核电机架系统边界条件对抗震性能的影响

张学中，张朋波，闫佳麟，孙国良，汲书强

(中国信息通信研究院，北京 100191)

0 引言

在核电站多样性驱动系统(DAS)、数字化仪控系统(DCS)、应急通信系统、测量系统、信号处理系统、监测系统组成结构中，机架系统为最基本的承载单元，作用是方便安装固定各类设备，给内部承载设备提供直接的安全保护。核电机架系统一般由机框、门板、内立柱、角规、侧横梁等部件组装而成。由于核电厂复杂的使用环境和安全技术要求，机架系统需具备优良的抗震性能和高强度，且抗震性能直接关系到内部仪表设备的安全使用。该文通过研究一种核电机架系统的减隔震装置在地震中的实际使用效果，对比分析机架不同安装边界条件下的抗震性能。

1 机架减震系统

日本福岛事件后，我国第三代核电技术抗震标准已提至数百年一遇，核电厂设计基准地震已由0.2 g提高到0.3 g，核电站机架的抗震性能也相应提高设计标准。简单的抗震加固已不能完全保障人员安全、物理安全和设备安全，解决问题的根本方法为机架减震系统的设计和应用，降低机架输入端的地震加速度，减小机架的地震响应。机架的减震系统无需改变机架本身的结构形式，是作为一种抗震组件应用于机架的设计中。

1.1 核电机架系统的特点

机架系统是以主体框架为核心的系统构造体，其整体强度和承载设备质量由框架系统的设计决定。机架的固有频率与机架的强度相关，地震波为多频波形，核电抗震反应谱频带范围要求为1～100 Hz。如机架固有频率处于反应谱平台卓越频率范围内，在地震发生时，极易引起机架框架的共振响应，增加机架内安装设备的地震响应，加大地震灾害损失[1]。

通过对大量测试数据的分析，得出核电用机架系统的水平X、Y方向固有频率不小于30 Hz，相比普通机架小于10 Hz的固有频率显著增强，可以提高机架系统的抗震性能。核电机架与普通机架固有频率对比如图1所示。

图1 机架固有频率分布图Fig.1 Rack natural frequency distribution

1.2 减震系统选择

一般机架提高抗震性能主要是通过提高自身的强度和刚度，增大强度的措施包括改变立柱界面形状和主框架连接方式、加厚主框架板材、增加抗震组件等。这些措施在增大机架刚度的同时，也会增加机架在地震中的振动传递和振动响应，减震系统就会通过地震中不传递振动和吸收振动的方式来减小机架的损坏。机架减震系统的主要原理是把原来加固增加的刚度变成柔性材料，改变机架的固有频率，通过地震载荷下减震系统的变形吸收地震的能量，使机架处于柔性工作状态，克服机架加速度响应大的缺点。减震系统的选择首先要考虑静载特性，保证各受力单元的均匀，各受力单元的总承载能力至少大于额定载荷的2倍，保证静载的变形量，使减震系统始终处于弹性范围[2-5]。

地震激励频率在0～100 Hz范围内，主要为低频宽带随机振动，机架系统随机激励的低频分量对机架内设备响应的“贡献”比高频分量大，非线性隔震器对于抑制低频宽带激励具有理想的效果。机架减震系统主要由钢丝绳减震器和限位装置组装而成。钢丝绳减震器为一种非线性刚度和非线性阻尼的隔震器类型，钢丝绳减震器本体主要由7股直径6.0 mm的钢丝绳环绕而成，每根钢丝绳由19根1.2 mm的钢丝组成，结构形式为拱状，材质为不锈钢，具有多向弹性变形，具备正向和侧向承载能力，侧向承载能力是正向的70%，单只垂直承载能力为300 kg，主要优势为自振频率低，阻尼比大，放大倍率低、抗冲击能力强，耐高温、腐蚀，安装方便[6-7]。减震器结构如图2所示。

