CN107658032B - 一种抗震竖井试验装置及其改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗震竖井试验装置及其改造方法，所述装置包括：竖井、激励系统、控制系统，其中，所述激励系统包括6个水平激振器和1个垂向激振器，水平激振器和垂向激振器均安装在竖井内，控制系统控制水平激振器和垂向激振器对竖井内的试验设备进行抗震试验，实现了提高了抗震竖井试验装置试验能力的技术效果。

Description

一种抗震竖井试验装置及其改造方法

技术领域

本发明涉及反应堆装置试验设备领域，具体地，涉及一种抗震竖井试验装置及其改造方法。

背景技术

控制棒驱动线对核电站的安全运行十分重要，其型式细长结构复杂，在地震载荷作用下形成一个十分复杂的非线性问题，很难建立合理的数学模型进行分析。现阶段，对新型堆的控制棒驱动线，在其应用于核电站之前，都要对其进行抗震鉴定试验，为控制棒驱动线施工设计提供试验依据，并最终验证控制棒驱动线设计的合理性、可行性和运行可靠性。

目前，针对反应堆控制棒驱动线或其它同类型细长结构的抗震试验，国内外普遍主要采用的方法有两种，分别是单点激励试验和多点激励试验。单点激励试验法采用地震台实现，可以同时实现多个自由度的运动，但是只有一个激励控制点，很难精确模拟驱动线或其它同类型细长结构各个部件的地震激励。多点激励试验方法一般采用竖井多点激励试验装置实现，可以同时实现多个激励点的地震输入控制,在控制方式上多采用位移控制，加载方向已从水平横向的单方向加载发展到水平横向和垂向联合加载的方式。

采用现有的竖井多点激励试验装置，最多仅可实现四点水平向和一点垂向联合激励，但针对一些对激振点要求更多的抗震试验，该装置则无法满足试验要求。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的四点水平向和一点垂向联合激励试验装置存在无法满足复杂的抗震试验要求的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种抗震竖井试验装置及其改造方法，解决了现有的四点水平向和一点垂向联合激励试验装置存在无法满足复杂的抗震试验要求的技术问题，实现了提高了抗震竖井试验装置试验能力的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请一方面提供了一种抗震竖井试验装置，所述装置包括：

竖井、激励系统、控制系统，其中，所述激励系统包括6个水平激振器和1个垂向激振器，水平激振器和垂向激振器均安装在竖井内，控制系统控制水平激振器和垂向激振器对竖井内的试验设备进行抗震试验。

本发明对现有竖井多点激励试验装置进行了一定的设计、改造，使其具备了可实现六点水平向和一点垂向联合激励的抗震实验能力，解决了超过四点激励的反应堆控制棒驱动线或其它同类型细长结构的抗震试验所面临的技术难题，此处主要指装置能力不能满足抗震试验需求的难题，装置能力覆盖国内现阶段及今后一段时间内主要堆型的控制棒驱动线，进一步提高我国反应堆驱动线或其它同类型细长结构的抗震试验水平。

本发明的工作原理：根据对实际反应堆的地震分析，获得驱动线与反应堆所有连接部分(边界)的运动，在反应堆外部对1组驱动线通过本装置施加地震激励，从而真实再现驱动线受到的实际地震载荷。本发明利用液压(或者电动)激振系统激励驱动线抗震装置模拟地震运动。

本发明的工作步骤：首先通过计算获得被试验设备各激励点处的地震波位移时程，以该时程作为本试验装置的输入；将被试验设备按其实际安装方式安装在竖井中；打开液压控制器，检查7个激振器的位移传感器、伺服阀、压差传感器电缆的连接，水平6个激振器启停阀和1个垂向激振器启停阀的连接，待没有错误信息后，对激振器进行编组，将水平6个激振器和相应的启停阀作为水平组，垂向激振器和相应的启停阀作为垂向组，并且启动运动补偿功能；其中控制系统以位移为参数进行闭环控制，输入计算得到的各激励点处的地震波位移时程驱动文件，以此为目标对被试验设备进行激励；与测量反馈的相应点的位移值进行对比，并修正驱动电流，使实际激励点的位移与输入位移的误差保持在一个很小的范围内，保证时程、反应谱和功率谱密度能够包络输入时程及其反应谱和功率谱密度；采用经过一定修正、实际激励点的位移能够满足试验要求的相关控制参数来正式设置控制系统，激振器则按控制系统的要求对被试验设备进行激励。

