CN1231485A - 核电厂用抗震合格机柜的制造方法 - Google Patents

核电厂用抗震合格机柜的制造方法 Download PDF

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R·E·布赖安
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Abstract

本发明介绍一种用来安装用于核电厂的仪器的机柜制造方法。这种方法包括以下步骤:拟定一种能将仪器设备装下的机柜初始结构;利用经抗震鉴定试验检验的模型预计初始结构的自然频率;将初始结构的自然频率与核电厂地震响应频谱相比较;调整模型参数以获得其自然频率高于地震响应频谱峰值振幅频率的机柜最终设计;最后按最终设计制造机柜。采用这种方法几乎不需要对机柜和仪器设备样机进行昂贵的破坏性试验。

Description

核电厂用抗震合格机柜的制造方法
本发明涉及核电厂内用来安装仪器设备的机柜的设计和制造方法。
核电厂的设计者必须考虑到地震带来的影响。他们把中等程度的破坏作用称作“尚可运行的地震”或OBE。这种情况在工厂的使用期限内很可能发生，因此应保证工厂在破坏发生期间及尔后能继续安全运行。在工厂使用期内发生比这更强烈的地震，或“安全关闭地震(SSE)”的机会则要少得多，这时核反应器应能自动或由人工关闭以保障公众的健康和安全。在发生OBE式SSE期间及尔后，必须保证对辐射的压力边界和屏障完好无损，同时诸如应急电源、控制杆、阀门、热交换器和泵等关键设备必须能照常运行。另外，控制这些关键设备的仪器也应继续工作。
从设计上来说，组成压力边界和辐射屏障以及关键设备和仪器的结构应满足1E类抗震设计要求。作为1E类标准设计的部件。这些结构、元件、设备或仪器中若有任何一件失效，就可能造成冷却剂逸散事故或引起失控的释放放射性物质。同时，每个元件对于发生SSE时安全地关闭核反应器都是至关重要的。
虽然有很多参量可用来表征地震时元件和系统的动态负荷，但一般都以工厂所在地的地震响应频谱作为设计的依据。可以把一次地震看作是突然产生一个引起瞬态响应或地面移动的力(冲击)。地面运动的设计值是按照工厂所在地的常规要求和专门的地震测量来确定的。人们常以地震响应频谱来表征地震对工厂设备(如机柜)的影响，它代表从支撑点传入的被支撑设备对地震的最大响应。将地面运动的设计值输入一个计算机模型，并对输出地点(如机柜的安装点)进行处理，就可确定响应频谱。
信号处理和控制仪器都安装在机框内。象工厂的其它关键设备一样，它们也必须能经受住地震的干扰。一般发电设备有成千上万个远距离监控点，它们都要单个地用硬线与中心控制室连起来。这需要敷设几百英哩电缆线，为此将花费数百万美元的材料和人工费。为减少仪器和控制线路的费用，可以把单个传感器和控制元件连到安装在遍布全厂的机柜内的遥控终端上去。如果这些控制仪器中任何一个对于工厂的安全运行都很关键，则装有仪器的机柜也和仪器本身一样要满足同样的1E类抗震设计要求。
目前核电厂用的机柜制造费用很高。每个机柜各不相同，连同装在里面的仪器，都必须按被毁坏的条件(end-of-life Condition)经过破坏性抗震试验(鉴定)。因为试验时仪器设备是按被毁坏的条件模拟最坏的情形，它们也许就不能在以后的试验中再用了。通常在进行机柜鉴定试验时，初步将机柜设计成能够容纳所要安装的仪器。尺寸要求满足后，就制造一台机柜样机，并将仪器装入。然后将机柜和仪器放到振动台上按要求的地震响应频谱进行试验。机样偶尔可能不满足OBE/SSE地震响应频谱的抗震要求，设计者就要增添一些结构件，支撑板，联接板等以改进样机。根据经过改进的设计再制造一台新的机柜样机，装入按新的毁坏条件准备的仪器，并重复振动试验，直至满足抗震要求。由于许多贵重仪器在鉴定试验中被毁而耗费了相当一部分资金。
由于一般的解析设计模型比较简单且精度也不足以准确地预计设备在地震状态下的响应特性，如不经过抗震鉴定试验检验是否满足工厂特有的地震响应频谱或不同的OBE或SSE要求，我们不能把现有的机柜结构安装到一个新工厂内，即使机柜内所花的仪器和现有结构完全一样也不行。因此，简单地改变一下仪器在已安装好的合格机柜内的位置，也可能需要重新进行破坏性抗震试验，因而导致机柜和许多仪器被毁。最后，如果没有适当的解析方法，在设备安装前若客户要求对设计作微小的修改，也可能需要重新作鉴定试验。例如，若用铜紧固件替代所有的钢紧固件，就要重作抗震鉴定试验。
