类比鉴定在设备抗震鉴定中的应用

马渊睿， 朱翊洲， 张可丰， 谢永诚

(上海核工程研究设计院有限公司， 上海 200233)

抗震鉴定是为证明设备在承受安全停堆地震(SSE)期间和之后执行其安全功能的能力，核电厂中所有抗震I类设备均应进行抗震鉴定[1]。国家核安全局早在秦山一期核电厂安全评审时，已经明确了核安全设备必须经过鉴定的要求，没有通过鉴定并证明合格的设备不能出厂，更不能进行现场安装[2]。类比鉴定是指利用已有的设备鉴定数据，对相似特征的其他设备进行相似性推广的抗震鉴定方法。根据IEEE 344—2004 《核电厂1E级设备抗震鉴定实施方法》[3]描述，类比设备鉴定可以采用试验与分析相结合的鉴定方法。笔者结合项目案例，归纳类比鉴定在工程实践中的运用要素，探讨运用该类方法更好、更快地进行抗震鉴定的可行性。

1 类比鉴定方法

类比鉴定的特点是充分利用现有的鉴定成果，对鉴定设备进行科学合理的分析论证后，更加快捷、经济地完成大量相似设备的鉴定工作。西方先进核电国家在该领域的运用较多，设备鉴定范围遍及国外各大核电站，美国核管会(NRC)在最新2009版的《核电厂电气和机械设备抗震鉴定》管理导则(RG1.100)[4]中进一步规范相关方法的使用要求。我国在过去三十多年核电发展，尤其是设备国产化过程中完成了大量核安全设备的抗震鉴定任务，但就鉴定经验和技术与国外仍存在一定差距。目前在我国发布的各种标准和行规中对类比鉴定有简单描述，但缺少可操作性的鉴定要求和步骤，在某些

情况下进行了过多的试验鉴定(甚至是重复性试验)，这不仅增加了鉴定的成本，也阻碍了设备鉴定技术的进步。

抗震鉴定方法的选择应综合考虑设备类型、结构尺寸、现场安装、载荷情况和安全功能等。因此，根据项目实践经验，抗震鉴定中采用类比鉴定需明确以下两点：

(1) 确定合理的鉴定数据来源。一般情况下，设备鉴定的结论都需要得到试验或现场运行数据的支持。类比鉴定的数据来源主要来自相似设备的抗震鉴定试验，包括固有频率、振型、振幅、地震反应谱和地震响应等。因此选择有代表性的设备样机进行试验十分重要。

(2) 选择科学的类比分析方法。在获取必要的鉴定数据后，针对需要类比分析的物理参数，开展相关的鉴定分析，包括建立力学模型、关联试验和分析数据、合理性论证等。将分析所得结果与原始鉴定数据进行类比，以论证设备的结构完整性和功能完好性。

目前类比鉴定分析数据主要取自抗震鉴定试验，对于该类数据要求具有五个或更多单独物项的试验结果[3]，用于对待鉴定的相似设备作抗震鉴定。另外，也可通过脆弱性试验得到设备抗震失效数据，获得脆弱性失效曲线，以此对相似设备进行抗震鉴定。因此，类比鉴定的基本步骤(见图1)如下：

(1) 分析待鉴定设备的结构和功能特性，建立必要力学分析模型。

(2) 根据鉴定设备抗震能力确定分析数据的可靠性和关联性。

(3) 分析参考设备(已完成鉴定的设备)的结构和功能特性，建立必要力学分析模型。

(4) 待鉴定设备与参考设备的类比分析证明必要的相似性或包络性。

(5) 获得鉴定结论，并编制鉴定过程的文件。

图1 类比鉴定的基本流程

2 常规抗震试验的类比分析

2.1 类比法鉴定的前期准备

以某核电厂的主控室和远程控制室盘台的抗震鉴定为例，介绍运用抗震试验数据进行类比鉴定的方法。采用类比鉴定进行抗震鉴定主要基于以下两点：

(1) 主控室盘台的体积过大，试验台无法容纳所有盘台，且主控室各盘台的结构和部件功能具有相似性，可以选择具有典型结构和功能代表的盘台进行试验来获取合理的原始鉴定数据，并通过类比分析推广到其他盘台。

(2) 远程控制室盘台的结构、部件功能与主控室盘台具有相似性，且鉴定所用的地震输入相同，没有必要再进行重复抗震鉴定试验，可将主控室盘台的鉴定数据结果推广至远程控制室盘台，开展相关鉴定工作。

