核仪控系统物项替换抗震评估方法研究及应用

郝则胜，张亚栋，王 嫘，高玉斌，周 洋，张 磊

(北京广利核系统工程有限公司，北京 100094)

0 引言

最初，核电厂仪控系统设备所开展的抗震鉴定通常由原来的设备供应商或制造商进行。供应商或制造商实施了质量保证程序控制，核电相关部门通常援引这些程序控制，以确保继续对用于原安装设备的替换物项进行抗震鉴定。目前，中国物项替换缺乏抗震技术评估方法[1]，因此，国内核电行业有必要改进物项采购程序，包括增加工程部门对确定采购要求和合格供应商的参与。美国核电行业制定了核电厂物项替换抗震技术评估的指导方针，以协助核电相关部门满足核电厂物项替换的需求。但是，这些指导方针并未包括对抗震技术评估的具体指导。

本文对替换物项的抗震技术评估方法进行研究，并结合物项替换的实际应用，提出适合国内核电仪控系统应用的物项替换抗震技术评估方法，对中国核电行业核安全级物项抗震技术评估具有很好的借鉴意义。

1 核电厂仪控系统物项替代抗震技术评估程序

对替换物项进行抗震技术评估，首先进行场景1地震不敏感物项评估；如不符合场景1的条件，转入场景2地震坚固物项评估；如不符合场景2的条件，转入场景3。前两个场景为常规评估，第三个场景是详细的地震充分性验证。

场景1：确定替换物项是否具有地震不敏感特性。地震不敏感物项实际上没有地震限制，因此不需要任何进一步的抗震技术评估。换句话说，它们在任何地点或方向都可以被抗震技术评估程序接受。

场景2：需要施加限制条件，使物项被归类为地震坚固物项，例如，典型的限制条件可能是对核电厂仪控系统设备的位置的限制条件。场景2的目的是确定地震坚固物项的差异是否会影响主机所需的地震充分性。

场景3：对于尚未确定为地震坚固物项或已知可能对地震敏感的物项，需要进行详细的地震充分性验证。

核电厂仪控系统抗震技术评估程序的三级评估场景[2]，如图1所示。

图1 抗震技术评估程序三级评估场景

2 物项替代抗震技术评估关键步骤

2.1 地震不敏感物项技术评估

地震不敏感物项是抗震技术评估三级评估场景中,对替换物项的第一级筛选。地震不敏感物项通常没有地震破坏机理。因此，地震不敏感物项可以在没有任何具体地震要求的情况下采购，其性能和可接受性不受地震荷载的影响。

地震不敏感物项的确定可以基于试验法、分析法或经验数据法。无论这些物项所承受地震载荷程度如何，这些物项都不会受到损害，而且这些物项及其主机的地震充分性也将得到维持。

在评估地震不敏感物项时，技术评估人员应首先审查现有地震不敏感物项清单。如果该物项不在核电厂的地震不敏感清单上，则应按照相关标准方法进行评估；如果该物项满足地震不敏感的要求，则可将其添加到核电厂的地震不敏感清单中。一旦确定某物项对地震不敏感，就可以在没有具体地震要求的情况下采购。

抗震技术评估流程如图2所示。

图2 抗震技术评估流程图

确定物项地震不敏感的方法有以下几种[3-5]。

(1)该物项对主机的动态特性影响很小，替换后主机的固有频率保持相似。通常，对于简单的物项，可以通过证明物项质量的潜在变化是主机质量的一小部分来证明。抗震技术评估还必须考虑离心率或质心变化的影响，并证明轻微的变化不会影响主机的动态特性。这就确保了物项替换引起的质量变化的影响可以忽略不计，从而排除了跟踪质量变化累积效应的需要。本文给出了确定主机固有频率保持相似的方法，具体参见第3节。

(2)物项不机械地改变状态(如阀门)或机电地改变状态(如继电器、断路器)，也不损害主机的安全功能。

(3)物项不在主机的地震荷载路径中，或者没有地震破坏失效模式。①是否在地震荷载路径，技术评估人员可以通过分析地震荷载路径来确定。地震载荷路径中的物项将被视为将主机固定在一起的物项。除因物项本身的惯性而产生的地震荷载外，物项内的应力(如轴承、弯曲、张力或剪切)不因地震荷载而增加，则可判定为物项不在地震载荷路径之中。②没有地震破坏失效模式。技术评估人员可以通过分析、测试或经验数据来完成。一般来说，证明该物项的地震能力超过任何地震荷载对物项的破坏能力。

