AP1000核电站主控室盘台抗震鉴定试验研究和工程实践

马渊睿 朱翊洲 王赤虎 谢永诚

（上海核工程研究设计院工程设备所 上海 200233）

AP1000核电站主控室盘台抗震鉴定试验研究和工程实践

马渊睿 朱翊洲 王赤虎 谢永诚

（上海核工程研究设计院工程设备所 上海 200233）

抗震试验是设备鉴定的一部分，AP1000核电设备的抗震鉴定相比于传统抗震鉴定有了新的要求和方法。为满足AP1000核电设备的抗震鉴定要求，本次试验与传统抗震试验有所不同。本文以完成的主控室盘台抗震试验为例，介绍和分析该试验在反应谱、加速度计布置、功能性测试等方面的特殊要求。试验结果表明主控室盘台满足AP1000抗震鉴定的要求。这些特殊要求不仅可保证很好地鉴定试验件的结构完整性和安全功能性，而且能发掘其设计裕量。

AP1000，主控室盘台，抗震试验，特殊要求

设备抗震鉴定是为证明设备在承受安全停堆地震期间和之后执行其安全功能的能力。在承受安全停堆地震之前，设备须承受多个运行基准地震的作用。通常抗震鉴定的方法主要分为：通过型式试验进行抗震鉴定和通过分析法进行抗震鉴定。根据IEEE344-1987的要求，同时考虑到试验室地震台无法容纳所有的主控室盘台，对于如主控室盘台的1E级电器设备，可采用分析和试验相结合的方法[1]。

抗震试验选择具有典型结构代表的5个盘台进行，即多样化驱动系统盘(DAS)、主专用安全盘(PDSP)、次专用安全盘(SDSP)、高级反应堆操纵员控制台(SRO)和反应堆操纵员控制台(RO B/C)，选择三轴向独立的、同时随机地震输入的地震台进行试验。抗震试验参照IEEE344-1987和AP1000设备鉴定的要求。AP1000主控室盘台为1E级、抗震I类电器设备，其中主专用安全盘(PDSP)和次专用安全盘(SDSP)都有安全功能要求，在地震中、后，不仅要保证结构完整性，还要保证其安全功能的正常运行。主控制室盘台抗震试验过程包括试验前后的共振搜索试验、模拟地震试验。同时试验中、后需对试验盘台进行监控和功能性测试。本文主要介绍AP1000主控室盘台抗震试验的一些特殊要求，为AP1000设备抗震鉴定的试验和研究工作提供帮助。

1 AP1000主控室盘台抗震试验的特殊要求

1.1反应谱

抗震鉴定具体的要求反应谱(RRS)在设备鉴定规格书中规定或根据设备位置确定。与传统试验不同，考虑到盘台上电子元器件对高频输入的敏感性，本次试验的要求反应谱(RRS)包络了AP1000认可的地震设计反应谱(CSDRS)和硬岩高频(HRHF)构筑物内反应谱(ISRS)，保证安全功能相关的电子元器件也通过抗震试验鉴定。

根据IEEE344-1987要求，典型的抗震试验需要进行至少5次OBE试验和1次可接受的SSE试验。本次抗震试验将1.67定为SSE要求反应谱的抗震裕度，并用1.67SSE反应谱作为RRS输入代替SSE试验，用5次0.84SSE作为RRS输入代替OBE试验。但考虑到1.67抗震裕度毕竟大大超过传统抗震试验的要求，在5次0.84SSE和1次1.67SSE试验之间，再加入一次1.2SSE试验。如1.67SSE试验后盘台出现问题，而1.2SSE试验后仍可保持结构完整和安全功能，则也可视为该盘台通过抗震试验鉴定。因此就抗震裕度而言，AP1000主控室盘台抗震试验的要求比传统抗震试验的要求更高。

