CAP系列核电厂直流电动装置鉴定试验方法研究

陈 智， 杨 晓， 丁多亮

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

CAP系列核电厂1E级直流电动装置由直流电动机驱动，其上设有为电动机提供动力电源的电缆和用于提供和反馈控制信号的控制电缆，与1E级电气系统相连。1E级电动装置作为核安全级阀门的驱动装置，通过连接机构与阀门连接，驱动阀门动作，实现阀门的开启和关闭，以保护管道、设备或系统。

基于ASME、IEEE、IEC等标准及文献，对1E级直流电动装置的鉴定方法进行研究，制定出CAP系列1E级直流电动装置的鉴定大纲，并在鉴定项目中实施。

1 1E级直流电动装置结构与功能

1E级直流电动装置主要结构包括：箱体、主传动机构、手动操作机构、行程控制机构、手切换机构、转矩控制机构、连接盘以及直流电动机等零部件。1E级直流电动装置原理图见图1。

图1 1E级直流电动装置原理图

1E级直流电动装置在CAP系列核电厂的正常环境条件、异常环境条件和事故环境(包括失水、地震等)条件下应能执行安全相关功能，包括保持电气和结构完整性、按要求驱动阀门动作至规定位置，为反应堆紧急停堆、堆芯冷却、安全壳和反应堆热量导出或防止放射性物质大量释放到环境中提供保障。

2 鉴定试验序列

CAP系列核电设备鉴定包括：环境鉴定、抗震鉴定和EMC(电磁兼容性)鉴定[1]。CAP系列核电厂的环境条件包括：正常环境条件、异常环境条件、设计基准事故环境条件。1E级直流电动装置的环境鉴定需包括上述三类环境下的鉴定。

根据ASME QME-1及IEEE相关标准的要求[2]，确定1E级直流电动装置经受的鉴定大纲，并按下列序列依次进行[3]：(1)接收检查；(2)基准功能试验；(3)EMC试验；(4)热老化试验；(5)辐照老化试验(包括正常工况和事故工况)；(6)磨损老化试验；(7)正常循环加压试验；(8)振动老化试验；(9)抗震试验；(10)LOCA(核电厂安全壳内冷却剂丧失)试验；(11)水淹工况鉴定试验(浸没试验)；(12)试验后检查。其中，EMC 鉴定试验可在整个鉴定活动实施过程中的任意阶段进行；同时在第(3)～(11)项鉴定试验后，均应进行功能试验，试验结果应与初始的基准功能试验结果保持一致。

3 鉴定裕度

根据IEEE 323[4]的要求(见表1)，在执行鉴定试验时应在最严重运行工况的基础上再增加一定的裕度，同时为了允许设备在出现正常变更以及合理偏差时，不影响其性能。

表1 鉴定裕度要求

4 鉴定试验方法及参数确定

4.1 接收检查

根据制造厂提供的图纸及相关资料，进行1E级直流电动装置的接收检查，包括外观和尺寸检查。外观检查包括铭牌、标志、编号、内外表面质量、紧固件拧紧情况、转矩设定值是否正确、所有零件是否正确组装、电气接插件是否牢固可靠等。尺寸检查包括连接尺寸、长度、宽度应符合图纸要求，样机质量与图纸规定值的偏差小于±10%。

4.2 基准功能试验

在所有鉴定试验开始前，首先进行1E级直流电动装置的基准功能试验，且在每一项鉴定试验开始前和完成后均需进行功能试验并记录相应的试验数据(包括输出速度、动作时间、输出转矩、电动机电流、转矩控制开关动作至电动装置动作停止之间的时间间隔)，以评估和判断电动装置在经受鉴定试验后对电动装置功能的影响。试验项目见表2。

表2 基准功能试验项目

4.3 EMC试验

EMC试验是为了验证1E级直流电动装置在经受核电厂正常运行工况下的电磁干扰时能够正确执行其规定的功能[5]，并且其电磁信号不会干扰其他电气设备的运行，包括发射试验和抗扰度试验。

发射试验包含低频传导发射、高频传导发射、磁场辐射发射以及电场辐射发射等试验内容。

抗扰度试验包括低频传导抗扰度、高频传导抗扰度、磁场辐射抗扰度、电场辐射抗扰度、传导抗扰度、浪涌、电快速瞬变脉冲群、静电放电等试验内容。发射试验时检测数值在标准规定的限值[6-7]，抗扰度试验时电动装置无误动作，可正常操作。

