地震的破壞能量巨大,嚴重時會給地面建筑、電力設備、通信設備等帶來毀滅性的損傷。汶川大地震后,如何在地震發生后迅速恢復電力設備的運行,給低壓開關柜設計人員及制造商帶來了新課題。
由于目前行業內沒有形成統一的低壓開關柜抗震試驗標準或相關規范要求,本文以核電1E級設備鑒定的抗震試驗部分內容為討論對象,尋求具有廣泛性,可在行業內推廣應用的開關柜抗震性能提升方案。
對于核電廠而言,1E級被定義為電氣系統設備的安全級,它是完成反應堆緊急停堆,安全殼隔離,堆芯應急冷卻,反應堆余熱導出,反應堆廠房的熱導出,防止放射性物質向周圍環境大量排放等功能所必須的。對于1E級低壓開關柜而言,其安全功能包括:1E級電源分配;1E級負荷及其他重要設施的供電及控制。
設備鑒定是通過分析、試驗或運行經驗獲得證據,確保設備一經要求就能投入運行且滿足系統性能要求。其實質是提供書面的證據,以證明鑒定對象在核電廠相應的運行工況下、設計基準事件期間及之后的規定時間內能夠可靠地執行所要求的安全功能。
抗震鑒定是設備鑒定中的一部分。抗震試驗主要是為了驗證1E級開關柜在合格壽命期末發生的S1地震(運行基準地震OBE)和S2地震(安全停堆地震SSE)期間及之后仍能保持其結構及安全功能的完整性。
構筑物或物體的自振頻率取決于其自身的物理特性(質量、彈性和阻尼分布)及減振器和支承物的自由振動頻率。對核電1E級低壓開關柜而言,設備與鋪設在地面或樓板的基礎槽鋼焊接固定,沒有減振器。
當樣機與試驗臺之間固定方式類同時,對比試驗測得的自振頻率是考核開關柜抗震性能較為直觀的方式。開關柜在某個方向上的自振頻率越高,開關柜在這個方向上的抗震能力就越強。
本文中所討論的試驗樣機為1E級MNS低壓開關柜。開關柜沿用了行業內通行的設計思路和做法,采用全組裝式結構。開關柜基本框架結構由C型材組裝而成,框架的立柱與深梁、橫梁拼接處采用L形角板聯接,聯接件與型材之間采用自攻螺釘緊固。
為提高開關柜的抗震性能,1E級低壓開關柜的框架外立柱采用了C型材雙拼結構,型材之間采用平面聯接板固定,緊固件同樣采用自攻螺釘。開關柜骨架基本結構如圖1,型材拼接處結構如圖2所示。
圖1 開關柜骨架基本結構
圖2 改進前開關柜型材拼接結構
開關柜自振頻率測定,是抗震試驗中的一個步驟。試驗在模擬地震試驗臺上進行,采用20mm厚鋼板模擬開關柜安裝現場的樓板,開關柜與基礎之間、開關柜基礎與鋼板之間均采用焊接方式連接,鋼板與地震試驗臺之間采用螺栓固定。
在試驗樣機框架頂部左右兩側各布置一組(X、Y、Z方向)加速度傳感器,用以監測地震輸入運動和開關柜框架的響應。采用白噪聲隨機波掃描方式(即X、Y、Z三方向0.5~50Hz,0.1~0.2g白噪聲輸入,振動持續時間120s)尋找開關柜在X、Y、Z軸向的自振頻率。
改進前開關柜抗震試驗樣機為本公司核安全1E級鑒定時制作的抗震試驗樣機。通過試驗測定改進前開關柜的自振頻率見表1。抗震試驗報告顯示,開關柜框架結構有變形、緊固螺釘有松動現象。試驗過程中可以明顯觀察到開關柜頂部搖擺。
表1 改進前開關柜自振頻率
6.1 開關柜框架結構螺紋聯接強度分析
針對開關柜抗震試驗后有螺釘松動現象,對開關柜的框架組裝,螺紋聯接緊固進行分析。
開關柜框架組裝所采用的緊固件均為M6(GB/T 6560)自攻螺釘,其螺距為1mm;聯接件上開孔均為通孔;C型材的板材厚度為2mm。不難看出,板件與螺釘之間咬合的螺紋僅1~2牙,聯接強度取決于C型材的材料強度。