本发明旨在采用适当的解析方法以避免进行抗震鉴定试验，以求解决上面提到的至少一个或几个问题。
按照本发明的一个方面，是提供一种用于核电厂的抗震合格机拒的制造方法，它包括以下几个步骤：选定能装下全部仪器的初步机柜结构；用数学模型预计该初步结构的自然频率；将预计的自然频率与核电厂的地震响应频谱相比较；修改模型参量直至得到最终的机柜结构，其自然频率要高于地震响应频谱的峰值振幅频率；按最终机柜结构制造机柜。可能还要对最终机柜结构进行试验，以测量其关键部位的负荷并与模型在试验条件下的预计特性作比较。
在上述方法中的一个重要方面是模型需经过地震鉴定试验的检验。这将减少在对参考结构作修改时对机柜机和仪器配置试样进行昂贵的破坏性试验的必要性。此外，该方法使我们可以将现有的机柜结构用于新工厂中，而不需要重复冗长的抗震鉴定试验。例如，对原来合格的机柜，只需用经检验证明可行的模型校核一遍即可。若该模型发现这种机柜用到一种新的场合时有缺陷，则可以修改机柜设计以满足抗震要求。当客户只想改动仪器在现有机柜中的位置，或希望在安装前对合格的机柜作比较微小的修改时，上述方法就显得特别有用。采用这种模型就可以检验所作改动是否会影响机柜的抗震性能，而不必对修改后的机柜作破坏性试验。
图1是用于核电厂的机柜制造方法的方框图；
图2是核电厂的一般地震响应频谱；
图3是一个机柜内部框架的有限之模型透视图，该机柜用于安装作为核电厂数字保护系统一部分的仪表。
图1为核电厂用抗震合格机柜制造方法的一种实施方案框图。制造者首先拟就一种机柜的初始设计，其尺寸应足以装下指定的仪器设备。许多情况下，新电厂的客户订购已安装在现有电厂内的那种机柜和相应的仪器设备。这时制造者可以简单地复制现有的机柜作为初步设计。在另一些情况下，制造者可能要对现有设计作些修改，如将机框架放大式缩小，增添加强元件，等等。
接下来制造者利用一种经过抗震鉴定试验检验的数学模型(即带边界条件的一个或多个基本控制方程)预计机柜初步设计的自然频率fi P。制造者可采用任何模型和求解方法，只要能比较准确地预计机柜的自然频率就行。为简单起见，我们把基本方程及其解法称为模型，虽然严格说两者是有区别的。
然后制造者将fi P与预先确定的核电厂地震响应频谱的峰值振幅频率fi MAX相比较，并调整模型参数以得到fi P＞fi MAX的最终机柜设计。请记住fi P代表机柜受到某种外力时在不受外界约束情况下的振动频率。一般机柜模型具有N个自由度和N个不同的频率。因此fi P的下标是一个1至N的整数。机柜的自然频率可通过改变组成机柜的元件的质量或刚度来加以改变。
调整机柜的设计使得fi P大于fi MAX可防止机柜因共振幅度倍增而被毁。图2是一个核电厂的一般地震响应频谱，代表机柜承受的加速度(力)与激发频率的函数关系。一旦激发频率与机柜的一个自然频率相合，就产生共振。当机柜振动频率达到共振时，振动的幅度可能要比一个临界阻压为5％的系统的预计振幅大近10倍。因此，产生共振时机柜元件的位移将会很大，而且机柜所承受的加速度(力)也相应增大。这样大的位移和力将引起过度的应力和应变而导致机柜被毁。由于地震或其它地壳扰动的激发频率无法控制，机柜制造者应确保fi P大于fi MAX以使产生共振的可能性降至最小。激发频率大于fi MAX时机柜元件的位移最小，因这时地震所造成的加速度远比SSE或OBE引起的峰值加速度小。因此，只要机柜能承受比峰值SSE加速度更大的惯性力，它就不应当在工厂使用期内出问题。
最后，制造者按模型给出的最终机柜设计生产机柜。由于该模型已经过抗震鉴定试验的检验，机柜及仪器设备就不需要进行实际的破坏性试验。
虽然在上述实施方案中假定已有一个抗震合格的模型存在，机柜制造者也可以创造一种模型并检验其有效性，这将作为整个制造过程的一部分。为证明模型是否抗震合格，制造者可预计一种现有机柜的自然频率，并进行实际测量，然后将二者作比较。经过对模型的不断改进最后使得预计自然频率大致与测量自然频率相等。可以用不同的标准来定量地描述预计自然频率和测量自然频率的一致程度。一种有效的标准是预计自然频率和测量自然频率之间的均方根偏离δ，它由下式表示： δ = Σ i = 1 n ( f i P - f i M ) 2 , - - - - ( I ) 式中上标M表示测得的自然频率，n小于或等于N。一般δ小于3Hz表示自然频率的模型预计值和测量值相当一致。
