一种核级电动执行机构的抗震试验分析

陈宝龙，陈 根，朱 瑄

（重庆川仪自动化股份有限公司 执行器分公司，重庆 401121）

0 引言

核级电动执行机构是用于控制核电站的阀门驱动装置，以确保阀门正常开关动作，作为阀门控制单元，是核电站的重要安全设备。其设计制造完成后，需严格按照相关标准及技术规格书要求进行鉴定试验[1,2]，鉴定试验全部完成后，方可投入核电站使用。抗震试验作为其中一项重要鉴定试验项目，特别是福岛核电站地震发生后产生的严重后果，越发引起人们对核电站抗震安全的担心。因此，必须要进行核级电动执行机构的抗震试验。本文即是对N10 核级电动执行机构进行抗震试验研究[3]。

1 执行机构的结构与性能参数

N10 核级电动执行机构用于核电站开启和关闭小口径电动截止阀、闸阀等，严格按照三代核电设计要求，在安全停堆地震（SSE）载荷下仍能执行规定的功能[4,5]，N10核级电动执行机构主要由电机、传动部件、手轮、电气罩、接线盖等组成，如图1 所示。该机型具有体积小、传动精度高、传递功率大、承载能力高、易于安装等特点，主要技术参数如下：

图1 电动执行机构传动原理简图Fig.1 Schematic diagram of transmission principle of electric actuator

型号：N10

输出转速：72r/min

转动方式：多回转

额定转矩：60Nm

防护等级：IP68

安全类别：K3

重量：45kg

外形尺寸：515×430×300

2 抗震试验

N10 核级电动执行机构抗震试验在天津航天瑞莱科技有限公司试验检测中心H1248A、BT900M 和HV-D-1-180-1001 振动台上进行，抗震试验按照用户现场实际安装工况安装，将电动执行机构安装在台面上，坐标系布置如图2 所示。手轮方向为Z 轴，接线盖方向为X 轴，电气罩方向为Y 轴，测量点布置如图3 所示。手轮为测量点1，接线盖顶部为测量点2，电机顶部为测量点3。

2.1 动态特性探测试验

试验时，电动执行机构通过夹具刚性固定在振动台扩展台（Z 向）或水平滑台（X、Y 向）上。试验采用两点平均控制方式进行，两控制点均位于振动台扩展台（Z 向）或水平滑台（X、Y 向）上。在试验件上安装 3 个测量点，动态特性探测试验曲线如图4 所示。其中，加速度幅值示值扩展不确定度≤0.21dB（k=2），频率示值扩展不确定度≤0.001%（k=2）。

结果表明，N10 样机X 方向的第一阶固有频率为87.004Hz；Y 方向的第一阶固有频率为82.156Hz；Z 方向的第一阶固有频率为160.37Hz，设备3 个方向的频谱如图4所示。

图2 设备安装图Fig.2 Equipment installation diagram

图3 测量点布置图Fig.3 Layout of measuring points

2.2 OBE试验

动态特性探查之后，N10 样机按照图5 要求进行了OBE 地震模拟试验，N10 样机与动态特性探测试验相同安装，参照表1 参数进行OBE 试验。

结果表明，经两次扫描后样机并未出现异常，扫频曲线如图6 所示。

2.3 SSE试验

OBE 试验后，N10 样机按照图5 进行了SSE 地震模拟试验，在整个抗震试验中，SSE 地震模拟试验最为严酷，为此次抗震分析比较的重点对象。

图4 设备频谱图Fig.4 Equipment spectrum

图5 地震试验要求响应谱Fig.5 Response spectrum required for seismic test

图6 扫频曲线Fig.6 Frequency sweep curve

表1 OBE试验条件Table 1 OBE test conditions

SSE 试验采用的是正旋拍波方式分别对X、Y、Z 三个方向进行地震试验，在各频率点及共振频率处（＜64Hz）进行试验，正弦拍波的每个拍中应包含12 ～15 个周波。振动台频率范围为0.1Hz ～200Hz，最大位移峰峰150mm，受设备最大位移限制，振动台在SSE 试验中2Hz 处能达到最大加速度为1.15g，2.52Hz 处能达到最大加速度为1.65g。试验频率：1Hz ～33Hz 间采用1/3 倍频程，33Hz ～64Hz间采用1/6 倍频程，见表2。

试验时，试验件安装状态、测量点安装位置同OBE 试验。试验采用单点控制方式进行，一个控制点位于振动台扩展台（Z 向）或水平滑台（X、Y 向）上。各频率点设置正弦拍波的拍数见表4，每个拍中包含15 个周波，符合试验要求。各测点响应最大值见表3。

2.4 试验状态检查

每个状态试验前，对螺栓连接状态、测量与控制系统、试验件安全保护装置、试验件状态等内容进行检查。每个状态试验时，对试验件的状态进行外观监视。每个状态试验结束后，进行以下内容检查：

1）试验数据分析及检查。

2）控制传感器的安装状态、线路连接等环节有无异常。

3）测量传感器的安装状态、线路连接等环节有无异常。

4）试验件与夹具的连接螺栓的固定状态检查。

5）试验件外观检查、螺栓连接状态检查。

6）其他配套检查。

被试设备测点处加速度响应的最大峰值（绝对值），见表3。从表3 中可见，在SSE 地震模拟试验中，手轮测点处的加速度反应最大，X、Y、Z 三轴向峰值分别为19.160g、36.209g、14.826g，三轴向所测点最大加速度峰值位置分别为电机、手轮、电机，放大倍数分别为2.66、5.03、2.06 倍，见表4。

表2 SSE试验条件Table 2 SSE test conditions

表3 各测点加速度时程最大值（g）Table 3 Maximum acceleration time history of each measuring point (g)

表4 所测点最大加速度及放大倍数Table 4 Maximum acceleration and magnification of the measured points

图7 加速度时程图Fig.7 Acceleration time history chart

抗震试验的SSE 地震模拟试验加速度时程图，如图7所示。由于试验件在5Hz 以下没有共振反应，则在3.17 Hz以下可以不包络，3.17Hz 及以上试验中设备控制点处加速度响应（TIM）的幅值在三正交轴向均能包络幅值地震鉴定的要求输入运动（RIM），故试验满足HAF J0053-1995《核设备抗震鉴定试验指南》要求，试验中试验件控制点处加速度幅值包络情况如图8 所示。

3 结论

按照样机鉴定试验大纲抗震试验的要求，对N10 进行了动态特性探查试验。按地震试验要求响应谱设计的人工地震波进行两次OBE 地震模拟试验、一次SSE 地震模拟试验；试验时X、Y、Z 三个方向的反应谱均包络了要求响应谱。几何因子G=1.2，抗震试验前、试验后对样机进行了性能测试。结果如下：

图8 控制点处加速度幅值包络情况Fig.8 Envelope of acceleration amplitude at control points

1）动态特性探测试验测得N10 样机X 方向的第一阶固有频率为87.004Hz；Y 方向的第一阶固有频率为82.156 Hz；Z 方向的第一阶固有频率为160.37Hz。

2）两次OBE 地震模拟试验、一次SSE 地震模拟试验后，检查样机，样机结构无裂痕、螺钉、螺母无松动、脱落，也没有任何损伤、变形，被试设备始终保持其完整性。

3）抗震试验前、试验中、试验后对N10 样机进行了性能试验，试验结果显示N10 样机性能满足鉴定试验大纲及试验规程要求。

综上所述，在对N10 样机进行规定的抗震试验后，试验验证了N10 型核级阀门驱动装置在地震载荷作用下能正常工作，并且样机结构及工作性能保持完好。