1E級應急柴油發電機油泵和出線盒的振動臺試驗

王梁坤 施衛星 拜立崗 張全伍

（同濟大學結構防災減災工程系，上海200092）

0 引 言

應急柴油發電機是壓水堆核電站安全殼專項安全設施的重要組成部分［1］，其功能主要是當核電站正常電力供應發生意外事件時，對整個核電站應急供電，使反應堆保持在安全狀態中。在地震發生時，要求它能在規定時限內迅速啟動，短時內達到額定轉速和電壓，并接受相應負荷［2-3］。這就要求用于壓水堆核電站的應急柴油發電機必須具備良好的抗震性能。

本文中發電機油泵及出線盒，屬于1E級應急柴油發電機配套設備，核安全為2 級，抗震要求為安全停堆地震（SSE），質保要求為QA1。根據相關規范要求［4-6］，可以用振動臺試驗驗證其在若干次運行基準地震（OBE）和1 次SSE 的地震載荷作用下，仍能保持其結構的完整性及安全運行功能。因此，將該油泵及出線盒在模擬地震振動臺上進行地震鑒定試驗，確定油泵及出線盒在承受運行基準地震（OBE）和安全停堆地震（SSE）載荷時的地震響應。

文獻［7-9］中，筆者們分別對核電廠消氫風機、1E 級應急柴油發電機模擬繞組和核電廠循環風機進行了振動臺試驗研究。本文對1E 級應急柴油發電機油泵及出線盒進行了5 次OBE 及1 次SSE 振動臺試驗，驗證了油泵和出線盒在各種地震作用下的結構完整性及作用后能否正常工作并滿足有關性能指標。

1 試驗準備

1.1 試驗設備

本次振動臺試驗采用同濟大學土木工程減災防災國家重點實驗室的MTS 模擬地震振動臺，該振動臺的具體參數見文獻［7-9］中介紹。

被試驗設備為一個SH3656型號的油泵，外形尺寸為479 mm×340 mm×700 mm；兩個出線盒，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 試驗方法

首先，用連續白噪聲激勵，識別得到油泵及出線盒在三個正交軸上的自振頻率。然后，油泵及出線盒抗震試驗按照規范［4-6］采用單軸加速度譜試驗法進行。按提供的生產廠樓面地震加速度反應譜生成人造地震波，按三個正交軸方向輸入進行抗震試驗。為了確保試驗反應譜（Test Response Spectrum，TRS）包絡同一阻尼比的要求反應譜（Required Response Spectrum，RRS），人造地震波應考慮10%的裕度，振動時間為30 s，其中強震（大于75%最大振動值）部分10 s。

被試油泵及出線盒在抗震試驗前處于停止運行狀態，對該油泵及出線盒進行5 次OBE 和1 次SSE 抗震試驗。試驗過程中出線盒不通電，油泵通電并進行油循環。被試油泵及出線盒在抗震試驗前后，嚴格按照性能試驗要求考核其性能指標，以評估其抗震性能。

1.3 試驗對象的安裝及測點布置

油泵及出線盒在振動臺上的安裝固定方式與其在廠房中的實際安裝固定方式一致。根據振動臺和被試油泵及出線盒的實際螺栓孔位置，設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、鋼板與振動臺連接。

對于被試油泵，在其頂部、質心處標高位置、轉軸處和連接件上各布置1 組測點，共7 組測點，每組3 個加速度傳感器對應三個方向的加速度反應，根據其轉軸處測點的加速度時程曲線中的油泵振動信號，判斷油泵及出線盒的起動時間，即油泵及出線盒從0 轉速到額定轉速所經歷的時間。對于出線盒，在其頂部布置3 組測點，每組3 個加速度傳感器對應三個方向的加速度反應。油泵及出線盒的測點布置如圖1所示。

2 試驗步驟

2.1 油泵及出線盒性能測試

被試油泵及出線盒在進行振動臺試驗前，先按技術規格書的要求對其進行性能測試，測得的數據作為油泵及出線盒振動臺試驗后性能測試的基準值。

2.2 油泵及出線盒自振頻率及阻尼比測試

圖1 測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points

采用白噪聲波的方法分別在X、Y、Z三正交軸方向進行激勵。白噪聲的持續時間要足夠，以保證自振頻率測定的精度。輸入的臺面運動加速為0.2g，振動持續時間大于或等于15 s。