图3是一个基本机柜10的有限之模型(FEM)透视图，机柜中安装的仪器是核电厂数字保护系统(DPPS)的一部分。基本机柜10的模型包括主框架12和辅框架14。主框架12和辅框架14分别为正方形和矩到截面管的壳体结构。主框架12又包括顶框架16，侧框架18和底框架20。基本机柜10还有水平结构元件22，内板框24和内安装板26，以及遮盖基本机柜10的侧面的外金属薄板(图中未示)。基本机柜10的前方和后方有两扇门(图中未示)，可看成是加在适当的门铰链28和插梢30处的集中质量元件。通过修改内安装板26的质量密度就可以代表被安装的电气元件的作用。给定基本机柜10底面的位移边界条件32，则可模拟是螺钉连接还是焊接。
利用图3所示的有限元模型总共进行了14种计算机模拟，以确定改变某些结构元件对基本机柜10的自然频率或本征值的影响。表1列出了本征值的分析结果以及每种计算机模拟中所用的参数。
表1列出了对每种计算机模拟计算得到的整个机柜10和内部安装板26的自然频率，及机柜可能承受的各种振动模式，包括基本的侧面一侧面模式，基本的前面一后面模式，和扭曲模式。分析中可以改变的参数包括主框架12辅框架14及内板架24的型式和尺寸，内安装板26和外金属薄板的厚度，机柜的安装方式(与地基是螺钉连接或是焊接)。
第14种情形看起来产生共振的可能性最小，因为预计的机柜侧面一侧面及内安装板前面一后面模式的自然预计频率均为28.8Hz，都比典型的fi MAX大得多。例如，图2中的普通响应频谱的fi MAX约为11Hz，对SSE和OBE的峰值分别为12g和6g。与此对照，对应于29Hz的激发频率的加速度仅为1.0g(OBE)和1.2g(SSE)。根据这个抗震鉴定模型的分析结果，按第14种情形修改后的机柜设计可望满足抗震要求。
只要利用的模型被证明在预定范围内是准确的，任何由这种模型确定为抗震合格的机柜就不需要经过破坏性试验。同时对现有机柜或基本模型动作的微小修改，可以在比较短的时间内确定在振震方面是否安全，而不必实际将机柜做出来，装上设备，然后通过试验将它毁坏。也可以把这种方法当作一种设计手段，利用它不需实际制作机柜就可快捷和有效地测验想做的改动对地震响应的总的影响。
上面对本发明的一些优选实施方案作了说明。但是，本领域普通技术人员都知道，对这些方案作些修改或采取其它一些方式也符合本发明的思想。因此，我们应当研究下面的权利要求书以确定本发明的实际范围和内容。表1．模型参数和预计自然频率一览表
                               模型参数                  频率，Hz案例号    主框架     辅框架       外金属薄板   内板框架      内板     安装方式    机柜边    内板，前    机柜，前到后
                                                                              到边      到后        或扭曲1       3×3×3/16   2×3×1/8    10GA         1×1×0.18    10GA     螺钉连接    23.8      16.9        44.9
       管材        管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)2       3×3×3/16   2×3×1/8    12GA         1×1×0.18    10GA     螺钉连接    22.1      16.8        41.4
       管材        管材       (0.104)        管材        (0.134)  (12螺钉)3       3×3×1/8    2×3×1/8    10GA         1×1×0.18    10GA     螺钉连接    17.8      16.4
