AP1000主控室设备抗震鉴定试验研究

李 琦 杜建勇 柳琳琳 李天勇

（中国核动力研究设计院核级设备鉴定中心 成都 610041）

AP1000主控室设备抗震鉴定试验研究

李 琦 杜建勇 柳琳琳 李天勇

（中国核动力研究设计院核级设备鉴定中心 成都 610041）

AP1000是西屋公司开发的先进非能动压水堆。本文描述了AP1000主控室设备（PDSP和SDSP机柜）抗震鉴定试验的试验目的、试验装置、试验方法、试验内容和试验结果。试验目的在于考核设备的刚度、强度以及其在地震载荷作用时和作用后的性能指标。试验在中国核动力研究设计院核级设备鉴定中心进行。试验中通过正弦扫描和白噪声探查了样机三个轴向的固有频率及阻尼比，并采用多频波法在样机的三个轴向同时输入模拟加速度时程激振，利用地震台台面加速度作为控制信号完成抗震鉴定试验。试验结果表明，样机在试验中及试验后结构完整，功能完好，满足规范要求。

AP1000，主控室设备，地震台，抗震鉴定

AP1000 是由美国西屋公司开发的一种两环路1000 Mwe非能动型的压水反应堆核电站，我国目前正采用这一技术在三门、海阳两个厂址建设4个机组。与我国现有的核电站抗震设防基准不同，AP1000设计中去除了对运行基准地震(OBE)的要求，仅以安全停堆地震(SSE)作为抗震设防基准，抗震I类、II类的构筑物、系统、设备和部件的抗震设计均是基于SSE[1]。

AP1000主控室的PDSP和SDSP机柜是核电站1E级电气设备，属于抗震I类设备，要求在地震条件下保持结构完整和功能完好。根据核相关法规要求[2,3]，必须对设备样机进行抗震鉴定试验。试验目的在于考核设备的刚度、强度及其在地震载荷作用时和作用后的性能指标，以验证设备的结构完整性及功能完好性。本试验是AP1000设备在国内的首次抗震鉴定试验。

1 研究方法

设备的抗震鉴定方法有四种，即分析法、试验法、分析与试验相结合、经验反馈法。一般来说，对于能动的机械设备和1E级电气设备，在第一次抗震鉴定时，宜采用试验方法[4]。地震模拟振动台可真实地再现地震过程和进行人工地震波的实验，它是在实验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法，是目前研究抗震研究的重要手段之一[5]。设备的抗震鉴定试验，需做两种类型试验，即动态特性探查试验和抗震性能试验。前者是为了获取设备的自振频率和阻尼等，确定设备的固有动态特性，后者则主要检验在规定强度和频度的地震作用时和作用后，设备的正常功能和完整性[6]。

1.1试验对象及装置

试验对象为AP1000主控室设备（PDSP和SDSP机柜），两机柜重量分别为1127 kg和424 kg。试验在中国核动力研究设计院核级设备鉴定中心6m×6m大型高性能地震模拟试验台上进行。台面最大承载60 t，水平和垂直向最大位移分别为±150mm和±100 mm，自由度数6个，128个测量通道，具有150 kHz高速数据采集系统。地震台水平向和竖直向的最大加速度（满载）分别为1 g和0.8g，频率范围为0.1−100 Hz，具有足够宽的工作频率范围和良好的高频和低频特性。

1.2试件安装和测点布置

试验前检查设备整体结构有无变形和损伤，各个连接件有无松动或脱落，在结构完整的情况下模拟现场安装方式将其安装在地震台上，并对样机进行功能试验。图1为设备在地震台上的安装图，图中的X方向和Y方向为地震台的水平方向，Z方向为地震台的竖直方向。

图1 设备在地震台上的安装图Fig.1 The layouts of test units on the seismic table.