2.3 油泵及出線盒抗震鑒定試驗

試驗前，首先安裝和檢驗所用的監測儀器和設備。按要求的樓面地震加速度反應譜及文獻［5］的8 條規定，生成的人造模擬地震波作為輸入信號激勵振動臺臺面進行抗震鑒定試驗。人造模擬地震波得出的試驗反應譜（TRS）應包絡要求反應譜（RRS）的整個頻段（1～33 Hz）。如果被試油泵及出線盒在5 Hz 以下沒有共振現象，則TRS 只需包絡到 3.5 Hz 的RRS，但在 1～3 Hz 范圍內仍需保持一定的激勵。如果被試油泵及出線盒在5 Hz以下有共振現象，只要求TRS 在最小的自振頻率的70%以上的頻率部分包絡RRS。

抗震試驗按同時在X、Y和Z三正交軸方向進行激勵振動，在三正交軸方向同時輸入的人造模擬地震波，為確保輸入波的相互獨立，其相干函數的平均值應小于0.5，相關函數的絕對值應小于0.3。

抗震試驗中對OBE 進行5 次考核試驗，對SSE進行1次考核試驗，振動持續時間大于或等于30 s。對每次考核試驗進行數據采集和處理。試驗的工況具體安排如表1所示。

表1 試驗工況表Table 1 Test condition table

表1 中，運行指油泵及出線盒在加載地震波之前就已經正常運轉；工況1 中油泵及出線盒在采集系統準備好后，僅僅啟動油泵及出線盒，直至其按照額定功率運行10 s 后結束，啟動1 發生時，振動臺不發生振動；啟動2 指油泵及出線盒在地震開始后8 s 啟動。OBE 三向地震波及反應譜如圖2所示，XYZ三向地震波的相干函數時程如圖3所示。

圖2 OBE三向地震波及反應譜Fig.2 Three directions of OBE seismic waves.

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

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

SSE三向地震波及反應譜如圖4所示，XYZ三向地震波的相干函數時程如圖5所示。

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

2.4 油泵及出線盒的功能監測

在進行抗震試驗過程中，被試油泵及出線盒由停止狀態起動，出線盒不通電，觀察、監測油泵及出線盒結構的地震響應狀態，風機的風壓、風量、風機振動、風機氣密性、風機啟動時間等。在5次OBE考核試驗和1次SSE考核試驗后，按技術規格書的要求對油泵及出線盒進行性能測試，測得的數據作為油泵及出線盒抗震鑒定的依據。

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Fig.5 XYZ three-way seismic wave coherence function of SSE case

抗震試驗期間和試驗后，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臺的連接螺栓、螺母不應有松動、脫落等不正常現象。如油泵及出線盒起動運行正常，記錄得到的數據偏差在允許誤差范圍內，則認為該油泵及出線盒抗震試驗為合格。

3 試驗結果

3.1 油泵及出線盒一階自振頻率及阻尼比

從各測點的傳遞函數總體分析，該設備的第一自振頻率較大，3 測點處有106.81 Hz 的Y水平向局部振動頻率和107.56 Hz 的Z豎向的局部振動頻率。油泵及兩個出線盒在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

關于油泵及出線盒 5 次 OBE、1 次 SSE 考核試驗時在X、Y、Z三方向的臺面實測加速度時程和第一次OBE 和SSE 的反應譜參見圖2 和圖3。TRS包絡RRS的情況符合相關規范［4-6］的要求。

各測點的加速度峰值如表3所示。

表3 各測點加速度峰值Table 3 Maximum accelerations of measuring points

OBE、SSE 考核試驗電機啟動時間見3.3 節，試驗前后啟動時間無明顯變化。

對油泵及出線盒進行5次OBE地震反應考核試驗、1 次SSE 地震反應考核試驗后，試件外形結構無變形，殼體沒有裂紋，螺釘螺母沒有松動、脫落。油泵及出線盒各項性能指標在抗震試驗前后無明顯變化。因此，該油泵及出線盒符合抗震要求。

4 結 論

本文對1E 級應急柴油發電機油泵和出線盒進行了5次OBE地震反應抗震試驗、1次SSE地震反應抗震試驗，可得以下結論：

（1）抗震試驗期間，油泵的啟動運轉性能良好，滿足試驗要求。

（2）各試件外形結構無變形，殼體沒有裂紋，螺釘螺母沒有松動、脫落。

（3）1E級應急柴油發電機油泵和出線盒的各項性能指標在抗震試驗后符合規范要求。