核安全级设备的抗震鉴定

五、 核电厂抗震鉴定的发展和现状
地震工程是一门范畴十分宽广的几个方面相互关联的学科。在 国际反应堆结构力学领域内，核电厂地震反应分析占有显著地位。
在60年代核电厂的开创阶段中，抗震问题一开始就受到了应有 重视。当时抗震工作基本上沿用了一般的建筑抗震规范，停留在静 力分析阶段。在60年代中期开始采用反应谱进行动力分析，但仅 限于1级部件，总的抗震费用不到总投资的1%。值得提到的是我国 在60年代初期已对反应堆的抗震开展了设计研究工作。
四、核电厂抗震鉴定的重要意义
因此在核电厂的设计和建造中必须重视抗震鉴定工作。美国规 定任何核电厂都要考虑抗地震问题，即使是地震危险性很小的 地区也至少应该按0.1g进行设计。世界上主要核国家先后建立 了一整套有关抗震鉴定的法规、导则和规范，从而为核电厂的 抗震安全性提供了保证。如核电厂采用的是HAF0102和IAEA安 全导则NO.NS-G-1.6“核动力厂抗震设计与鉴定”，对核动力厂 以外的核设施，如研究堆，前处理厂，后处理厂则采用 TECDOC1347“除核动力厂之外的其它核设施设计中对外部事 件（以地震为主）的考虑”。
2 m
可见振子自由振动的固有频率仅决定于系统的本身的物理性质：质量m 和刚度k。而与由初始条件决定的振幅无关，只要系统的m和刚度k一
旦 确定，固有频率就是一定值。
九、楼层反应谱（续）
再介绍楼层反应谱的概念： 当一结构受到地震作用时，结构上各点的位移、速度和加速度（统称为反应）随时 间变化，但从设计观点来说，重要的是反应的最大值。该反应是阻尼和固有频率的函 数，这就是反应谱。图3形象地说明了反应谱的概念。由图3可见，在一个振动台上， 并排放置一组阻尼比为常数ξ，而固有周期（频率的倒数）不同的振子（即单质点 系）。当输入一地震加速度时，各质点随振动台摇动，表现出对输入加速度的反应。 将各质点的加速度反应测出来，并取其最大值，绘出各振子反应的最大值与固有频率 之间的函数关系，就得出了反应谱图。反应谱就是一组不同自振频率（周期）的单自 由度振子对地面（楼面）运动的最大反应的反应曲线。响应谱表示了加速度与频率 （周期的倒数）之间的关系。对于不同阻尼比ξ，可得到不同的反应谱图，见图4。由 图4可见，阻尼比ξ越小，加速度反应越大；固有频率f越小（周期T越大），加速度反 应越大。
实际上烈度不仅与震级有关，还与震源深度，距离震中的远近 以及地震波通过的介质条件（如岩石性质，岩层构造等）等多种 因素有关，震中烈度与震级、震源深度关系如下：
八、设计地震动分类
设计地震动分为两类： （1）运行安全地震动 ，代号SL1，也称OBE（Operating Basis
Earthquake）。为核电厂运行期间可能遭受的最大地震动。发生 的概率为500年一遇的地震动，即10-2概率的地震动。 （ 2 ） 极 限 安 全 地 震 动 ， 代 号 SL2 ， 也 称 SSE （ Safe Shutdown Earthquake）。为核电厂厂区可能遭受的不低于年超越概率（一 年内地震动超过给定值的概率）为10-4的最大地震动，一般按当地 历史发生过的最大地震再加上适当安全裕度而定出的假想地震。 即最大潜在地震动。 一般取OBE≥1/2SSE。
四、核电厂抗震鉴定的重要意义
核电厂的抗震具有特殊的重要性。由于核电厂中许多设备和部 件中聚集着大量的放射性物质，一旦遭到地震破坏可能使放射 性物质外逸，从而对公众的生命和健康造成危害，这是核设施 与常规工业设施的重要区别之一。如果反应堆系统遭受破坏， 可能造成核事故，影响的范围更大。值得指出的是，地震扰动 具有同时破坏核电厂的冗余部件的潜力。地震破坏的这一特 点，使核电厂设计中的多重性防护准则受到破坏，这就是说地 震可能引起核电厂的共模失效（common mode failure）。
七、 地震动基本描述
在进行抗震设计时，有必要先介绍一下有关地震的基本概念。 地震是一种自然现象。每年全世界约发生地震五百万次，有感地震 约占1%左右，造成灾害的平均每年十几次。 地震的成因可分为构造地震、火山地震、塌陷地震等。另外，水库也 能诱发地震，核爆炸可能在场地激发地震，而造成震害的都是构造地 震。对地震的机理，有“断层说”、“板块构造学说”、“断块学 说”、“岩浆说”、“相变说”等。
八、 设计地震动分类
应包括：两个水平、一个竖向的加速度峰值、设计反应谱和一组加速 度时程。竖向加速度峰值取为水平值的2/3。 根据对地震资料的收集，调查和分析，分别用地震构造法、最大历史 地震法和综合概率法估算，取三者中的最大值为SSE值。而且，地面 水平加速度峰值不得低于0.15g。
九、楼层反应谱
造、试验、检查和验收规则。
2.2电气设备
如果电气部件和设备在事故后用来向保护公众安全的 系统供电或构成该系统的一部分，则这些设备和部件 应属于1E级。
2.3构建物和建筑物
凡支承或包容安全级设备并提供一个放射性生物屏 蔽或可把放射性产物封存的建筑物或构筑物称为LS 级土建结构。
三、抗震分类
凡要求保证上述三项安全功能的设备属于抗震1类设 备，抗震1类设备能承受安全停堆地震SSE（即极限 安全地震SL2）载荷。安全1、2、3级和LS级机械 设备以及1E级电气设备均属于抗震1类。其它设备如 某些废物处理系统和消防系统设备属于非安全级系统， 但要求在地震下履行其功能为抗震1类，近来 对消防系统的要求提高了。其余设备为非抗震1类。
六、 核电厂抗震设计的法规和导则
我国正在逐步建立一套完整的核安全法规。HAF0100《核电 厂厂址选择安全规定》对核电厂抗震设计作了原则规定； HAF0101《核电厂厂址选择的地震及其有关问题》以及HAF0102 《核电厂的地震分析及试验》两个安全导则对HAF0100规定进行 了说明和补充。HAF0102导则叙述了对核电厂结构、系统和部件 进行抗震分析及抗震鉴定试验的程序，以及对核电厂各物项的抗震 分类、荷载组合、地震分析的方法及许用限值等。这些导则基本上 是IAEA的导则，比较原则，因此在使用时有必要参照美国核管会 的管理导则和《标准审查大纲》（SRP）3.7节的规定。我国现在 已制定了抗震鉴定的法规，抗震分析可采用“核电厂抗震设计规范” （GB50267-97），抗震试验可采用“核设备抗震鉴定试验指南” （HAF-J0053）。
七、 地震动基本描述（续）
震中烈度与地震震级大致存在如下表的对应关系
地震
震级
2
3
4
5
7
8
8 8以上
（M）
震中
烈度 1~2 11
12
（I）
一次地震可以持续15－30秒，地面加速度为0.1－0.6g范 围，强震时间为10秒左右，频带范围在0.01－33Hz。
七、 地震动基本描述（续）
80年代初期我国秦山一期30万千瓦核电厂开始建设，根据国 家核安全局的要求，核安全级设备的抗震鉴定工作也随着开展，至 今全国已建立和改造5个抗震试验台架，投资上千万元，对300余 台核安全级典型设备进行了抗震试验。另外对所有抗震I类设备进 行了抗震分析，特别是控制驱动线的抗震鉴定试验已达到世界领先 水平。
（3）1A级，它是对能动部件而言，所谓能动设备是一 种包含有执行其安全功能所必需的运动部件或机构的 设备，如泵、阀门等。在安全停堆地震下不仅要保证 其结构完整性，而且要保持其可运行性，即保证其运 动部件或机构有良好的运行性能。计算时对4类工况采 用B级准则校核。需要指出，这是一种设计措施，美 国和加拿大采用C级应力限制进行校核。
抗震1类设备，应能承受SL1和SL2载荷，并保证在地震 发生时或（和）地震后均能履行其安全功能。这些安全 功能是： ① 维持和保证反应堆冷却剂系统承压边界的完整性； ② 使反应堆安全停堆并保持在安全停堆状态； ③ 停堆后（包括事故停堆后）堆芯余热排出； ④ 能减少和防止放射性物质向环境释放，并保证不超过
五、 核电厂抗震鉴定的发展和现状（续）
在试验研究方面，目前世界上最大的试验台是日本的多度津 地震试验台，台面尺寸15mⅹ15m，载重1000t。我国目前已有五 座可用人工时程曲线输入的地震试验台，分别是北京水科院（台面 尺寸5mⅹ5m载重20t），上海同济大学（台面尺寸4mⅹ4m，载 重15t），南京河海大学（台面尺寸2.8mⅹ2m,载重6t），成都中 国核动力院（台面尺寸6mⅹ6m，载重20t），哈尔滨工程力学所 （台面尺寸5m×5m，载重30T）和一座成都核动力院的单频振动 输入地震试验台（1mⅹ1.5m，最大加速度75g，载重2t，专门用 于阀门抗震试验）。
70年代核电厂的抗震工作逐渐走上正轨。美国核管会提出了一 系列的导则，如RG1.60反应谱的采用，在设备设计中楼层反应谱 的应用，引进有限元方法使动力分析得到广泛的应用。这一阶段抗 震工作已形成了一整套的规范导则，许多方法和规范导则一值沿用 至今。
五、 核电厂抗震鉴定的发展和现状（续）
80年代以来提高了对管道的抗震要求，并对分析程序和支承 设计要求更加严格，设备的抗震鉴定费用有的已经超过总投资的 10%。由于地震运动的复杂性，有许多方面还未被人们认识，因此 许多方面存在着不确定性，从而在核电厂抗震设计中显得过于保守。 在管道分析中，大量实践证明美国RG1.61阻尼比过于保守，采用 N411的阻尼比代替RG1.61阻尼比可大大降低管道的地震响应，减 少大量管支承与阻尼器，具有重大经济意义。
七、 地震动基本描述
发生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。如图1所示。
七、 地震动基本描述（续）
表示一次地震大小的指标是震级M。震级与地震波能量存在如下关 系：
logE=11.8+1.5M E为地震波能量，单位为尔格； M为震级。 所以震级（Magnitude）的大小反映的是一次地震释放的能量的 大小。 地震烈度（Earthquake intensity）则是表示某一地区地面和各 种建筑物受到一次地震影响强弱的指标。一般分为12度，烈度越高， 破坏越严重。某地的地震烈度与震源的深度和该地与震中的距离均有 关。