试验中的测试量分为振动加速度、电流和电压信号。加速度计主要用于测量地震台台面和设备上典型位置的加速度响应。试验采用江苏联能的三向加速度计，一共20个，安装位置为地震台台面、机柜顶部、机柜重心、机柜内部、操作台台面等处。其中4号和10号加速度计测量的是PDSP的机柜操作台台面和机柜顶部的加速度响应，1号和5号加速度计测量的是SDSP机柜的操作台台面和机柜顶部的加速度响应。电流/压传感器用于测量机柜的电信号，一共有8个，图2为SDSP机柜内部的加速度计和电压传感器布置。数据采集采用比利时LMS SC316数据采集仪，最高采样频率为102.4 k，16 Bit，±10 V。输入测量仪表及相关设备均在检定的有效期内使用。

图2 SDSP机柜内的加速度计和电压传感器Fig.2 The accelerometers and voltage sensors at SDSP.

1.3动态特性探查试验

在抗震性能试验前，首先进行动态特性探查试验，用以查明设备的自振频率和阻尼，了解设备的固有动态特性。试验中分别采用正弦扫描和白噪声两种方式来探查设备的动态特性。正弦扫描采用输入幅值不大于0.2 g的正弦波连续扫描，在1−100−1Hz范围内，在设备三个主轴方向的每一个正交轴上作探查试验，扫描速度为1倍频程/分。借助于正弦拍波的输入信号与测量点处的结构相应的相位之间的比较关系来确定自振频率。白噪声激励则是输入幅度为0.3 g的白噪声信号在设备每一正交轴上激振，振动持续时间180 s，以保证自振频率和振型的精度。

1.4抗震性能试验

抗震性能试验是考核设备在规定的地震下能否履行规定的安全功能。《核设备抗震鉴定试验指南》规定，抗震性能试验必须满足以下要求：1) 由振动台产生的试验反应谱(TRS)应在整个试验频率范围内包络要求的反应谱(RRS)，试验反应谱和要求反应谱有相同的阻尼比；2) 输入运动波的峰值加速度应不小于要求反应谱的零周期加速度值；3) 试验反应谱的频率范围应包络要求反应谱的频率范围，但不包括高于RRS截断频率的频率成分。

试验中采用多频波法在样机的三个正交轴向同时进行激振，并以地震台台面的加速度信号作为控制信号。地震阻尼比取5%。根据设计方提供的楼板反应谱，用计算机生成人工模拟地震加速度时程作为输入信号在设备三个正交轴向完成了5次0.84SSE、1次1.2SSE，1次1.67SSE地震试验，每次试验时间为30 s，并且强震时间不少于20 s。在每次地震试验过程中监测样机的运行电流和电压，测量各测点的加速度响应。每次试验后对样机进行功能试验。

图3为1.67SSE地震试验中三向的人工加速度模拟时程，采样频率为256 Hz，采样点数量为7680个，分析的频率范围是0−128 Hz，可获得的频率分辨率为0.0333 Hz，满足《核设备抗震鉴定试验指南》关于楼板反应谱的频率间隔最小为0.1 Hz的要求。

图3 1.67SSE试验中三向人工加速度模拟时程Fig.3 Artificial time history along three orthogonal axes of 1.67SSE. (a) X direction; (b) Y direction; (c) Z direction

图4为1.67SSE地震试验中X方向台面加速度响应谱包络情况，图中RRS为要求的谱线，TRS为台面实现的谱线。在各次地震试验中，各方向台面加速度时程响应谱对各自要求的加速度谱均实现了包络，即台面较好地模拟了设计的加速度时程。各次地震中实现的台面加速度时程X、Y、Z三向之间相关系数小于0.3，满足指南的要求。

图4 1.67SSE试验中X方向台面响应谱包络情况Fig.4 The envelope of response spectrum along X direction of 1.67SSE.

2 结果与讨论

地震试验前利用正弦扫描得到的设备动态特性探查试验结果如表1所示。

表1 地震试验前设备动态特性探查试验结果Table 1 Dynamic characteristics of the specimen in pre-test frequency search.