在抗震试验中，对于试验反应谱和功率谱密度函数都有包络要求。虽然反应谱和功率谱密度函数不能确定激励确切的波形或持续时间，但从它们的曲线上得到运动的重要频率特性，其中功率谱密度直接提供了关于激励的信息。本次抗震试验不但要求生成的试验反应谱(TRS)在试验频率范围内包络要求反应谱(RRS)(图1)，而且要求试验功率谱密度(PSD)包络要求功率谱密度(RPSD)(图2)。

对于由反应谱转换得到的输入时程，为保证统计上的独立性要求至少20秒强震阶段，如图3所示(传统试验要求至少15秒强震阶段)，其相干系数应小于0.5，同时对所有时间延迟采用的相关系数绝对值应小于0.3，以保证高频阶段频率的稳定性。因此，就反应谱输入、输出而言，AP1000主控室盘台抗震试验的要求比传统抗震试验的要求要高。

对于盘台内元器件附件的IERS反应谱，AP1000设备抗震试验要求如果试验的IERS高于有限元分析得到IERS，则试验可视为完成；如果试验的IERS低于有限元分析得到IERS，则说明试验尚且不够保守，需对该元器件进行专门的部件抗震试验以验证其安全功能。

图1 试验反应谱和要求反应谱Fig.1 TRS and RRS plot.

图2 功率谱密度Fig.2 Power spectral density.

图3 试验时程Fig.3 Testing time history.

1.2加速度计的布置

加速度计是测量线加速度的仪表，主要用来检测设备的结构反应，从而得到诸如共振频率、试验反应谱(TRS)等试验结果。在本次抗震试验中，不仅在盘台的外部框架上布置加速度计，而且在一些重要的元器件附近也布置了加速度计。前者可以得到盘台的整体频率和结构在模拟地震过程中的反应，后者则可得到元器件所在位置的局部频率以及元器件附件的振动反应，以便更好地评估地震对元器件的影响。

在抗震试验中，每个主控室试验盘台都布置的加速度计多达24个，以便更好地获得试验所需的结果和数据。在盘台外框架可布置质量相对较重的三向加速度计，以便得到整体结构在三个方向(两个水平向和一个垂直向)的振动；另外重要电子元器件附近布置的加速度计则选择质量较轻两向加速度计，这样进一步减小加速度计对电子元器件及其附近振动反应的影响。

1.3共振频率搜索试验和频率的确定

试验设备的动态特性可通过共振频率搜索试验测得。共振频率搜索试验有正弦扫频和白噪声两种试验，这两种试验均可通过地震台进行。传统抗震试验的输入最小值一般要求不小于0.2 g，而本次试验则对白噪声试验的输入最小值要求不小于0.3 g。两种试验方法都可得到幅值——频率图，以及对应的相位—频率图(图4、图5)。在抗震试验的前/后各需做一次共振频率搜索试验，以评估模拟地震对试验盘台动态特性的影响。

图4 幅值—频率(正弦扫频)Fig.4 Transmissibility functions and phase angle plots at sine sweep test.

图5 幅值—频率(白噪声)Fig.5 Transmissibility functions and phase angle plots at white noise test.

确定试验盘台的结构频率的方法有两种：一种是通过共振频率搜索试验的结果，考虑到在模拟地震过程中盘台结构的刚度可能会降低，故采用抗震试验前做的共振频率搜索试验结果(图4、图5)，幅值的峰值点往往对应相位的突变点。若该加速度计布置在盘台的外部框架上，则该点即为盘台的整体结构主频，若该加速度计布置在盘台内部的元器件附近，则该点即为元器件附近的局部主频；另一种得到结构主频的方法则是通过传递函数法，即采用模拟地震过程中机构结构的反应结果得到结构的主频。同样因考虑到在模拟地震过程中盘台结构的刚度可能会降低，故采用第1次0.84SSE的结果得到幅值—频率图(图6)，其峰值点根据其加速度计位置定为整体结构主频或局部主频。主控室盘台抗震试验，每一加速度位置处的盘台结构主频和元器件附近的局部主频都是通过两种共振频率搜索试验以及传递函数法共同确定，以确保准确性。

图6 传递函数曲线Fig.6 The transfer function plots.

