一種核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抗震試驗(yàn)分析

陳寶龍，陳 根，朱 瑄

（重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 執(zhí)行器分公司，重慶 401121）

0 引言

核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用于控制核電站的閥門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置，以確保閥門(mén)正常開(kāi)關(guān)動(dòng)作，作為閥門(mén)控制單元，是核電站的重要安全設(shè)備。其設(shè)計(jì)制造完成后，需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)格書(shū)要求進(jìn)行鑒定試驗(yàn)[1,2]，鑒定試驗(yàn)全部完成后，方可投入核電站使用。抗震試驗(yàn)作為其中一項(xiàng)重要鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目，特別是福島核電站地震發(fā)生后產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，越發(fā)引起人們對(duì)核電站抗震安全的擔(dān)心。因此，必須要進(jìn)行核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抗震試驗(yàn)。本文即是對(duì)N10 核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究[3]。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

N10 核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于核電站開(kāi)啟和關(guān)閉小口徑電動(dòng)截止閥、閘閥等，嚴(yán)格按照三代核電設(shè)計(jì)要求，在安全停堆地震（SSE）載荷下仍能執(zhí)行規(guī)定的功能[4,5]，N10核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、傳動(dòng)部件、手輪、電氣罩、接線蓋等組成，如圖1 所示。該機(jī)型具有體積小、傳動(dòng)精度高、傳遞功率大、承載能力高、易于安裝等特點(diǎn)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of transmission principle of electric actuator

型號(hào)：N10

輸出轉(zhuǎn)速：72r/min

轉(zhuǎn)動(dòng)方式：多回轉(zhuǎn)

額定轉(zhuǎn)矩：60Nm

防護(hù)等級(jí)：IP68

安全類別：K3

重量：45kg

外形尺寸：515×430×300

2 抗震試驗(yàn)

N10 核級(jí)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)抗震試驗(yàn)在天津航天瑞萊科技有限公司試驗(yàn)檢測(cè)中心H1248A、BT900M 和HV-D-1-180-1001 振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，抗震試驗(yàn)按照用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝工況安裝，將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在臺(tái)面上，坐標(biāo)系布置如圖2 所示。手輪方向?yàn)閆 軸，接線蓋方向?yàn)閄 軸，電氣罩方向?yàn)閅 軸，測(cè)量點(diǎn)布置如圖3 所示。手輪為測(cè)量點(diǎn)1，接線蓋頂部為測(cè)量點(diǎn)2，電機(jī)頂部為測(cè)量點(diǎn)3。

2.1 動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)夾具剛性固定在振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)（Z 向）或水平滑臺(tái)（X、Y 向）上。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)平均控制方式進(jìn)行，兩控制點(diǎn)均位于振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)（Z 向）或水平滑臺(tái)（X、Y 向）上。在試驗(yàn)件上安裝 3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)曲線如圖4 所示。其中，加速度幅值示值擴(kuò)展不確定度≤0.21dB（k=2），頻率示值擴(kuò)展不確定度≤0.001%（k=2）。

結(jié)果表明，N10 樣機(jī)X 方向的第一階固有頻率為87.004Hz；Y 方向的第一階固有頻率為82.156Hz；Z 方向的第一階固有頻率為160.37Hz，設(shè)備3 個(gè)方向的頻譜如圖4所示。

圖2 設(shè)備安裝圖Fig.2 Equipment installation diagram

圖3 測(cè)量點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of measuring points

2.2 OBE試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)特性探查之后，N10 樣機(jī)按照?qǐng)D5 要求進(jìn)行了OBE 地震模擬試驗(yàn)，N10 樣機(jī)與動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)相同安裝，參照表1 參數(shù)進(jìn)行OBE 試驗(yàn)。

結(jié)果表明，經(jīng)兩次掃描后樣機(jī)并未出現(xiàn)異常，掃頻曲線如圖6 所示。

2.3 SSE試驗(yàn)

OBE 試驗(yàn)后，N10 樣機(jī)按照?qǐng)D5 進(jìn)行了SSE 地震模擬試驗(yàn)，在整個(gè)抗震試驗(yàn)中，SSE 地震模擬試驗(yàn)最為嚴(yán)酷，為此次抗震分析比較的重點(diǎn)對(duì)象。

圖4 設(shè)備頻譜圖Fig.4 Equipment spectrum

圖5 地震試驗(yàn)要求響應(yīng)譜Fig.5 Response spectrum required for seismic test

圖6 掃頻曲線Fig.6 Frequency sweep curve

表1 OBE試驗(yàn)條件Table 1 OBE test conditions

SSE 試驗(yàn)采用的是正旋拍波方式分別對(duì)X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行地震試驗(yàn)，在各頻率點(diǎn)及共振頻率處（＜64Hz）進(jìn)行試驗(yàn)，正弦拍波的每個(gè)拍中應(yīng)包含12 ～15 個(gè)周波。振動(dòng)臺(tái)頻率范圍為0.1Hz ～200Hz，最大位移峰峰150mm，受設(shè)備最大位移限制，振動(dòng)臺(tái)在SSE 試驗(yàn)中2Hz 處能達(dá)到最大加速度為1.15g，2.52Hz 處能達(dá)到最大加速度為1.65g。試驗(yàn)頻率：1Hz ～33Hz 間采用1/3 倍頻程，33Hz ～64Hz間采用1/6 倍頻程，見(jiàn)表2。

