先进压水堆核电站核岛通风空调系统设备鉴定研究

1、先进压水堆核电站核岛通风空调系统设备鉴定研究 摘 要：文章通过对第三代先进压水堆核电站核岛通风空调系统核级设备样机鉴定进行分析，总结出适用于核岛通风空调系统核级关键设备包括风机类、风阀类、空调类和净化类的样机选择原则、鉴定方法的选择、包络性地震载荷的确定、鉴定的实施和鉴定结论。该鉴定总结对于其他核电站通风空调系统核级设备的鉴定具有较高的参考价值和指导意义 关键词：通风空调系统；设备鉴定；环境鉴定；抗震鉴定；鉴定方法 引言 核电站核岛通风空调系统对于核电站正常运行和环境保护起着重要的作用，是反应堆重要的辅助屏障系统，也是核电站的纵深防御措施之一。通风空调设备是核岛通风空调系统的重要组成部分，对于

2、核安全级（简称核级）的通风空调设备，需要进行鉴定以验证其在规定的使用条件下具备所要求的功能能力。核岛通风空调系统的主要设备包括风机类、风阀类、空调类和净化类，因设备功能不同，这些设备类别又分为多种系列、型号和规格，选择有代表性的样机进行鉴定成为必然。文章在目前国内在建的某第三代先进压水堆核电站核岛通风空调系统关键设备的研制基础上，对鉴定样机的选择原则、鉴定方法的选择、鉴定输入条件、鉴定内容、鉴定结论进行了分析总结 1 设备鉴定 1.1 设备鉴定的目的 根据NB/T 20036.11，设备鉴定的目的是证明被鉴定设备在规定的使用条件下具备所要求的功能能力，并产生相应的证据 1.2 设备的分级 HA

3、F1022在设计总准则一章中针对核电厂的设计提出了“必须明确规定构筑物、系统和部件的全部安全功能。构筑物、系统和部件必须按其安全的重要性进行分级。”从而根据其安全级别对物项的设计和评定提出相应的鉴定要求。根据TS-X-NIEP-TCYV-DC-200013，第三代先进压水堆核电站核岛通风空调设备功能安全分级、电气分级、地震分级之间的对应关系如表1所示 1.3 设备鉴定的内容 设备鉴定包括设备的环境鉴定和抗震鉴定，只有经过设备鉴定合格的设备，才能用于核设施。环境鉴定是验证设备在正常与事故环境条件下的性能，环境鉴定包括长期正常运行工况下的老化鉴定和事故环境工况下的LOCA鉴定；抗震鉴定是验证设备在

4、地震载荷的作用下能否正常工作，保持其要求的性能，以履行其安全功能 针对国内在建的某第三代先进压水堆核电站核岛通风空调系统关键设备，依据该项目设备技术规格书以及相关规范标准，如TS-X-NIEP-TCYV-RN-200544、BTR67C003035、HAF J00536、NB/T 20036.2-20117、IEEE 334-20068等的要求，选择了8台代表性样机。样机的选取原则是：每种类型的设备选择一台有代表性的进行鉴定，所选择的代表性样机是本类型设备系列中工况条件最恶劣的。8台样机的鉴定要求如表2所示 1.4 设备鉴定的方法 对于设备的环境鉴定，一般采用试验方法； 对于设备的抗震鉴定，可

5、采用试验法、分析法、相似法、经验法或以上方法的适当组合 2 设备的环境鉴定 从表2可知，8台样机没有事故环境工况下的LOCA鉴定要求。本课题所涉及的电气设备鉴定要求均为K3。这些电气设备均按RCC-E9的要求进行了环境鉴定或者被已作环境鉴定的同类设备所包络。对于样机本身，需作环境鉴定的是设备中含有的一些环境敏感的非金属材料，如密封垫、润滑脂和油漆，这些材料的环境鉴定均按NB/T 20036.310规定的试验方法进行 3 设备的抗震鉴定 3.1 抗震鉴定方法选择的一般原则 抗震鉴定方法的具体应用应遵守NB/T 20036.11的要求。在选择抗震鉴定方法时宜考虑待鉴定设备的安全功能、可能的失常、可

6、利用的鉴定资源以及设备类型、尺寸、形状、复杂性，是否实际可行，是否只凭结构完整性就可评定所要求的安全功能，结论的可靠性等 对于非能动机械设备的抗震鉴定，选择分析法进行；对于无核电厂使用经验的能动机械设备，应采用试验法鉴定其原型设备（特殊情况除外） 抗震分析法是采用有限元分析的方法，利用ANSYS程序计算设备的固有频率，然后采用谱分析（计算时采用的地震载荷谱为该项目同一类型同一结构型式的所有核级设备地震谱的包络谱）与静力分析相结合的方法计算设备在自重、压力、风管载荷（如有）以及地震载荷共同作用下的应力和变形，并根据相关标准进行应力评定 抗震试验法鉴定的试验过程如下： 基准试验：检验正常运行条件下