其中，所述竖井包括外筒体和内筒体，外筒体与内筒体之间设有多层平台。

竖井采用原有结构，为一深15m(地下12m，地上3m)，对边相距4m的八角形钢筋混凝土结构。该竖井地下部分采用双筒结构，(该结构分为内外两层筒体，均为钢筋混凝土材料构成，两层筒体结构之间搭建有两层楼板平台；两层筒体之间的空间为工作人员进出竖井的安全通道，通过两层楼板平台可方便到达竖井内不同高度的工作平台)，既增加了刚度又便于安装被试结构。在其四个对称壁面上有激振器安装孔，以便于激振器安装和试验本体对中及运动导向铰杆的安装，激振器的安装位置沿井壁垂向可连续调节，可在高度15m范围内，对被试结构进行多点单向或双向激振试验。

其中，所述6个水平激振器安装在竖井内壁上，垂向激振器安装在竖井内底部。

其中，所述6个水平激振器均匀安装在竖井内壁同一侧上，垂向激振器安装在竖井内底面中部。

其中，控制系统控制水平激振器和垂向激振器对竖井内的试验设备进行抗震试验，具体包括：

通过计算获得被试验设备各激励点处的地震波位移时程，以该时程作为本试验装置的输入；

将被试验设备按安装在竖井中，对试验装置进行检查，检查完成后对激振器进行编组，将水平6个激振器和相应的启停阀作为水平组，垂向激振器和相应的启停阀作为垂向组，并启动运动补偿功能；

控制系统以位移为参数进行闭环控制，输入计算得到的各激励点处的地震波位移时程驱动文件，对被试验设备进行激励；

与测量反馈的相应点的位移值进行对比，并修正驱动电流，使实际激励点的位移与输入位移的误差保持预设范围内；

采用修正后控制参数设置控制系统，控制系统控制激振器对被试验设备进行激励。

其中，激励系统包括：液压油源、激振器、控制器以及液压管道。液压激励系统由液压油源、激振器、控制器以及液压管道等组成。液压油源由电动机启动液压油泵将交流电源转化为液压油动能；激振器将液压油动能转换为往返直线运动的机械能，推动试验装置运动；而激振器的运动由控制器进行控制，控制目标为相应的计算地震位移。

另一方面，本申请还提供了一种抗震竖井试验装置改造方法，所述方法包括：

首先，将原有抗震竖井试验装置中的油泵、油管进行拆除；

然后，在油泵间地沟中增加相应支承，对竖井壁上原有油管穿孔进行扩大，增加2个水平激振器安装孔；

然后，进行电源改造，包括增加相应的电缆和空气开关；

然后，进行冷却水接口改造；

然后，待油路、电路和水路分别布置好后，进行油箱注油，将外供电电源系统和外供水冷却系统安装到位，并连接电源到泵站控制柜、连接冷却水到泵站；

然后，对新泵站进行调试，并对油路系统进行清洗；

然后，待油路系统中油品满足要求以后，进一步安装新控制通道并与原有系统硬件、软件连接；

最后，采用相应的地震计算结果，经过处理后进行空作动器调试。

本发明不是对原有竖井试验装置能力的简单扩展，而是从原有试验系统的4个水平自由度、1个垂向自由度改变为6个水平自由度、1个垂向自由度，两个新的水平自由度的增加将导致各激励点间的相互耦合增加，其传递函数矩阵从5×5增加到7×7，增加近一倍的相互作用，导致控制精度降低。因此新系统除了增加配套相应油源、电源和冷却水，更换大流量的油路系统等外，还必须考虑兼容性和安全性，特别是在试验布置、支撑结构设计等方面，充分考虑对降低激振器间的相互作用(解耦)，在调试过程中优化控制参数。试验时采取在支撑结构中设置解耦装置、控制系统多次迭代等有效措施来降低激振器间的相互耦合作用。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

