非能动核电厂1E级阀门电动装置的鉴定与试验

郑开云，陈 智

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

三代非能动核电厂(CAP系列核电厂)是我国在引进、消化、吸收美国西屋公司AP1000非能动技术的基础上，通过创新开发的具有自主知识产权的大型先进压水堆核电机组[1-3]。为了满足三代非能动核电厂示范工程建设需要，大量的核安全级设备正在进行国产化开发。我国从事核电阀门驱动装置设计制造的单位开发了用于三代非能动核电厂的1E级阀门电动装置，这也是首批实现国产化的三代核电厂设备之一。三代非能动核电厂1E级阀门采用直流电动装置[4]，相比现有的二代核电厂使用的交流电动装置，其设计、制造的难度更大，同时鉴定试验的要求也显著提高。电动装置样机需经历电磁兼容性(electromagnetic compatibility，简称EMC)、热老化、热循环、辐照老化、磨损老化、正常循环加压、振动老化、抗震和设计基准事故模拟等鉴定试验。

本文介绍了国内自主研发的三代非能动核电厂1E级阀门直流电动装置样机的设计和鉴定要求，并详细阐述了样机鉴定试验过程，探讨了抗震试验、设计基准事故试验中的技术问题及解决方案，为从事核电设备鉴定的机构和其他相关的核电设备研制单位提供借鉴。

1 电动装置及其鉴定要求

1.1 电动装置设计

阀门驱动装置，包括电动、气动、液压、电磁致动器等，用于打开、关闭阀门，或调节阀门开度，从而实现阀门的远程控制。在三代非能动核电厂中，有100多个1E级阀门驱动装置，其中大部分是电动和气动装置。

三代非能动核电厂中的1E级电动装置由直流电动机驱动，用于操作截止阀、闸阀和蝶阀。电机的额定电压为220VDC。电动装置的安全功能是在需要时打开或关闭阀门。在三代非能动核电厂中，1E级电动装置为抗震I类和安全级C类，电动装置的设计寿命为60年。安装在安全壳内部和外部的电动装置，分别对应严酷和缓和环境条件。

电动装置是机械部件和电气部件的组合，基本结构如图1所示。机械部件采用金属材料制造，其对于环境老化的影响可忽略不计。但是，电气部件容易受到环境老化的影响。有机材料用于制造元器件，如：电动机、限位开关、扭矩开关、电气端子、端子块、垫圈和O形环，以及润滑剂，它们易受核电厂长期服役期间的老化因素的影响，可能的因素有：温度、辐照、压力、机械振动、湿度、化学喷淋、浸没等。蜗杆、蜗轮、轴承等运动部件还可能在长期运行中发生磨损。这些都需要在设计和鉴定过程中全面考虑。

图1 电动装置示意图Fig.1 Schematic diagram of an electric actuator

1.2 鉴定要求

开展设备鉴定的目的是验证设备在设计基准事故(Design Basis Accident，简称DBA)期间和之后能够执行安全相关的功能，从而减少服役过程中由环境引起的设备共模失效的可能性。

三代非能动核电厂1E级电气设备的鉴定包括三部分，即环境鉴定、抗震鉴定和电磁兼容性鉴定[5]。鉴定范围须覆盖核电厂所有安装位置(安全壳内和壳外)的服役工况，包括正常、异常和DBA运行环境。鉴定主要遵循电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，简称IEEE)发布的核电设备鉴定标准，并兼顾规范书中其他特定的鉴定要求[6]。

三代非能动核电厂1E级阀门电动装置的寿命是60年。电动装置在正常、异常运行和DBA环境中遭受环境老化作用而发生性能退化。在DBA之前，样机应经受相当于60年服股的老化试验。对于给定的鉴定寿命目标，没有适当理由不允许在鉴定程序中更换或维护样机。在鉴定大纲中环境参数的选择应包含核电厂安全壳内部和外部的所有安装位置的正常、异常和DBA工况。

2 鉴定试验方案

2.1 鉴定试验样机

1E级直流阀门电动装置应具有同样的材料、结构形式、功能、安装方式和制造工艺，故其鉴定试验可按照IEEE 382-2006 附录A 选择有代表性的电动装置样机进行[7]。该方法根据外推概念，以偏离平均值50%～100%来确定外推值以确定鉴定试验有代表性且合理数量的样机。

2.2 鉴定试验序列

电动装置鉴定采用型式试验方法，包括基本功能试验、环境鉴定试验、抗震鉴定试验和EMC鉴定试验等，鉴定试验必须按规定的序列进行。电动装置鉴定试验序列见表1，该鉴定试验序列制定的原则是将IEEE 382-2006标准的要求和规范书的要求进行融合，并充分考虑了实施过程的可操作性。

表1 鉴定试验序列

注：*鉴定规范书中的特定要求

电动装置的功能试验根据规范书规定来确定，主要包括：

(1)空载动作试验：在额定电压下、72%电压下以及110%电压下分别实施试验样机的开、关方向动作；

(2)带载动作试验：在额定电压下、72%电压下以及110%电压下，并使转矩控制开关设定在额定转矩值，分别实施试验样机的开、关方向动作；

(3)堵转试验：在72%电压下实施试验样机电机的堵转试验。

3 鉴定试验结果

3.1 EMC试验

EMC试验用于验证电动装置产生的电磁干扰不会影响核电厂正常运行，验证其自身的抗电磁干扰的能力，以判断安全级设备在受到电磁干扰时能否正确执行其规定的功能。

样机的EMC试验按照NRC RG 1.180文件要求执行[8]，采用了相应的MIL-STD-461E标准和IEC 61000-4系列标准，包括发射试验和抗扰度试验，所完成的试验项目见表2，试验结果表明，电动装置样机满足EMC鉴定验收要求。