4.4 热老化试验

热老化试验是为了考核1E级直流电动装置在寿期内由温度及温度变化引起的材料性能退化对电动装置性能的影响。

1E级直流电动装置中非金属部件的热老化试验按ASME QME-1非强制性附录QR-B的要求进行[2]。热老化分两种方式：加速热老化和自然老化。为了缩短试验时间，同时在保证执行安全功能的非金属件老化至其寿期末状态的前提下，通常采用加速热老化方法。

根据ASME QME-1附录QR-B，对于大多数非金属材料，其活化能通常处于0.75～0.85 eV，1E级直流电动装置中非金属材料的活化能取中间值为0.8 eV；根据IEEE 382—1996标准推荐，加速热老化温度取138 ℃。试验时间和温度的换算关系按阿列纽斯(Arrhenius)公式求得：

(1)

式中：T1为正常使用时材料的最高温度；T2为加速热老化的温度；Ф为活化能;k为玻尔兹曼常数(8.617×10-5eV/K)；t1为要求的合格寿命;t2为试验时间。

4.5 辐照试验

辐照试验是为了验证安装在1E级直流电动装置上的非金属件(包括涂层、润滑油/润滑脂等)在寿期内由γ或β辐照引起的材料退化对电动装置性能的影响。

辐照试验分为两部分：正常运行工况辐照、设计基准事故工况辐照，可结合起来进行，即将正常工况下和辐照剂量和事故工况下的辐照剂量累积起来计算，并按高的辐照累积剂量率实施辐照老化试验。

事故工况下的辐照包括γ辐照和β辐照。为了方便试验的实施，可采用将β辐照剂量等效成γ辐照剂量的方法。出于保守的考虑，β辐照剂量应按1∶1的比例等效成γ辐照剂量。

辐照老化试验的总剂量=(鉴定寿期内正常辐照累积γ剂量+事故期间累积γ剂量+β剂量当量)+10%的裕度，计算得到电动装置应受到的γ辐照总剂量应不低于1 020 kGy。

4.6 磨损老化试验

1E级直流电动装置应进行循环动作以模拟预期的机械和电气磨损。磨损老化应在预期的载荷作用下进行试验，磨损老化试验可以结合循环(寿命)试验进行，共计3 000次+300次(裕度)。在循环(寿命)试验时，限位开关要随之动作。

4.7 正常加压循环试验

1E级直流电动装置应经受正常循环加压试验(外压)，以验证其在经受核电厂正常环境条件下环境压力的升高时或之后仍能执行其规定的功能。

试验时，应采用足够小的升压速率从环境压力缓慢升高至规定压力，并至少保持10 min，然后再采用足够小的降压速率从规定压力缓慢降压至环境压力，以尽可能真实地模拟安全壳内正常的升压工况和降压工况。

该试验的循环次数应不少于15次。试验过程中，1E级直流电动装置应实施功能试验，检查其是否能够正常动作。

4.8 振动老化试验

振动老化试验是为了验证1E级直流电动装置整机抗核电厂正常运行工况下由于系统运行瞬态及环境振动引起的管道系统振动的能力。

1E级直流电动装置刚性安装在试验装置上，该试验装置应稳固地与振动试验台架相连。试样的安装应尽可能模拟在役安装方式。试验系统布置见图2。

图2 试验系统布置示意图

按照IEEE 382[3]，振动老化应以每分钟2 倍频程的速率由5 Hz→100 Hz→5 Hz 进行单轴正弦扫描，输入加速度为7.35 m/s2。每个正交轴向的试验持续时间应为90 min。试验期间，电动装置应通电，并在振动老化试验过程每隔15 min应进行一次动作，并记录输入电压、电动机电流、动作时间等参数。

4.9 抗震试验

抗震试验是为了验证1E级直流电动装置抗地震的能力。1E级直流电动装置应承受要求的输入运动(RIM)和要求的响应谱(RRS)试验[5]。

1E级直流电动装置样机应安装在刚性试验装置上，该试验装置应稳固地与地震试验台架相连。样机的安装应尽可能模拟在役安装方式，应在适当位置布置加速度的测点(见图2)。

1E级直流电动装置抗震试验项目主要包括以下四大类：

(1) 固有频率探测试验。采用随机探测的方法进行，三轴分别进行。随机探测试验每轴的时间宜为180 s左右。试验期间1E级直流电动装置样机不动作。

(2) 低水平地震循环载荷。对1E级直流电动装置样机实施在每个正交轴向幅值为2/3 SSE(安全停堆地震)再加10%裕度的加速度进行两次2 Hz→64 Hz→2 Hz的单轴正弦扫描试验。扫描速率为1 oct/min。两次扫频时，1E级直流电动装置样机分别处于开启和关闭位置。