可实现六点(或六点以下)水平向以及六点(或六点以下)水平向和一点垂向联合激励式抗震试验。原有竖井试验装置的激励点数目最多仅能达到四个水平方向和一个垂向联合激励，对于一些激励点数目超过四个的试验项目，该装置则无法实现。本发明解决了上述问题，具备了目前国内外同类型装置中最强的试验能力。采用本装置，应用多点激励试验方法，可以同时实现多个激励点的地震输入控制,实现驱动线或其它同类型细长结构各个部件地震激励的精确模拟。

进一步的，可采用位移方式进行激振控制。影响控制棒下落和驱动线零部件(或其它同类型相对较柔的细长结构)地震下结构完整性和功能(即落棒时间或其它)的主要因素是它们的横向动位移，而且由于间隙的存在使加速度反馈信号有许多尖脉冲，不利于控制器进行闭环控制。用位移时程激励很好的解决了以上两个问题。

进一步的，落棒时间的精确顺序控制。在地震波上的预定的落棒时刻，采用液压控制器的数字量输出功能，精确驱动控制棒驱动机构控制器，实现在地震中特定时刻的落棒功能，提高了落棒时刻的精度和试验的重复性。

进一步的，设计时充分考虑了当时和将来发展的需求，可以对国内现阶段及今后一段时间内主要堆型的控制棒驱动线1：1工程样机或其它同类型细长结构进行抗震鉴定试验。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中抗震竖井试验装置的结构示意图；

图2是本申请中竖井液压控制系统示意图；

其中，1-竖井，2-工作平台，3-被试驱动线，4-水平激振器，5-试验支承架，6-垂向激振器。

具体实施方式

本发明提供了一种抗震竖井试验装置及其改造方法，解决了现有的四点水平向和一点垂向联合激励试验装置存在无法满足复杂的抗震试验要求的技术问题，实现了提高了抗震竖井试验装置试验能力的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图2，本发明是一种可实现六点水平向和一点垂向联合激励的抗震竖井试验装置，它由竖井、液压激励系统和控制系统组成。

本发明的工作原理：根据对实际反应堆的地震分析，获得驱动线与反应堆所有连接部分(边界)的运动，在反应堆外部对1组驱动线通过本装置施加地震激励，从而真实再现驱动线受到的实际地震载荷。本发明利用液压(或者电动)激振系统激励驱动线抗震装置模拟地震运动。

本发明的工作方式：六点水平向和一点垂向同时激励，每点的地震激励根据计算结果而不同，即具有六点水平向相同的绝对运动，也有六点不相同的相对运动。

本发明的工作步骤：首先通过计算获得被试验设备各激励点处的地震波位移时程，以该时程作为本试验装置的输入；将被试验设备按其实际安装方式安装在竖井中；打开液压控制器，检查7个激振器的位移传感器、伺服阀、压差传感器电缆的连接，水平6个激振器启停阀和1个垂向激振器启停阀的连接，待没有错误信息后，对激振器进行编组，将水平6个激振器和相应的启停阀作为水平组，垂向激振器和相应的启停阀作为垂向组，并且启动运动补偿功能；其中控制系统以位移为参数进行闭环控制，输入计算得到的各激励点处的地震波位移时程驱动文件，以此为目标对被试验设备进行激励；与测量反馈的相应点的位移值进行对比，并修正驱动电流，使实际激励点的位移与输入位移的误差保持在一个很小的范围内，保证时程、反应谱和功率谱密度能够包络输入时程及其反应谱和功率谱密度；采用经过一定修正、实际激励点的位移能够满足试验要求的相关控制参数来正式设置控制系统，激振器则按控制系统的要求对被试验设备进行激励。