1.4功能性测试试验的要求

根据IEEE344-1987要求，对于有安全功能要求的设备，在抗震试验中、后需进行功能性测试试验，以检查其功能是否受影响。在主控室盘台抗震试验中，功能性测试试验主要是对盘台各开关的正常跳变、重要元器件的电压和电流、鼠标和键盘的正常使用等进行检测。诸如PDSP和SDSP都是1E级、有安全功能要求的电器设备，因此在抗震试验中不但要对其各开关和显示屏进行实时监测，还要在试验前后以及每次模拟地震后对其进行功能性测试。由于AP1000主控室盘台抗震试验的抗震裕度较高，一旦试验中出现设备故障，可以及时得知相关元器件、开关的位置及在哪次、哪个级别的模拟地震下造成的损坏。

1.5抗震试验系统验证

考虑到AP1000主控室盘台抗震试验的要求大幅度提高(特别是反应谱要求)，试验前需对试验系统进行功能性测试，以验证其是否达到AP1000抗震试验要求。对地震台系统进行验证，即Demo试验和地震台系统的验证工作。Demo试验是对一个与试验盘台质量相似的试样，按照试验步骤进行抗震试验，以验证试验反应谱、相关系数和相干系数等是否满足抗震试验的要求。抗震试验前又以正弦波形，对地震台进行空载试验(即地震台系统的验证工作)，以验证地震台、LMS数据采集系统和四组加速度传感器的性能。

2 抗震试验的结果

AP1000主控室盘台抗震试验不仅符合IEEE344-1987的要求，而且某些方面比其更为严格。通过主控室盘台抗震试验，五个盘台结构上未发现破损，各安全功能仍可正常运行，各级模拟地震试验中安全开关也未发现跳变现象。故该抗震试验很好地证明了五个盘台在经受各级模拟地震后仍能保持结构完整性，对于有安全功能要求的PDSP和SDSP盘台，在模拟地震中、后都可保持其安全功能。同时试验前后的共振频率搜索试验结果也显示盘台的动态特性并未受到各级模拟地震的影响，具有一定的设计裕量。

3 结语

AP1000主控室盘台抗震试验可很好证明盘台在经受各级模拟地震后仍能保持结构完整性，同时对于有安全功能要求的PDSP和SDSP盘台，在模拟地震中、后都可保证其安全功能性，也为相应的

有限元分析模型验证提供充足的试验数据。从本次主控室盘台抗震试验也可以看出，该设备的抗震试验在反应谱、加速度计布置、功能性测试等方面特殊要求，其不仅针对试验件的结构完整性和安全功能性，而且尽可能发掘设计裕量，这对于全面了解设备的结构性能，提升设备的设计能力都有较大的帮助。

1 IEEE Std. 344-1987, IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations[S], Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1987

Research and project practice in AP1000 nuclear plant MCR assemblies seismic test

MA Yuanrui ZHU Yizhou WANG Chihu XIE Yongcheng
(Department of Component Research and Design, Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: The seismic test is one of Plant Equipment Seismic Qualification Methodologies. Purpose: To satisfy the special requirements of AP1000 seismic qualification, this test is not same to traditional seismic test. Methods: AP1000 nuclear plant equipment qualification has new methods and requirements. The special requirements as response spectrum, accelerometer installation and functional test are described for AP1000 MCR seismic test. Results: The test results are demonstrated that MCR assemblies are satisfied as AP1000 seismic qualification requirements. Conclusions: These requirements are beneficial to the qualification for structural integrity and functional safety. They are also used to find design margin.

AP1000, Equipment qualification, Seismic test, Specific requirements

TL35

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040611

马渊睿，男，1984年出生，2010年于华东理工大学获硕士学位，研究领域：反应堆结构力学

2012-10-31，

2013-03-14

CLC TL35