PDSP和SDSP机柜最大加速度响应均出现在1.67SSE地震试验中。PDSP机柜的X、Y、Z方向加速度最大响应分别为4.00、5.71和4.74 g，相对台面放大系数分别为2.76、3.76和2.74；SDSP机柜的X、Y、Z方向加速度最大响应分别为6.59、3.68和2.50 g，相对台面放大系数分别为4.54、2.42和1.45。在抗震性能试验过程中，设备的电流、电压和开关信号均正常。

抗震性能试验后再按照1.3节的方法进行试验后的动态特性探查试验。试验前后设备的动态特性略有改变，但变化不大，说明设备在试验后的整体特性没有发生明显变化。试验后的检查没有发现样机有螺栓松动和结构变形等情况。对样机进行了功能试验，可以正常运行。

3 结语

根据设计方提供的楼板谱，按照《核设备抗震鉴定试验指南》规定的方法，中国核动力研究设计院核级设备鉴定中心完成了AP1000主控室的PDSP和SDSP机柜的抗震鉴定试验。试验中采用正弦扫频和白噪声两种方式探查了设备在地震试验前后的动态特性，并采用多频波法在设备的三个正交轴向同时激振，完成了抗震鉴定试验。试验结论如下：

(1) 抗震鉴定试验正确地模拟了输入地震楼层反应谱，试验方法满足HAF.J0053《核设备抗震鉴定试验指南》中关于多频波法的相关要求。

(2) AP1000主控室设备（PDSP和SDSP机柜）在地震试验后结构完整，能够正常启动和运行。

(3) AP1000主控室设备（PDSP和SDSP机柜）在地震试验前、中、后机械性能和电气性能均合格。

1 李忠诚, 杨孟嘉. AP1000抗震分析与设计特点研究[J].世界地震工程, 2008, (24): 137−142 LI Zhongcheng, YANG Mengjia. Study on the major characteristics of seismic analysis and design of AP1000[J]. World Earthquake Engineering, 2008, (24): 137−142

2 Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE Std 344.IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations[S], New York, 2004

3 国家核安全局. HAF.J0053. 核设备抗震鉴定试验指南[S]. 北京, 1995 National Nuclear Safety Administration. HAF.J0053.Guide of Seismic Qualification Test for Nuclear Equipment[S]. Beijing, 1995

4 方庆贤. 核电厂设备抗震鉴定的审评[J]. 核动力工程, 1995, 16(5): 394−400 FANG Qingxian. Safety review for seismic qualification of nuclear power plant equipment[J]. Nuclear Power Engineering, 1995, 16(5): 394−400

5 邱法维, 钱稼茹, 陈志鹏. 结构抗震实验方法[M]. 北京: 科学出版社, 2000 QIU Fawei, QIAN Jiaru, CHEN Zhipeng. Seismic test methodology for structures[M]. Beijing: Science Press, 2000

6 刘永昌, 孙柏涛. 核电站用机电设备抗震性能试验鉴定若干问题[J]. 地震工程与工程振动, 1999, 19(3): 68−73 LIU Yongchang, SUN Baitao. Some problem in seismic qualification of equipment for nuclear power generating stations[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1999, 19(3): 68−73

Experimental study on seismic qualification test of AP1000 main control room equipment

LI Qi DU Jianyong LIU Linlin LI Tianyong
(Nuclear Equipment Qualification Center of Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: AP1000 is a advanced passive PWR which designed by the Westinghouse. Purpose: The purpose of the seismic qualification test is to obtain test data that will demonstrate structural integrity and functionality of AP1000 MCR equipment during and after exposure to the dynamic effect of seismic load. Methods: The test was performed at the Nuclear Equipment Qualification Center (NEQ) of Nuclear Power Institute of China (NPIC). The dynamic characteristics of specimens are detected by sine sweep and random input respectively. Multi-frequency method is applied along three orthogonal axis of the specimen in seismic qualification tests. And the seismic qualification tests are taken by using the acceleration on surface of the shake table as the control signal. Results: The structural integrity and the operability of the specimen are perfect during and after the seismic qualification test. Conclusions: Therefore, the AP1000 MCR equipments (PDSP and SDSP) pass the seismic qualification test.

AP1000, MCR equipment, Shake table, Seismic qualification test

TL327

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040614

李琦，女，1980年出生，2007年于重庆大学获工学硕士学位，助研，专业为结构力学

2012-10-31，

2013-03-01

CLC TL327