为满足IEEE 344—2004至少五个单独物项的要求，抗震鉴定试验需在主控室和远程控制室盘台中选择至少五个盘台样机。盘台样机不仅需具备典型结构，而且应具有功能代表性，包括所有盘台中的核级安全电气部件。基于以上要求，本项目选择的五个试验样机为主控室的主专用安全盘(PDSP)、次专用安全盘(SDSP)、高级反应堆操纵员控制台(SRO)、反应堆操纵员控制台(RO B/C)和多样化驱动系统盘(DAS)。

2.2 鉴定原始数据的获取

五个具有典型结构和功能代表的主控制室盘台抗震试验在三轴地震台进行，试验内容包括：

(1) 试验前后的动态特性探查试验。

(2) 5次1/2安全停堆地震(SSE)试验。

(3) 1次可接受的SSE试验

在抗震试验中、后，以及每次模拟地震后都需进行功能性测试，以检查其功能是否受影响。在样机外框架面板和核级安全部件附近安装足够数量的加速度传感器，记录试验过程中的振动反应。这些数据除鉴定本身的必要记录外，主要作用为：

(1) 作为后续类比分析的试验数据。

(2) 如果部件在无法通过抗震试验，则可将该试验数据作为该部件抗震试验的输入，无需重新进行整个盘台的试验。

抗震试验的结果表明：五个试验盘台在试验前后均能满足结构和功能的要求，而后续类比分析所需的鉴定数据(包括动态特性、地震输入和振动反应等)也通过试验时盘台上布置的多个加速度传感器获取。

2.3 类比分析过程

本项目的类比分析过程大致分为以下三步：

(1) 必须建立有限元验证模型，验证其适用性。验证主要是从模型的质量、频率和动态反应三个方面与试验结果进行比较。模型的建立和分析采用通用有限元分析软件ANSYS，分别对试验盘台的有限元模型进行静力学分析、模态分析以及动态时程分析，以验证其质量、频率和时程反应谱是否与试验结果相匹配。验证过程中，模型质量与盘台真实质量的误差在5%以内，模型的一阶主频与试验所测结果的误差在10%以内，模型的地震动态时程响应结果要与试验所测结果基本吻合。在满足以上要求后，便可证明此次有限元所建模型和方法的合理性，为类比法鉴定打下良好基础。该验证模型其他的一些计算结果也可以成为类比鉴定的依据。

(2) 按照验证模型的建模方法、参数设置和计算分析，建立主控室盘台的完整模型(见图2)，并对进行模态分析、谱分析和时程分析，以验证其结构应力、盘台内响应谱(IERS)是否满足抗震鉴定的要求。针对设备的结构和功能进行类比鉴定，结果表明：计算所得结构应力和相同部件安装处的IERS，都被试验数据和验证模型的计算结果包络(见图3)，曲线趋势相似，合理地证明了所有主控室盘台通过抗震鉴定。

图2 主控室盘台的完整模型

(3) 按照验证模型的建模方法、参数设置和计算分析，建立远程控制室盘台的完整模型，通过类比鉴定表明：计算所得结构应力和相同部件

图3 盘台某元器件附件IERS和试验响应谱(TRS)比较结果

安装处的IERS，都被试验数据和验证模型的计算结果包络，因此也能证明其设备的结构和功能满足抗震鉴定要求。

该项目通过类比鉴定的方法，成功地将抗震试验的鉴定数据推广至所有主控室和远程控制室盘台，以完成相应盘台的抗震鉴定。

3 脆弱性试验的类比鉴定

3.1 类比鉴定的范围选择

脆弱性试验的数据也可作为类比鉴定的原始数据。与常规抗震鉴定试验的性质不同，脆弱性试验属于破坏性试验，为验证设备的失效形式和抗震能力，需要不断提高地震输入，即使超过鉴定要求反应谱数倍。以某厂家生产的核级电磁阀为例，采用类比分析进行管道安装电磁阀的抗震鉴定主要基于以下两点原因：

(1) 管道安装部件的地震输入可统一采用要求输入运动(RIM)[5]，这有利于相关部件抗震鉴定结果的推广。

(2) 电磁阀对核电厂的供货较多，结构较为简单，部分不同型号的电磁阀结构形式相同、安全功能相同，仅尺寸大小或安装位置不同。可以选择具备典型代表的样机进行试验来获取合理的原始失效数据，并通过类比分析推广到该厂家生产的其他相似型号的核级电磁阀。

因此，该项目选择了具有典型结构和功能代表的某型二位三通电磁阀进行脆弱性试验，获取其试验失效数据，并通过类比分析对其他型号(主要是结构形式、安全功能相同)的电磁阀进行抗震鉴定。