图2 结构图Fig.2 Structure diagram

减震系统的静载特性如图3所示。钢丝绳隔震器静态特性表现出一种刚度由高到低的变频特性，在低

图3 滞回曲线Fig.3 Hysteretic curve

式中：m为设备质量；c为设备阻尼；k为设备刚度；p(t)为激振力。

减震器静刚度为：

a0=0.98 g ，

k=99.59×103(N/m)。

减震器承载质量为：

m=560 kg 。

承载质量固有频率为：

f0=12.48 Hz ，

W0=2πf0=78.374 rad/s 。

减震器组成的多自由度系统固有频率为：

ω=2πf=330.486 rad/s ，

隔振系数为：

隔振后设备加速度响应为：

A=a0×η=0.126 g 。

底部安装4个减震器的工况下固有频率为：

测试获取的减震系统传递特性如图4所示。

图4 减震系统传递特性曲线Fig.4 Transmission characteristic curve of damping system

2 机架减震系统测试

2.1 实验设计

将两个560 kg的机架通过底部两种安装方式固定在转接钢板上，在机架主框架及振动台上粘贴三向加速度传感器，输入人工合成地震波，获取两个核电抗震机架不同安装方式下的各关键位置的振动加速度响应和固有频率变化。

2.2 机架安装方式

核电机架分别采用底部焊接和安装减震器两种方式(见图5)。焊缝为角焊缝，熔深不小于1 mm，焊缝要求无夹渣、气孔和裂纹等。焊接位置共有8段，每段长度为150 mm，焊高为10 mm。底部四个减震器固定于机架与转接钢板之间。

图5 安装示意图Fig.5 Installation diagram

2.3 测试结果分析

输入0.2 g白噪声随机激励信号，频带范围覆盖0.5～100 Hz，获取机架的响应频率，固有频率测试结果如表1所示。焊接安装机架的固有频率明显高于减震器安装的机架，底部安装减震器的机架水平方向刚度低，侧向支撑力不足[7]。两种安装方式机架顶部加速度响应测点X、Y、Z三个方向加速度响应曲线如图6所示。在核电运行基准地震和安全停堆地震考核下，同时测试机架中部和顶部的X、Y、Z三个方向的加速度响应，响应数据如图7所示。

表1 不同约束条件下的机架固有频率Table 1 Natural frequency of the rack under different constraints

图6 地震加速度响应Fig.6 Seismic acceleration response

图7 不同约束条件下的机架地震加速度响应Fig.7 Seismic acceleration response of frame under different constraints

钢丝绳隔震器为非线性隔震器，输入人工合成地震波为大位移随机波，对隔震器的评价不采用传递函数来描述隔振效率，将设备加速度响应的幅值与激励信号的差异作为对非线性隔振效率的评价指标。由于安装刚度的差异，机架的最大加速度响应发生在机架的顶部。通过加速度响应数据分析可发现，底部安装减震器的机架水平加速度响应放大率为3.786，垂直方向为2.536；水平方向减震51%，垂直方向减震54%。可以得出，减震器在地震时发挥出减隔震作用。随着外界激励信号幅值的增大，钢丝绳隔震器刚度降低，固有频率降低，隔震频率远离激励频率，使隔震效果进一步增强。机架顶部响应测点X、Y、Z三个方向位移曲线如图8所示，顶部响应测点X、Y、Z三个方向试验响应反应谱对比如图9所示。

图8 地震位移响应Fig.8 Seismic displacement response

图9 试验响应反应谱对比Fig.9 Comparison of test response spectra

通过机架顶部位移数据和响应TRS比较可发现，减震器对高频振动敏感，对地震波中的低频成分减震效果不明显；垂直方向隔振效果明显，水平方向隔振效果不明显。垂直方向最高可减震54.02%加速度幅值，减震器减小地震中机架加速度响应的同时，增加机架顶部的位移，提高机架的偏移角度，对机架立柱结构的抗震性能考核等级高。由于减震器良好的高频耗能，使机架的加速度响应值小于刚性连接的安装方式，同时减震器的位移试验值大于刚性连接机架位移值，导致机架倾覆力矩变大，对水平刚度不足的现象还需进一步增加加固和限位措施，达到理想的减震状态。

3 结语

机架的减隔震系统采用先进的非线性刚度和非线性阻尼的设计理念，通过实验证实能起到对机架内设备的隔振、抗震与缓冲的作用。与传统的减震系统相比，具有环境适应性强，使用寿命长，安装方式多样，良好的缓冲抗冲性能，阻尼大，安装方便等优点。随着我国核电的大力发展，机架减震系统未来也可应用到海上核电站、海上浮动堆、核动力平台、核动力破冰船、核动力商船等项目上，以减小海浪冲击、地震等对设备安全性的影响。