(3) RIM试验。对1E级直流电动装置样机在每个正交轴向进行一系列的单轴正弦拍波试验，频率为2～64 Hz。在2～32 Hz内应以1/3倍频程间隔进行，在32～64 Hz内以1/6倍频程间隔进行。每个试验频率下的加速度值应按鉴定规范书的规定。如测得的共振频率小于64 Hz，则应在该共振频率点按相应加速度值进行试验。

每个频率的激励形式为：至少5个连续的正弦拍波，每拍15个周波，最少持续15 s。

在每个频率拍波时，1E级直流电动装置样机在额定电压下完成一次带载动作循环。

(4) RRS试验。对1E级直流电动装置样机进行三轴随机多频试验，水平方向和垂直方向应分别进行激励，持续时间为30 s，其中强震部分为20 s。轴向间相关系数小于0.3，频率为1～100 Hz，加速度应增加10%裕度，并保证TRS包络RRS。试验采用的阻尼比为3%。

试验过程中，1E级直流电动装置样机应在规定电压下完成至少一次带载动作循环。

4.10 LOCA试验

LOCA试验是为了验证1E级直流电动装置在经受设计基准事故工况时和之后仍具备执行安全有关任务的能力。

1E级直流电动装置应按适当的方式安装在用于模拟事故工况的LOCA 试验炉内。安装应使1E级直流电动装置直接暴露于蒸汽环境(温度、压力、湿度、喷淋工况等)中。1E级直流电动装置上所带电缆应通过适当的方式(如贯穿件)从试验炉内穿出。所有连接应具有可靠的电气和密封完整性。LOCA试验布置见图3。

图3 LOCA试验布置示意图

1E级直流电动装置LOCA试验分以下三个步骤进行：

(1) 初始状态：试验容器内环境温度保持正常环境温度上限值，压力保持在正常大气压至少2 h。

(2) 事故阶段：模拟设计基准事故发生时环境状态急剧变化的瞬态过程，其中试验容器内温度在短时升温至峰值温度，同时压力也迅速升高；拉峰过后，温度和压力开始下降，在1～2 h后，环境状态趋于缓慢降低阶段。拉峰过后约10 min开始化学喷淋。

(3) 事故后阶段：化学喷淋结束后至设计基准事故后30天，环境温度和压力缓慢降低，样机经受长时间的蒸汽湿热环境的作用，30天试验时间到达后，试验容器冷却至常温常压，打开容器后取出样机。

4.11 水淹试验

水淹试验是为了验证1E级直流电动装置在水淹工况下的密封性能以及实施功能的能力。

1E级直流电动装置样机(连同模拟加载装置)应按适当的方式安装在密闭的试验装置内。安装应使样机直接暴露于水淹环境中。样机上所带电缆应通过适当的方式(如贯穿件)从试验容器内穿出。所有连接应具有可靠的电气和密封完整性。试验布置图见图3。

样机应规定温度和压力，完全浸没于水淹介质液面以下保持72 h，并在规定时间点执行动作。

4.12 试验后检查

在完成上述所要求的试验后，1E级直流电动装置应进行外观检查和解体检查。

外观检查包括：铭牌、标志、编号、内外表面质量、紧固件拧紧情况、转矩设定值是否正确、所有零件是否正确组装、电气接插件是否牢固可靠等。

解体检查包括：样机主要件直流电机、箱体、蜗轮蜗杆、轴承、力矩部件和行程部件等磨损情况，微动开关、接线端子、润滑油、密封件等老化情况。

5 结语

CAP系列核电站1E级直流电动装置设备鉴定为国内首次，制定合理、完整的鉴定大纲是1E级直流电动装置实施鉴定试验的前提。鉴定试验的成功实施将推进1E级直流电动装置的国产化，有利于打破国外垄断，降低了CAP系列核电机组的建设成本。