                   管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)4       3×3×3/16   2×3×1/8    10GA         1×1×0.18    10GA     螺钉连接    13.9      26.1        25.9
      角铁         管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)5       3×3×1/4    2×3×1/8    10GA         1×1×0.18    10GA     螺钉连接    17.7      16.6
      角铁         管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)6       3×3×3/16   2×3×1/8    10GA         2×2×1/8     10GA     螺钉连接    24.1      31.0
      管材         管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)7       3×3×3/16   2×3×3/16   10GA         2×2×3/16    10GA     螺钉连接    24.1      31.1
      管材         管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)8       3×3×3/16   2×3×3/16   10GA         2×2×3/16    3/16     螺钉连接    24.0      31.1
      管材         管材       (0.134)        管材                 (12螺钉)9       3×3×3/16   2×3×3/16   10GA         2×2×3/16    10GA     螺钉连接    23.9      21.4
      管材         管材       (0.134)        管材        (0.134)  (12螺钉)
                                           (双对边)
案例号                           模型参数主框架      辅框架    外金属薄板              内板    安装方式内板框架     频率，Hz机柜边到边 内板，前 机柜，前到后到后     或扭曲
    1011121314 3×3×3/16  2×3×3/16  10GA     2×2×3/16  10GA     螺钉连接管材      管材      (0.134)     管材    (0.134)   (12螺钉)单对边3×3×3/16  2×3×3/16   10GA    1×1×0.18  10GA   前后边焊接管材      管材      (0.134)     管材    (0.134)3×3×3/16  2×3×1/8    10GA    1×1×0.18  10GA     螺钉连接管材      管材      (0.134)     管材    (0.134)   (14螺钉)3×3×3/16  2×3×1/8    10GA    1×1×0.18  10GA管材      管材      (0.134)     管材    (0.134) 所有边焊接3×3×3/16  2×3×3/16   10GA    2×2×3/16  3/16   前后边焊接管材      管材      (0.134)     管材    23.9    31.128.5    22.925.3    22.431.3    22.928.8    28.8
尺寸全部为英口寸。