在開關柜生產過程中,如遇到零件需要多次拆裝,C型材上的模數孔在多次被攻絲后易發生破壞。這也意味著,依靠自攻螺釘在C型材上攻絲進行緊固的方式,在抗震試驗過程中,發生螺紋聯接失效的風險是存在的。
6.2 開關柜框架結構抗震性能分析
在核安全1E級鑒定過程中,本公司委托上海核工程研究設計院對抗震試驗樣機結構進行了抗震計算和應力評定。采用有限元法對低壓開關柜樣機結構進行了在自重載荷下的靜態分析、模態分析和地震載荷下的動態反應分析。計算、評定結果表明開關柜框架結構件所受的應力小于構件自身的應力限值,最大應力部位發生在立柱底部。
開關柜的框架在各個平面上都是矩形結構,屬于特殊的平行四邊形,其結構件受到外力作用容易發生位移。此外,從圖2中不難發現,在立柱與橫梁、深梁的聯接處,僅實現了各平面兩維度的聯接;雙拼的兩根立柱在其末端各自通過L形聯接板與橫梁、深梁聯接;在X、Y、Z三方向的地震沖擊合力作用下,結構件之間的相對位移導致的開關柜框架變形風險較大。
7.1 開關柜框架結構螺紋聯接加強措施
由于開關柜框架結構已基本定型,C型材形狀、材料厚度、材質已沒有改進的空間,因此考慮由增大螺紋副聯接長度入手提高螺紋聯接強度。基于這個思路,通過利用型材內部空間,在型材內部添加帶有螺紋孔的塞塊,將自攻螺釘改為六角頭螺栓,延長螺栓的長度,來實現螺紋聯接強度的提升。
7.2 開關柜框架結構抗震性能加強措施
根據前文所述,在開關柜框架結構已基本定型,且結構件強度滿足要求的情況下,優先考慮通過加強結構件之間聯接、定位,避免在外力作用下發生結構件相對位移來增強框架結構的抗震性能。
用三角形支撐板(角板)代替L形聯接件能夠較好的保證立柱與橫梁、深梁之間的垂直度。但考慮到開關柜主母排連接、柜間控制電纜穿越的需要,能夠加裝角板的拼接位置非常有限,無法達到提高開關柜框架結構抗震性能的目的。因此想到,設計一個三維度聯接件,以同時保證立柱與深梁、橫梁在三個維度上的定位及聯接強度,以此來提高開關柜框架結構的抗震性能。
三維度聯接件的形式如圖3所示,通過該聯接件可完成雙拼立柱末端型材之間的定位;立柱與橫梁、深梁聯接處的定位、聯接;通過聯接件,可使立柱與橫梁、深梁在X、Y、Z三個方向上均發生關聯;通過聯接件的開孔尺寸保證型材之間的相對位置,從而達到提高開關柜框架結構抗震性能的目的。
開關柜結構改進后抗震試驗樣機為某核電項目抗震試驗樣機,試驗樣機安裝方式、加速度傳感器布置方式與結構改進前一致。通過白噪聲隨機波掃描方式測定改進后開關柜的自振頻率見表2。
圖3 改進后開關柜型材拼接結構
表2 改進后開關柜自振頻率
通過表1和表2的對比不難發現,改進前開關柜在X方向上的自振頻率為10.3Hz、Y方向上的自振頻率為8.8Hz;改進后開關柜在X方向上的自振頻率為12Hz、Y方向上的自振頻率為11Hz;兩者皆有明顯的提升。這說明開關柜的抗震性能在改進后有了較大提升,同時說明前文所述改進措施是有效可行的。
本文以核電項目抗震要求為基礎,通過對開關柜框架結構薄弱環節進行分析,提出具有針對性的改進措施,并通過試驗手段驗證了改進措施的有效性。
綜合前文所述,在開關柜框架結構件剛度、強度滿足要求的情況下,通過三維度聯接件實現立柱與橫梁、深梁之間的定位,避免結構件之間相對位移的發生,通過添加塞塊增強螺紋聯接強度,對提高開關柜抗震能力效果較為明顯,且方法簡單、便于實施。
這種改進方式也可以推廣到行業內常規產品中,為提高開關柜類產品抗震性能提供參考方案。