7、的功能，并取得基准数据； 老化试验（如有）：热老化、辐照老化、运行老化（磨损、振动）； 地震试验：规定地震条件下的振动和功能试验； 最终检验：即最后的功能试验，以便与基准试验比较 3.2 核级通风空调设备的抗震鉴定过程和结论 3.2.1 核级密闭型离心风机和核级高压轴流风机的抗震鉴定过程 核级密闭型离心风机和核级高压轴流风机的抗震鉴定采用试验法进行。电机作为风机的配套设备，与风机一起进行抗震试验，电机本身则采用相似法进行验证。抗震试验的内容和顺序如下： （1）基准试验，包括：外观及尺寸检查、动平衡检验、机械运转试验、性能试验 （2）极限工况性能，即20%超速试验 （3）事故工况试验 即地震试验

8、，试验采用多频波法在试验设备的三个正交轴向同时输入人工模拟加速度（取地震阻尼比为4%时楼层反应谱的包络谱水平方向和垂直方向的最大加速度）时程进行激振。采用地震台台面的加速度信号作为控制信号完成5次1/2DBE和1次DBE地震试验，每次试验时间30s。在模拟核安全事故工况下，风机可靠运行。该试验在中国核动力设计研究院核级设备鉴定实验室完成。 楼层反应谱的包络谱是按照核级风机所处的厂房和标高，选择每个厂房最大的楼层反应谱，然后对所选择的楼层反应谱以4%阻尼比的曲线进行包络分析得到核级风机的SSE包络谱； （4）最终检验，是地震试验后的功能试验，与基准试验进行比较 抗震试验结果表明，核级密闭型离心风

9、机和核级高压轴流风机样机在正常工况下以及事故工况下都满足规范的要求 3.2.2 核级密闭型隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀的抗震鉴定过程 核级密闭型隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀的抗震鉴定采用分析法和试验法相结合的方法进行 （1）分析法的抗震鉴定过程 对核级密闭型隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀进行抗震分析与应力评定，验证结构的完整性，分析过程中采用有限元分析方法 考虑核级风阀垂直管道和水平管道安装方式，以及最不利的风管安装方式的核级风阀开、关两个位置建立有限元模型 确定边界条件：在进行模态分析时，核级风阀的边界条件是将风阀与风管连接的所有螺栓的对应节点进行固定约束；在进行风阀抗震分析时，模

10、型边界条件为在支架和预埋板焊接处的相应节点上固支约束 确定载荷组合和地震载荷，地震载荷采用核级风阀楼层反应谱的SSE包络谱 确定评定准则，包括设备应力限值，支承件应力限值，变形限值，连接螺栓应力评定准则 利用ANSYS程序计算核级风阀的固有频率，然后采用谱分析的方法计算核级风阀在自重、压力、地震载荷共同作用下的应力和变形。计算和评定的内容有：模态分析，地震响应分析，各使用等级下计算和评定（包括应力分析结果及评定，变形分析结果及评定，轴的评定，连接螺栓的评定） 依照RCC-M11规范对结构进行强度评定，结构的变形参考ASME AG-112以及BTR67C0050313进行评定。结果表明核级密闭型

11、隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀的设计满足规范的要求 （2）试验法的抗震鉴定过程 核级密闭型隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀分别采用垂直管道和水平管道两种安装方式进行抗震试验以实现包络。电动装置作为核级密闭型隔离风阀的配套设备，与核级密闭型隔离风阀一起进行抗震试验。电动装置本身也按IEEE 382-200614采用抗震试验的方法单独进行验证 a.基准试验，包括：外观及尺寸检查、动作灵活性试验、外泄漏试验、内泄漏试验 b.极限工况试验，包括：叶片变形量试验、最大耐压试验 c.性能随时间变化试验，包括：500次循环试验、循环试验后外观及尺寸检查、循环试验后外泄漏试验、循环试验后内泄漏试验 d.事故

12、工况试验 即地震试验，试验采用多频波法在试验设备的三个正交轴向同时输入人工模拟加速度（取地震阻尼比为4%时楼层反应谱的包络谱水平方向和垂直方向的最大加速度）时程进行激振。采用地震台台面的加速度信号作为控制信号完成5次1/2DBE和1次DBE地震试验，每次试验时间30s。在模拟地震试验过程中及试验后，风阀能够保持结构完整性的同时，也能实现其功能。该试验在中国核动力设计研究院核级设备鉴定实验室完成 e.最终检验，是地震试验后的功能试验，与基准试验进行比较 抗震试验结果表明，核级密闭型隔离风阀和核级多叶密闭型止回风阀样机在正常工况下以及事故工况下都满足规范的要求 3.2.3 核级冷风机组的抗震鉴定

13、核级冷风机组的抗震鉴定采用分析法进行。风机作为核级冷风机组的配套设备，与核级冷风机组一起进行整机的抗震分析，风机和电机本身的能动性则通过相似法被已通过鉴定的同类设备所包络 首先，对核级冷风机组的结构特点进行分析，建立有限元模型，确定边界条件，分析材料特性； 其次分析载荷条件，分别对自重（DW）、压力（P）和地震载荷进行分析，确定使用等级及对应的载荷组合方式，地震载荷采用核级冷风机组楼层反应谱的SSE包络谱； 然后确定评定准则，包括应力评定准则、变形评定准则和连接螺栓评定准则； 接着进行计算得出结果并根据RCC-M11和ASME AG-112对结果进行评定，分别得出模态分析结果、地震响应分析结果

14、、各使用等级下计算结果及评定（包括应力分析结果及评定、变形分析结果、连接螺栓评定、预埋板载荷）； 最后依照RCC-M11规范对结构进行强度评定，结构的变形参考ASME AG-112进行评定。结果表明核级冷风机组的设计满足规范的要求 3.2.4 核级高压致密型过滤器箱体的抗震鉴定 核级高压致密型过滤器箱体的抗震鉴定采用力学分析法进行 首先，对核级高压致密型过滤器箱体的结构特点进行分析，建立有限元模型，确定边界条件，分析材料特性； 其次分析载荷条件，分别对自重（DW）、静压（P）、风管施加的载荷（W）和地震载荷进行分析，确定使用等级及对应的载荷组合方式，地震载荷采用核级高压致密型过滤器箱体楼层反应

15、谱的SSE包络谱； 然后确定评定准则，包括应力评定准则、连接螺栓评定准则和稳定性评定准则； 接着进行计算得出结果并根据RCC-M11对结果进行评定，分别得出模态分析结果、地震响应分析结果、各使用等级下计算结果及评定（包括应力分析结果及评定、变形分析结果、连接螺栓评定、预埋板载荷、焊缝强度校核、稳定性（屈曲）分析和评定）； 最后依照RCC-M11规范对结构进行强度评定，结构的变形参考BTR67C0070315进行评定。结果表明核级高压致密型过滤器箱体的设计满足规范的要求 3.2.5 核级预过滤器/高效过滤器排架的抗震鉴定 核级预过滤器/高效过滤器排架的抗震鉴定采用力学分析法进行 首先，对核级预过

16、滤器/高效过滤器排架的结构特点进行分析，建立有限元模型，确定边界条件，分析材料特性； 其次分析载荷条件，分别对自重（DW）、静压（P）和地震载荷进行分析，确定使用等级及对应的载荷组合方式，地震载荷采用核级预过滤器/高效过滤器排架楼层反应谱的SSE包络谱； 然后确定评定准则，包括应力评定准则和连接螺栓评定准则； 接着进行计算得出结果并根据RCC-M11对结果进行评定，分别得出模态分析结果、地震响应分析结果、各使用等级下计算结果及评定（包括应力分析结果及评定、变形分析结果、连接螺栓评定）； 最后依照RCC-M11规范对结构进行强度评定，结构的变形参考BTR67C0070315进行评定。结果表明核级

17、预过滤器/高效过滤器排架的设计满足规范的要求 3.2.6 DVD分体式核级空气处理机组的抗震鉴定过程 DVD分体式核级空气处理机组由4部分组成，分别为：DVD-AHU通风机组、DVD-AHU压缩机机组、DVD-AHU室外机组和DVD-AHU就地控制柜，采用冷媒管路和电缆将4部分连接而成的整套机组 DVD分体式核级空气处理机组均安装在同一厂房同一标高的楼层上，选择4%阻尼比的曲线作为其SSE反应谱 4 结束语 文章对第三代先进压水堆核电站核岛通风空调系统设备：核级密闭型离心风机、核级高压轴流风机、核级密闭型隔离风阀、核级多叶密闭型止回风阀、核级冷风机组、DVD分体式核级空气处理机组、核级高压致密

18、型过滤器箱体和核级预过滤器/高效过滤器排架的鉴定分别进行了总结，对核岛通风空调系统设备的抗震鉴定如何应用规范标准进行了分析总结，总结出适用于核岛通风空调系统关键设备的样机选择原则，鉴定方法的选择，包络性地震载荷的确定，鉴定的实施，和鉴定结论。该鉴定总结对于其他核电站核岛通风空调系统核级设备的鉴定具有较高的参考价值和指导意义 参考文献 1NB/T 20036.1-2011.核电厂能动机械设备鉴定 第1部分 通用要求Z. 2HAF102.核电厂设计安全规定S. 3TS-X-NIEP-TCYV-DC-20001.HVAC components specification. 4TS-X-NIEP-TCYV-RN-20054.Requisition for HVAC Detail Design and Components. 5BTR67C00303.Ventilation circuit fans. 6HAF J0053.核电设备抗震鉴定试验指南Z