2.2 地震坚固物项技术评估

地震坚固物项是抗震技术评估三级评估场景中,对替换物项的第二级筛选。地震坚固物项是指在地震荷载超过物项设计应用所需地震要求的条件下，预期能保持物项所要求的地震适应性。

2.2.1 地震坚固物项限制条件

地震不敏感物项和地震坚固物项的主要区别是：地震不敏感物项可以作为不受地震限制的替换物；而地震坚固物项则有其局限性，必须为地震坚固物项清单中的每个物项确定其适用的限制条件。

限制条件是根据记录在案的地震能力所确定的，并确保替换物项保持该物项及其主机的地震充分性。这些限制条件可以分为两类。第一类与地震需求有关，为地震包络条件，通常用地震反应谱来表示。第二类限制条件涉及对替换物项施加的任何其他限制条件，为特定条件，以确保记录在案的地震能力适用于替换物项(即设计和安装方面相似)。当地震坚固物项的地震包络条件和特定条件得到满足时，该物项及其主机的地震充分性将得到满足。

纯粹的结构物项(螺栓、螺母、垫圈等)是地震坚固物项。这些物项没有地震包络条件，但与材料强度、尺寸和安装有关的限制条件需要满足特定条件。

进行地震坚固物项评估时，技术评估人员应首先审查核电厂特有的地震坚固物项清单。如果该物项不在核电厂的地震坚固物项清单上，应按照相关标准方法进行评估；如果该物项符合地震坚固物项的要求，则可添加到核电厂的地震坚固物项清单中。

2.2.2 地震坚固物项作为替换物项的判定条件

技术评估人员在评估地震坚固物项是否可判定为可接受的替换物项时，须证明该物项符合限制条件。如满足以下两点，则该物项可以作为地震坚固物项采购。①地震包络条件覆盖了物项的地震需求。证明所安装的物项具有较高的裕量，即地震反应谱、峰值加速度、较低的地面高度或较低的放大率等地震需求参数均满足物项的地震需求。②物项的质量属性包络定义的特定条件。证明该物项具有与特定条件相同或更高的质量属性(例如，强度更大、延展性增加等)。

2.2.3 地震坚固物项的评估方法

在进行地震坚固物项评估时，技术评估人员应审查现有的分析文件、鉴定报告、试验和地震经验数据库，以确定是否为替换物项提供了适用的地震充分性信息。

物项的地震能力和设计/安装属性限制条件通常是从现有的地震能力文件中得出的，也可以进行地震充分性分析。为确定某一物项是否为地震坚固物项，必须对适用的文件进行审查，以确定地震的包络条件和物项的特定条件。

确定地震坚固物项的方法如下。

(1)物项为不具有潜在可操作性的敏感物项。

(2)物项对主机的动态特性的影响是可以接受的，证明方法参见第3节。

(3)确定地震边界条件。地震边界条件包括以下几个部分。①根据现有的地震资料或地震充分性，分析确定一个物项的地震充分性。②确定物项所需的主机，并确定因主机结构而产生的任何放大效应。此外，还应界定建筑物的高度，利用主机安装位置和振幅，确定地震需求(例如，反应谱、位移、峰值加速度等)。然后，将预期替换物项的地震需求与地震充分性文献中的地震能力进行比较。③确定用于确保地震坚固物项的地震包络条件，并将其列入地震坚固物项清单。这些条件可以用地震能力(反应频谱、峰值加速度等)或应用限制(主机位置、建筑高度等)来表示。

技术评估人员应审查地震充分性文件，以确定适用于地震能力的限制条件。对物项的限制条件应满足核电厂许可证的要求，具体限制条件包括制造/型号/年份、有关物项的地震设计属性的条件及安装条件。地震设计属性与物项的资格鉴定方法相关联，包括：物项相对于其附件或锚地的质量；物项的刚度；受材料、截面特性和结构影响的物项强度；物项锚固方法(支撑位置等)；物项锚固强度；重要或精密装置或电气干扰的间隙、公差和允许载荷；物项的附件(管道、电缆、电气导线等)；物项的固有频率；物项的可动子部件(受地震引起的运动影响)。