表2 EMC试验项目

3.2 环境老化试验

环境老化试验的目的是检验电动装置样机到达寿命末端的状态[9]，通过样机在DBA试验前经受等同于设备在正常服役期间由温度、辐照、机械磨损、外压、振动等老化因子引起的对其材料或结构的退化作用，以判断样机是否仍可执行规定功能。

样机经历的环境老化试验包括热老化、热循环、辐照老化(含γ和等效的β辐照剂量[10])、磨损老化、正常循环加压、振动老化等，鉴定试验参数见表3。各项鉴定试验后的功能试验结果表明样机功能正常，各项指标均在规定的偏差范围内。

表3 环境鉴定试验参数

3.3 抗震试验

通过抗震试验及功能试验验证了样机在地震工况下以及经受地震载荷作用之后仍能执行安全功能的能力。抗震试验项目包括运行基准地震(Operating Basis Earthquake, 简称OBE)试验和安全停堆地震(Safe Shutdown Earthquake, 简称SSE)试验。OBE试验采用沿三个正交方向的单轴正弦扫频方式实施，SSE试验分为正弦拍波要求输入运动(Required Input Motion, 简称RIM)试验和多频波要求响应谱(Required Response Spectrum ,简称 RRS)试验，并且需在抗震前后进行共振频率探查试验。基本的试验结果如下：

(1)OBE试验

对样机的每个正交轴向进行加速度幅值为2/3停堆值的正弦扫频振动试验，如图2所示。实际试验的加速度幅值应增加10%裕度。共包括2次2Hz～64Hz～2Hz 的单轴正弦扫描试验，扫频速率为 1倍频程/min。两次扫频时，样机分别处于开启和关闭位置。

(2)RIM试验

对样机在每个正交轴向进行一系列的单轴正弦拍波试验，频率范围为2Hz～64Hz。在2Hz～32Hz频率范围内以1/3倍频程间隔进行，在32Hz～64Hz频率范围内以1/6倍频程间隔进行，加速度幅值如图2所示，实际试验的加速度幅值应增加10%裕度。如果样机存在小于64Hz的共振频率，则还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秒。在每个频率拍波时，样机在定电压下完成至少一次带载动作循环。

图2 要求输入运动Fig. 2 Required input motion

(3)RRS试验

对样机进行三轴随机多频试验，水平方向和垂直方向同时进行激励，持续时间30s，其中强震部分20s。频率范围1～100Hz。实际试验的加速度应增加10%裕度，以保证试验响应谱(Test Response Spectrum，简称TRS)包络RRS。RRS如图3所示，对应的阻尼比为3%，图中最顶层的谱线包络电动装置在核电厂中的全部安装位置，作为试验用的RRS。试验过程中，样机应在规定电压下完成至少一次带载动作循环。

由于三代非能动核电厂设备抗震试验要求非常高，而国内缺乏高性能的试验台架[11-13]，所以需要对采用单一的三轴液压振动台(地震模拟振动台)试验方案进行优化，主要体现在以下两方面：

(1)对于RIM试验，包括OBE正弦扫频和SSE正弦拍波试验，无法在一个试验台上完成全部试验，考虑到低频部分位移大、高频部分加速度大的特点，采取液压振动台和电磁振动台分台试验，分别解决低频和高频部分的试验。

(2)对于RRS试验，采用三轴液压试验台，但试验台可以达到的位移和速度有限，试验响应谱无法包络RRS谱线低频部分，考虑到电动装置共振频率在5Hz以上，所以3.5Hz以下可以不包络，因此在RRS试验时重点确保高频部分能够包络要求谱线。

图3 RRS试验响应谱Fig. 3 Response spectrum of RRS test

3.4 设计基准事故试验

DBA试验模拟核电站DBA期间及之后的环境条件，用以考核样机在此事故环境条件下的安全功能，以及必要的机械完整性和电气完整性。DBA试验包络线如图4所示。

图4 DBA试验温度和压力包络线Fig. 4 Temperature and pressure profile for DBA test

样机连同模拟负载安装于DBA试验容器内(见图5)，试验持续时间共30天，包括24小时的化学喷淋。三代非能动核电厂设备鉴定DBA试验的特点是初始拉峰过程温度和压力上升速率较快，特别是要求容器内温度由试验环境温度在18秒钟内升温至峰值温度226℃(含+8℃裕度)，试验难度较大，DBA试验台架需要充足的蒸汽蓄能罐，多个蒸汽喷射入口，从而实现快速拉峰过程[14]。

图5 DBA试验样机安装照片Fig. 5 Installation of specimens for DBA test

在安全壳内的DBA事故，即失水事故，最终会导致安全壳内置换料水箱释放冷却水淹没堆芯[15]，在这种工况下，标高较低的阀门会被淹没，所以这部分阀门的电动装置也会经受DBA事故后的水淹环境。在完成上述的30天DBA模拟试验后，两台样机浸没于规定压力、温度和化学条件的硼酸溶液中，完成72小时的浸没试验。

试验结果表明，试验环境参数实测曲线包络目标曲线。试验期间样机在规定时间点完成带载动作，说明样机在模拟LOCA事故过程中、事故后以及水淹事故中能够保持其安全功能。

4 结论

三代非能动核电厂1E级阀门直流电动装置样机通过一系列鉴定试验，结果表明样机可以承受鉴定规范书要求的正常、异常和DBA及SSE的考验，可以确保执行启、闭阀门的功能，该系列1E级直流电动装置具备在核电厂服役过程中执行规定的安全功能的能力。同时，也表明国内已掌握该核电堆型用1E级直流电动装置设计和制造的核心技术，并具备设备鉴定的能力。