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

LOCA試驗是為了驗證1E級直流電動裝置在經(jīng)受設(shè)計基準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?shù)姆绞桨惭b在用于模擬事故工況的LOCA 試驗爐內(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?shù)姆绞?如貫穿件)從試驗爐內(nèi)穿出。所有連接應(yīng)具有可靠的電氣和密封完整性。LOCA試驗布置見圖3。

圖3 LOCA試驗布置示意圖

1E級直流電動裝置LOCA試驗分以下三個步驟進行：

(1) 初始狀態(tài)：試驗容器內(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)計基準事故發(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)計基準事故后30天，環(huán)境溫度和壓力緩慢降低，樣機經(jīng)受長時間的蒸汽濕熱環(huán)境的作用，30天試驗時間到達后，試驗容器冷卻至常溫常壓，打開容器后取出樣機。

4.11 水淹試驗

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

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

樣機應(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)定時間點執(zhí)行動作。

4.12 試驗后檢查

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

外觀檢查包括：銘牌、標志、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：樣機主要件直流電機、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級直流電動裝置實施鑒定試驗的前提。鑒定試驗的成功實施將推進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系列核電機組的建設(shè)成本。