技术评估人员应对物项替换活动的要求(例如设计和安装细节)进行审查，确保与现有地震充分性文件的限制条件一致。将物项列入核电厂的地震坚固物项清单，并界定特定条件，以涵盖地震充分性文件中充分反映替换条件的所有情况。地震坚固物项为纯结构物项的特定条件应与材料、尺寸和安装有关。材料特定条件为最小强度、延展性和高温下的特性等；尺寸特定条件为螺栓直径、螺纹长度、每英寸(1英寸=25.4 mm)螺纹和头样式等。安装特定条件如螺栓拧紧扭矩值。

3 核电厂仪控系统物项替代抗震技术评估主机动态特性相似证明

证明物项替换后主机动态特性是否保持相似，首先应确定主机动态特性的主要影响因素。本文以单自由度有阻尼自由振动系统为例，介绍动态特性的主要影响因素[6-10]。单自由度有阻尼自由振动系统的力学模型如图3所示。

图3 单自由度有阻尼自由振动系统力学模型

图3中：k为振动系统刚度；c为振动系统阻尼；m为振动系统质量；x为质点位移。

根据牛顿第二定律，建立具有黏性阻尼的自由振动微分方程：

(1)

对式(1)进行变形，得：

(2)

令：

式中：ζ为阻尼比；ωn=2πfn，与固有频率直接相关，fn为固有频率。

综上可知，结构的固有频率为：

(3)

从式(3)中可以看出，结构固有频率只与系统的刚度和质量有关。在确定物项对主机的动力学影响时，物项对主机动态特性的影响主要是分析其对刚度和质量的影响，进而分析对主机固有频率的影响。

根据GB 50267-1997 核电厂地震设计规范对地震设计中计算模型的基本要求，得出物项对主机动态特性影响程度影响评判标准[5]：假设替换物项作为子体系，其质量变化为m1；主机质量为m。子体系质量与主体结构的质量之比为λ，规定如下。①若λ<0.01。不考虑物项作为子体系的刚度影响。②若0.01<λ<0.1。当物项作为子体系的基本频率与主机的主导频率之比小于等于0.8或者大于等于1.25时，不考虑物项为子体系的刚度影响。③若物项与主体结构式柔性连接，不计入子体系的刚度的影响。④主机动态特性变化，可由式(3)求得。

评价标准：主机结构固有频率变化小于10%，认为物项替换引起的主机动态特性与原主机动态特性保持相似。

4 物项替换抗震技术评估应用实例

某核电站工程样机鉴定于2013年4月底完成了设备鉴定试验。A光缆终端盒也属此设备鉴定的范围，且设备鉴定合格。后期，因A光缆终端盒厂家停止生产，核电站需要采购B光缆终端盒替换A光缆终端盒，因此，需要对B光缆终端盒进行抗震技术评估。

根据第1节抗震技术评估流程，确定对B光缆终端盒进行抗震技术评估。首先，需要判断B光缆终端盒是否属于地震不敏感物项，即B光缆终端盒是否满足第2节确定物项地震不敏感的方法。证明过程如下。

②光缆终端盒的作用是为光缆提供安装接点。其本身不机械地改变状态或机电地改变状态，也不损害工程样机的安全功能。

③光缆终端盒除因本身的惯性而产生的地震荷载外，光缆终端盒内的应力不因地震荷载而增加。因此，可以证明光缆终端盒不在主机的地震荷载路径中。

由以上证明过程，可以判定B光缆终端盒为地震不敏感物项。根据图2，文件记录B光缆终端盒的地震不敏感特性，并直接采购抗震技术评估合格的B光缆终端盒。

为验证核电厂仪控系统物项替换抗震技术评估方法的正确性，对B光缆终端盒进行单独的抗震试验。试验结果表明，B光缆终端盒具备良好的抗震性能，从而证明了核电厂仪控系统物项替换抗震技术评估方法正确可行。

5 结束语

本文对美国EPRI相关导则、标准进行研究，提出核电厂仪控系统抗震技术评估程序的三级筛选和评估场景及抗震技术评估流程图，利用单自由度有阻尼自由振动系统模型，得到结构动态特性的主要影响因素。针对地震不敏感物项及地震坚固物项,提出动态相似的具体证明方法；结合国内核电厂仪控系统某光缆终端盒替换实例，提出适合国内核电行业应用的核电厂物项替换抗震技术评估方法。该研究对中国核电行业核安全级物项抗震技术评估具有借鉴意义。