3.2 鉴定原始数据的获取

准备典型结构和功能代表的某型号二位三通电磁阀试验样机38台进行脆弱性试验，试验采用单向电磁振动台进行(见图4)，试验内容参考IEEE 382—2006[5]包括：

(1) 试验前后的动态特性探查试验。

(2) 2次2/3SSE试验。

(3) 1次可接受的SSE试验。

(4) 超SSE试验。

图4 脆弱性试验现场

在抗震试验中、后，以及每次模拟地震后都需进行功能性测试，以检查其功能是否受影响。每次超SSE试验后需记录试验样机失效的形式和数量，在所有试验样机失效之前需不断提高振动台的输入运动。试验结果表明：电磁阀失效的形式主要是气体泄漏，主要因为振动引起的冲击力大于密封弹簧安装高度位置所产生的弹簧力，发生泄漏失效。统计所有样机失效形式和数量(见图5)，通过失效数据的可靠性分析得到该型号电磁阀的脆弱性失效曲线，获得置信度95%失效加速度的下限值为11.6g。

图5 失效数量累积方形图

3.3 类比分析过程

该项目的类比分析过程大致分为以下两步：

(1) 根据电磁阀结构特点和失效原因，建立力学简化模型，验证其模型的适用性。鉴于电磁阀的失效原因，其抗震能力取决于电磁阀密封弹簧提供的最大弹簧压力。针对该型电磁阀的结构特点，对其失效弹簧处进行力学模型简化(见图6)。通过下式(1)和式(2)计算其理论失效加速度：

FMF+FX=FMJ+T+maf

(1)

(2)

式中：FMF为弹簧力；FMJ为密封面处介质作用力；T为密封面的反作用力；m为弹簧铁芯组件质量；FX为由摩擦、装配等因素形成的阻力；af为理论最小失效加速度。故如不考虑摩擦、装配等因素产生的阻力，式(2)可计算得到理论最小失效加速度，而该结果也被试验结果证明为足够保守。

图6 力学简化模型

(2) 类比其他型号的电磁阀。将该型号电磁阀设计参数代入式(2)，计算得到其弹簧的失效加速度值为：

(3)

式中：g为重力加速度常数。

则理论最小失效加速度值为10.1g。该值大于RIM曲线(见图7)的峰值6g，小于试验分析失效加速度下限值11.6g，不仅可证明该型号电磁阀满足抗震鉴定的要求，而且力学简化模型也足够保守，可类比推广至该厂家生产的其他相似类型电磁阀。以另一型号的电磁阀为例，该电磁阀结构和安全功能与上述试验电磁阀相同，仅尺寸大小和弹簧材料有所不同。根据其设计参数，通过上述力学简化模型，计算得到其弹簧的理论最小失效加速度为：

(4)

图7 安全停堆地震要求输入运动(RIM)

故如不考虑摩擦、装配等因素产生的阻力，其理论最小失效加速度为35.2g，可满足抗震鉴定的要求，同时该计算值也被试验电磁阀结果证明为足够保守。因此，该力学简化模型可用于结构和功能相似的电磁阀产品类比抗震鉴定。

4 结语

类比鉴定属于抗震鉴定中的试验与分析相结合方法。通过以上典型电气和机械设备的项目实践，总结类比鉴定的关键要素为：

(1) 样机的筛选和适用范围的确定。

(2) 试验数据的收集以及与鉴定目标的关联。

(3) 分析模型的论证和类比推广。

(4) 鉴定结论的获取。

科学合理地运用类比分析进行抗震鉴定，可实现鉴定成果的最大化，大大缩短了设备鉴定的时间，节省了经费，也提高我国的鉴定技术能力。在设备大规模国产化和鉴定范围不断扩大的背景下，类比鉴定具有很好的经济性和工程运用

前景。

[1] 国家核安全局. 核设备抗震鉴定试验指南: HAF J0053—1995[S]. 北京: 中国标准出版社, 1992.

[2] 谢永诚, 王赤虎, 窦一康. AP1000设备鉴定要求及国内现有试验能力[J]. 核动力工程, 2011, 32(S1): 159-161.

[3] IEEE Standards Board. IEEE recommended practice for seismic qualification of class 1E equipment for nuclear power generating stations: IEEE Std. 344-2004[S].Newyork:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc, 2004.

[4] INTRODUCTION A. Seismic qualification of electrical and active mechanical equipment and functional qualification of active mechanical equipment for nuclear power plants: REGULATORY GUIDE 1.100[S].US: U.S. Nuclear Regulatory Commission, 2009.

[5] IEEE Standards Board. IEEE standard for qualification of safety-related actuators for nuclear power generating stations: IEEE Std. 382-2006[S]. Newyork:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc, 2006.