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件安裝狀態(tài)、測(cè)量點(diǎn)安裝位置同OBE 試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單點(diǎn)控制方式進(jìn)行，一個(gè)控制點(diǎn)位于振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)（Z 向）或水平滑臺(tái)（X、Y 向）上。各頻率點(diǎn)設(shè)置正弦拍波的拍數(shù)見(jiàn)表4，每個(gè)拍中包含15 個(gè)周波，符合試驗(yàn)要求。各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)最大值見(jiàn)表3。

2.4 試驗(yàn)狀態(tài)檢查

每個(gè)狀態(tài)試驗(yàn)前，對(duì)螺栓連接狀態(tài)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、試驗(yàn)件安全保護(hù)裝置、試驗(yàn)件狀態(tài)等內(nèi)容進(jìn)行檢查。每個(gè)狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)件的狀態(tài)進(jìn)行外觀監(jiān)視。每個(gè)狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行以下內(nèi)容檢查：

1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及檢查。

2）控制傳感器的安裝狀態(tài)、線路連接等環(huán)節(jié)有無(wú)異常。

3）測(cè)量傳感器的安裝狀態(tài)、線路連接等環(huán)節(jié)有無(wú)異常。

4）試驗(yàn)件與夾具的連接螺栓的固定狀態(tài)檢查。

5）試驗(yàn)件外觀檢查、螺栓連接狀態(tài)檢查。

6）其他配套檢查。

被試設(shè)備測(cè)點(diǎn)處加速度響應(yīng)的最大峰值（絕對(duì)值），見(jiàn)表3。從表3 中可見(jiàn)，在SSE 地震模擬試驗(yàn)中，手輪測(cè)點(diǎn)處的加速度反應(yīng)最大，X、Y、Z 三軸向峰值分別為19.160g、36.209g、14.826g，三軸向所測(cè)點(diǎn)最大加速度峰值位置分別為電機(jī)、手輪、電機(jī)，放大倍數(shù)分別為2.66、5.03、2.06 倍，見(jiàn)表4。

表2 SSE試驗(yàn)條件Table 2 SSE test conditions

表3 各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程最大值（g）Table 3 Maximum acceleration time history of each measuring point (g)

表4 所測(cè)點(diǎn)最大加速度及放大倍數(shù)Table 4 Maximum acceleration and magnification of the measured points

圖7 加速度時(shí)程圖Fig.7 Acceleration time history chart

抗震試驗(yàn)的SSE 地震模擬試驗(yàn)加速度時(shí)程圖，如圖7所示。由于試驗(yàn)件在5Hz 以下沒(méi)有共振反應(yīng)，則在3.17 Hz以下可以不包絡(luò)，3.17Hz 及以上試驗(yàn)中設(shè)備控制點(diǎn)處加速度響應(yīng)（TIM）的幅值在三正交軸向均能包絡(luò)幅值地震鑒定的要求輸入運(yùn)動(dòng)（RIM），故試驗(yàn)滿足HAF J0053-1995《核設(shè)備抗震鑒定試驗(yàn)指南》要求，試驗(yàn)中試驗(yàn)件控制點(diǎn)處加速度幅值包絡(luò)情況如圖8 所示。

3 結(jié)論

按照樣機(jī)鑒定試驗(yàn)大綱抗震試驗(yàn)的要求，對(duì)N10 進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性探查試驗(yàn)。按地震試驗(yàn)要求響應(yīng)譜設(shè)計(jì)的人工地震波進(jìn)行兩次OBE 地震模擬試驗(yàn)、一次SSE 地震模擬試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)X、Y、Z 三個(gè)方向的反應(yīng)譜均包絡(luò)了要求響應(yīng)譜。幾何因子G=1.2，抗震試驗(yàn)前、試驗(yàn)后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果如下：

圖8 控制點(diǎn)處加速度幅值包絡(luò)情況Fig.8 Envelope of acceleration amplitude at control points

1）動(dòng)態(tài)特性探測(cè)試驗(yàn)測(cè)得N10 樣機(jī)X 方向的第一階固有頻率為87.004Hz；Y 方向的第一階固有頻率為82.156 Hz；Z 方向的第一階固有頻率為160.37Hz。

2）兩次OBE 地震模擬試驗(yàn)、一次SSE 地震模擬試驗(yàn)后，檢查樣機(jī)，樣機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)裂痕、螺釘、螺母無(wú)松動(dòng)、脫落，也沒(méi)有任何損傷、變形，被試設(shè)備始終保持其完整性。

3）抗震試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后對(duì)N10 樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示N10 樣機(jī)性能滿足鑒定試驗(yàn)大綱及試驗(yàn)規(guī)程要求。

綜上所述，在對(duì)N10 樣機(jī)進(jìn)行規(guī)定的抗震試驗(yàn)后，試驗(yàn)驗(yàn)證了N10 型核級(jí)閥門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置在地震載荷作用下能正常工作，并且樣機(jī)結(jié)構(gòu)及工作性能保持完好。