其中竖井采用原有结构，为一深15m(地下12m，地上3m)，对边相距4m的八角形钢筋混凝土结构。该竖井地下部分采用双筒结构，(双筒结构补充介绍：该结构分为内外两层筒体，均为钢筋混凝土材料构成，两层筒体结构之间搭建有两层楼板平台；两层筒体之间的空间为工作人员进出竖井的安全通道，通过两层楼板平台可方便到达竖井内不同高度的工作平台)，既增加了刚度又便于安装被试结构。在其四个对称壁面上有激振器安装孔，以便于激振器安装和试验本体对中及运动导向铰杆的安装，激振器的安装位置沿井壁垂向可连续调节，可在高度15m范围内，对被试结构进行多点单向或双向激振试验。

液压激励系统由液压油源、激振器、控制器以及液压管道等组成。液压油源由电动机启动液压油泵将交流电源转化为液压油动能；激振器将液压油动能转换为往返直线运动的机械能，推动试验装置运动；而激振器的运动由控制器进行控制，控制目标为相应的计算地震位移。

液压激励系统共计包含6个PG63水平液压激振器和1个PL160垂向液压激振器，激振器的主要性能参数如下：

最大激振力：水平向63kN，垂向160kN；

最大位移：±125mm；

最大速度：水平向1.4m/s，垂向1.2m/s；

频率范围：0.1～80Hz；

通道间同步误差：小于1ms。

每个激振器具有独立控制，控制系统以计算的位移为参数进行闭环控制，即将测量反馈点(测量值)的位移值与要求的(计算目标值)位移值进行对比，若存在超出范围的偏差时，可通过修正驱动电流的方式进一步校正反馈点的位移值，使实际激励点(反馈点)的位移与输入要求位移的误差保持在一个很小的范围内。

采用本装置，可以针对反应堆控制棒驱动线或其它同类型细长结构开展六个水平向或六个水平向和一个垂向联合激励式抗震试验，解决了国内超过四点激励的反应堆控制棒驱动线或其它同类型细长结构的抗震试验所面临的技术难题，装置能力覆盖国内现阶段主要堆型的控制棒驱动线，进一步提高我国反应堆驱动线或其它同类型细长结构的抗震试验水平。

进行本装置的设计改造时，在遵守上述准则的基础上，围绕最终要实现的六点水平向和一点垂向联合激励的设计改造目标制定详细的改造技术路线：

首先对现有装置的各系统进行梳理，对其性能参数进行确认，主要包括各作动器最大推力、最大位移以及最大速度，油源的供给量和系统压力等等；

根据现有装置各设备和设施的性能状况，结合设计改造的目标，确定出具体的改造内容，主要包括增加2个63kN作动器、增加相应的控制通道、增加油源、电源以及冷却水系统和更换大流量油路系统等方面；

针对设计改造内容，充分考虑保持与原有装置的兼容性，进一步确定各新增设备或设施的技术规格，并对各采购设备或设施按要求进行验收，确保其符合设计改造技术要求；

对于施工单位，采取在核行业及地方具有相应资质的单位内通过基本建设程序和国家招投标法的规定进行招标选择的方式，由中标单位承担相应的任务。

设计和改建可实现六点水平向和一点垂向联合激励式抗震竖井试验装置的具体实施过程：

首先对原有的油泵、油管等旧系统进行拆除；

为了便于安装新增加的油泵或油管，在油泵间地沟中增加相应支承、对竖井壁上原有油管穿孔进行扩大或相应增加；

然后进行一系列的电源改造，包括增加相应的电缆和空气开关等，以便新增油泵的正常运行和软启动；

进行冷却水接口改造，以便新增油泵与热交换器间的管路连接；

待油路、电路和水路等均分别布置好以后，进行油箱注油，将外供电电源系统和外供水冷却系统安装到位，并连接电源到泵站控制柜、连接冷却水到泵站；

对新泵站进行调试，并对油路系统进行清洗；

油路系统中油品满足要求以后，进一步安装新控制通道并与原有系统硬件、软件连接；

最后，采用相应的地震计算结果，经过处理后进行了空作动器调试，取得了满意的结果。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