Claims (24)

1．一种不经过抗震鉴定试验来制造用来安装核电厂仪器的机柜的方法，包括以下步骤：
拟定满足尺寸要求的机柜初步设计；
利用经过抗震鉴定试验检验的模型预计初步设计的自然频率；
将预计的初步设计自然频率与具有峰值振幅频率的核电厂地震响应频谱相比较；
调整模型参数以得到其自然频率高于地震响应频谱峰值振幅频率的最终机柜设计；
按最终设计制造机柜。
2．按权利要求1的方法，其特征在于，所用的模型是一种有限元模型。
3．按权利要求1的方法，其特征在于，还包括对模型正确性的检验。
4．按权利要求3的方法，其特征在于，鉴定还包括以下步骤：
利用模型预计一种现有机柜的自然频率；
测量该现有机柜的自然频率；
比较预计的自然频率和测得的自然频率；
改进模型直至预计自然频率和测量值大致相同。
5．按权利要求4的方法，其特征在于，模型的改进还包括以下步骤：
计算预计自然频率和测得的自然频率的偏离δ： δ = Σ i = 1 n ( f i P - f i M ) 2 - - - - ( I ) 式中f为自然频率，下标I为模式序号，n为大于或等于1的整数，上标p表示预计自然频率，上标M表示测得的自然频率。
6．按权利要求5的方法，其特征在于，i=1,2,3对应三种基本模式。
7．按权利要求6的方法，其特征在于，i=1代表机柜侧面到侧面的模式，i=2代表机柜前面到后面的模式，i=3代表安装板前面到后面的模式。
8．按权利要求6的方法，其特征在于，i=1代表机柜侧面到侧面的模式，i=2代表机柜的扭曲模式，i=3代表安装板前面到后面的模式。
9．按权利要求5的方法，其特征在于，对模型的改进一直要进行到偏离小于某预先选定的值为止。
10．按权利要求5的方法，其特征在于，对模型的改进一直要进行到偏离值小于3Hz左右为止。
11．按权利要求5的方法，其特征在于，对模型的改进一直要进行到偏离值小于1Hz左右为止。
12．权利要求1的方法，其特征在于，最终机柜设计的自然频率应高于与地震响应频谱约50％峰值振幅相应的频率。
13．按权利要求1的方法，其特征在于，最终机柜设计的自然频率应大于与地震响应频谱约10％峰值振幅相应的频率。
14．按权利要求1的方法，其特征在于，最终机柜设计满足1E类抗震要求。
15．一种不需作抗震试验的对安装核电厂用仪器的机柜进行鉴定的方法，步骤如下：
拟定尺寸满足要求的机柜初步设计；
利用经过抗震鉴定试验检验的模型预计初步设计的自然频率；
将初步设计的预计自然频率与具有峰值振幅频率的核电厂地震响应频谱相比较；
调整模型参数以获得其自然频率高于地震响应频谱峰值振幅频率的最终机柜设计，使按最终设计制造的机柜满足核电厂抗震要求。
16．按权利要求15的方法，其特征在于，所用模型为一种有限元模型。
17．按权利要求15的方法，其特征在于，还包括鉴定模型的步骤。
18．按权利要求15的方法，其特征在于，鉴定包括以下步骤：
利用模型预计一种现有机柜的自然频率；
测量该现有机柜的自然频率；
将预计的自然频率与测得的自然频率相比较；
改进模型直至预计自然频率大致与测得的自然频率相同。
19．按权利要求18的方法，其特征在于，对模型的改进包括以下步骤：
计算计的自然频率与测得的自然频率的偏离δ： δ = Σ i = 1 n ( f i P - f i M ) 2 - - - - ( I ) 式中f为自然频率，下标i表示模式序号，n为大于或等于1的整数，上标p表示预计的自然频率，上标M表示测得的自然频率。
20．权利要求19的方法，其特征在于，对模型的改进一直继续到偏离值小于某个预定值为止。
21．按权利要求15的方法，其特征在于，还包含按最终设计制造机框的步骤。
22．一种不需进行抗震鉴定试验来制造安装核电厂用设备的机柜的方法，步骤如下：
建立一种能预计机柜自然频率的模型；
检验模型的正确性；
利用经过抗震鉴定试验检验的模型预计初始设计的自然频率；
将初始设计的预计自然频率与具有峰值振幅频率的核电厂地震响应频谱相比较；
调整模型参数以获得其自然频率大于地震响应频谱峰值振幅频率的最终机柜设计；
按最终设计制造机柜。
23．按权利要求22的方法，其特征在于，所用模型是一种有限元模型。
24．按权利要求22的方法，其特征在于，对模型进行鉴定包括以下步骤：
利用模型预计一种现有机柜的自然频率；
测量该机柜的自然频率；
将设计的自然频率与测得的自然频率相比较；
改进模型直至预计自然频率和测得的自然频率大致相同。
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Applicant after: ABB Combustion Engineering Nuclear Power Inc.

Applicant before: Combustion Engineering Co.

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: BURNING ENGINEERING CO., LTD. TO: ABB BURNING ENGINEERING NUCLEAR FORCE CO., LTD.

C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication