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摘要： 抗震鉴定是核安全级柴油发电机组必须完成的验证环节，旨在测定其在地震载荷下的结构完整性与可运行性。本文以康明斯某核电工程核级机组在地震模拟振动台上的抗震试验为实例，系统阐述试验依据、动力特性测定、抗震考核内容、操作步骤及合格判定准则，为同类设备的抗震鉴定提供技术参考。

 

一、 抗震鉴定的目的与试验依据

 

核级柴油发电机组的主要功能是在核电厂正常电力供应发生意外事故时，对整个核电厂应急供电，使反应堆保持在安全状态。当发生地震时，应急机组须在规定时限内迅速启动，短时间内达到额定转速和电压并接受相应负荷，这要求机组必须具备良好的抗震性能和快速启动能力。典型核级柴油发电机组如图1、图2所示。

1. 抗震鉴定的核心目的
通过抗震试验，测定安全级柴油发电机组的自振频率、振型、阻尼等振动参数和地震反应，考核机组的刚度、强度和位移，验证其在遭遇地震载荷时能否正常工作，保持结构完整性和可运行性，以履行其安全功能。

（1）参数测定与性能验证。试验需获取机组各关键部位的动力特性参数，并验证在模拟地震工况下整机及附属设备的动态响应是否满足设计预期。

（2）结构完整性与功能保持。抗震鉴定的最终目标，是确认机组在地震过程中及地震后不发生危及安全功能的破坏，确保应急供电能力不中断。

2. 适用的法规与标准体系
本次试验按照经国家核安全局批准的《安全级应急柴油发电机组样机抗震试验程序》所规定的内容进行。该程序引用了完整的国内外法规与标准体系。

（1）国内标准规范。包括GB/T12727《核电厂安全系统电气设备质量鉴定》、GB13625《核电厂安全系统电气设备抗震鉴定》、EJ625《核电厂备用电源用柴油发电机组准则》、EJ628《核电厂安全级连续工作制电动机的质量鉴定》及HAFJ0053《核设备抗震鉴定测试指南》等。

（2）国际通用标准。包括IEEE344《推荐的核电厂1E物项抗震鉴定标准》及IEEE387《核电站备用电源用柴油发电机组设计准则》等，确保试验方法与全球核电行业通行做法保持一致。

3. 抗震鉴定方法的分类与选择
核级柴油发电机组设备属核安全3级、抗震1A类设备，根据规范要求必须进行抗震检验。

（1）试验法与分析法。既可以通过试验法进行抗震鉴定，也可以通过分析法来进行检验。试验法直观可靠，但耗费人力物力大、周期长。随着计算机辅助工程的发展，国外已越来越多地采用数值模拟方法进行检验，该方法已得到相关核安全监管部门的认可。

（2）两种方法的适用条件。当分析法不足以合理可信地证实抗震I类设备的完整性和可运行性时，必须采用试验法进行鉴定。目前，2000kW以下功率段机组可采用振动台试验，2000kW以上功率段则只能通过分析计算完成鉴定。

 

图1  C3300D5型康明斯柴油发电机组平面结构图（核安全级）

图2  C3300D5型康明斯柴油发电机组侧面结构图（核安全级）

 

二、 试验内容与核心参数设定

 

安全级柴油发电机组是一个极其复杂的系统，抗震分析的最终目的是为安全评定提供设备在设定地震载荷作用下的结构完整性和可运行性资料。本次试验选取柴油机、发电机、公用底座、增压器及连接螺栓等典型关键部件进行分析。

1. 动力特性试验
采用自噪声随机波，沿X（南北向）、Y（东西向）、Z（竖直向）三个方向分别进行连续激振，测定发电机组结构三个方向的自振频率及阻尼比。

（1）激振方式与参数。自噪声激振频率范围为0.5至50Hz，激振幅值为0.2g，持续时间为180秒，以获得较高精度的测量值。

（2）数据采集与处理。各响应测点的加速度信号经处理后得到频响函数幅值曲线，从中提取试件结构各方向的基频及对应阻尼比。

2. 抗震性能考核试验
抗震性能考核试验由五次OBE（运行基准地震）和一次SSE（安全停堆地震）地震波激振组成。

（1）反应谱与地震波生成。采用柴油发电机组机房标高0.0m楼层的加速度反应谱，对X、Y、Z三方向输入的波形适当放大10%，确保台面实际波形包络试验要求的反应谱。OBE人工地震波采用阻尼比ξ=2%的反应谱，加速度幅值为生成地震波的0.65倍；SSE人工地震波则直接采用阻尼比ξ=4%的反应谱所生成。

（2）地震波持续时间与频段要求。人造地震加速度时程应在0.5至34Hz整个频段内有效，持续时间为30秒。如5Hz以下无共振点，则要求响应谱在3.5Hz以上被包络。

 

三、 试验步骤与测点布置

 

规范的试验步骤是获取有效数据的前提。从设备安装、传感器布置到地震波输入和试验顺序，每一环节均有严格要求。

1. 设备安装与传感器测点布置
安全级应急发电机组样机的底座、配套控制柜和开关柜分别通过连接钢板，用螺栓固定在模拟地震振动台上。

（1）加速度测点布置。机组上布置10个三方向加速度测点，共30个加速度计。其中水箱顶部A1测点、柴油机飞轮上方A2测点、柴油机机体上部A3测点、控制屏内主控器上部A4测点、控制屏顶部A5测点、发电机后端中部A6测点、发电机组根部A7测点、开关柜顶部A8测点、开关安装板上面A9测点以及振动台台面A10测点，每个测点均监测X、Y、Z三个方向。

（2）应变测点布置。布置3个单向应变测点，共3个应变计，分别位于控制屏根部S1、发电机组根部S2及开关安装板上面S3，用于监测关键部位在地震载荷下的变形量。

2. 台面输入波形与试验顺序
试验按照严格的序列执行，以确保对机组抗震性能进行全面考核。

（1）自噪声激振测自振频率。如图3所示。X、Y、Z三个方向分别以0.1至50Hz自噪声随机波输入，幅值0.2g，持续180秒，测量被测设备的自振频率及阻尼比。

（2）抗震考核试验顺序。依次进行第一次至第五次OBE地震考核试验，其中第五次OBE试验时需空载启动发电机组。随后进行第一次SSE地震考核试验，同样在空载状态下启动并检测发电机组电气性能。此顺序安排可在逐级增大地震输入的同时，验证机组在关键节点的功能状态。

图3    安全级应急发电机组样机测点布置.

 

A1-水箱顶部；A2-柴油机飞轮上方； A3-柴油机机体上部；A4、A5-控制 ；A10-振动台台面上； A6-发电机后端中部； A7、A8-开关柜顶部； A9-开关安装板上面 ； S1、S2、S3-开关安装板上面

 

四、 试验结果分析与合格判定

 

试验完成后需对采集数据进行系统分析，并与合格判据逐一比对，以得出明确的鉴定结论。

1. 自振频率与阻尼比实测结果

分别沿X、Y、Z三个方向用自噪声输入进行激振，各响应测点的加速度信号经处理后得到一组频响函数幅值曲线。试件的自振频率及阻尼比见表1。

表1    安全级应急发电机组样机自振频率及阻尼比

安全级应急发电机组样机本身刚度较大，但由于底座下加装减震器后导致整体刚度有所下降。从自噪声激振并通过数据处理得到的传递函数幅值曲线可知，发电机组样机X向的基频5.882Hz，Y向的基频8.053Hz，Z向的基频14.453Hz。

2. 反应谱包络验证
从振动台台面实际采集记录的三个方向加速度时程计算反应谱曲线，需满足实际反应谱包络期望反应谱的要求。

（1）OBE地震波验证。如图4所示，X、Y、Z三方向OBE试验的实际反应谱均已包络期望反应谱，满足试验程序对输入波形的合格要求。

 

 

图4    X、Y和Z向OBE反应谱及生成的地震波曲线图

 

（2）SSE地震波验证。如图5所示，X、Y、Z三方向SSE试验的实际反应谱同样已包络期望反应谱，确保试验输入的地震能量满足考核标准。

 

 

图5    X、Y和Z向SSE反应谱及生成的地震波曲线图

 

3. 试验合格判定准则
合格判定从结构状况、功能参数及试验后检查三个维度进行综合评估。

（1）结构完整性要求。试验过程中及结束后，发电机组设备各结构连接件无松动脱落，各焊接部位牢固无裂纹，样机无漏油、漏水、漏气，电气线路布线整齐、连接性能良好。

（2）启动与电气性能要求。第五次OBE和第一次SSE考核试验中，发电机组均须在规定时间内启动并建立稳定的电压和频率，监测到的运行参数满足设计指标。

（3）试验后最终检验要求。抗震试验结束后须进行最终检验，对设备外形、结构和功能进行测试和检查，并与试验前基准数据对比。必要时可进行拆卸检查，以证明设备在地震后的完整性、功能性和可运行性。

4. 试验方法的局限性说明
地震模拟振动台上的抗震试验为破坏性试验，经过抗震试验的设备一般不应作为产品安装于核电站，除非能证明累计应力循环引起的疲劳不会使设备降级而影响安全功能。此外，受振动台设备能力限制，2000kW以上功率段机组的抗震鉴定只能通过分析计算进行，且所用软件必须可靠、精确并获核安全监管部门认可。

 

 

总结

核安全级柴油发电机组的抗震鉴定是一项系统性工程，其核心在于通过动力特性测定和地震波激振考核，验证机组在设定地震载荷下的结构完整性与功能可运行性。试验须严格遵循国家核安全局批准的试验程序及IEEE、GB等国内外标准要求，合理选择试验法与分析法，并依据结构件完好性、启动成功率及电气参数稳定性等指标做出合格判定。2000kW以上机组的分析计算替代路径亦需同等严格审核。规范的抗震鉴定不仅是核级设备取证的必要环节，更是确保核电站在极端地震工况下仍能实现反应堆安全停堆的关键保障措施。

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