可实现六点(或六点以下)水平向以及六点(或六点以下)水平向和一点垂向联合激励式抗震试验。原有竖井试验装置的激励点数目最多仅能达到四个水平方向和一个垂向联合激励，对于一些激励点数目超过四个的试验项目，该装置则无法实现。本发明解决了上述问题，具备了目前国内外同类型装置中最强的试验能力。采用本装置，应用多点激励试验方法，可以同时实现多个激励点的地震输入控制,实现驱动线或其它同类型细长结构各个部件地震激励的精确模拟。

进一步的，可采用位移方式进行激振控制。影响控制棒下落和驱动线零部件(或其它同类型相对较柔的细长结构)地震下结构完整性和功能(即落棒时间或其它)的主要因素是它们的横向动位移，而且由于间隙的存在使加速度反馈信号有许多尖脉冲，不利于控制器进行闭环控制。用位移时程激励很好的解决了以上两个问题。

进一步的，落棒时间的精确顺序控制。在地震波上的预定的落棒时刻，采用液压控制器的数字量输出功能，精确驱动控制棒驱动机构控制器，实现在地震中特定时刻的落棒功能，提高了落棒时刻的精度和试验的重复性。

进一步的，设计时充分考虑了当时和将来发展的需求，可以对国内现阶段及今后一段时间内主要堆型的控制棒驱动线1：1工程样机或其它同类型细长结构进行抗震鉴定试验。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种抗震竖井试验装置，其特征在于，所述装置包括：

竖井、激励系统、控制系统，其中，所述激励系统包括6个水平激振器和1个垂向激振器，水平激振器和垂向激振器均安装在竖井内，控制系统控制水平激振器和垂向激振器对竖井内的试验设备进行抗震试验；控制系统控制水平激振器和垂向激振器对竖井内的试验设备进行抗震试验，具体包括：

通过计算获得被试验设备各激励点处的地震波位移时程，以该时程作为本试验装置的输入；

将被试验设备安装在竖井中，对试验装置进行检查，检查完成后对激振器进行编组，将水平6个激振器和相应的启停阀作为水平组，垂向激振器和相应的启停阀作为垂向组，并启动运动补偿功能；

控制系统以位移为参数进行闭环控制，输入计算得到的各激励点处的地震波位移时程驱动文件，对被试验设备进行激励；

与测量反馈的相应点的位移值进行对比，并修正驱动电流，使实际激励点的位移与输入位移的误差保持预设范围内；

采用修正后控制参数设置控制系统，控制系统控制激振器对被试验设备进行激励。

2.根据权利要求1所述的抗震竖井试验装置，其特征在于，所述竖井包括外筒体和内筒体，外筒体与内筒体之间设有多层平台。

3.根据权利要求1所述的抗震竖井试验装置，其特征在于，所述6个水平激振器安装在竖井内壁上，垂向激振器安装在竖井内底部。

4.根据权利要求1所述的抗震竖井试验装置，其特征在于，所述6个水平激振器均匀安装在竖井内壁同一侧上，垂向激振器安装在竖井内底面中部。

5.根据权利要求1所述的抗震竖井试验装置，其特征在于，激励系统包括：液压油源、激振器、控制器以及液压管道。

6.一种抗震竖井试验装置改造方法，其特征在于，所述方法包括：

首先，将原有抗震竖井试验装置中的油泵、油管进行拆除；

然后，在油泵间地沟中增加相应支承，对竖井壁上原有油管穿孔进行扩大，增加2个水平激振器安装孔；

然后，进行电源改造，包括增加相应的电缆和空气开关；

然后，进行冷却水接口改造；

然后，待油路、电路和水路分别布置好后，进行油箱注油，将外供电电源系统和外供水冷却系统安装到位，并连接电源到泵站控制柜、连接冷却水到泵站；

然后，对新泵站进行调试，并对油路系统进行清洗；

然后，待油路系统中油品满足要求以后，进一步安装新控制通道并与原有系统硬件、软件连接；

最后，采用相应的地震计算结果，经过处理后进行空作动器调试。