陳長坤，陳　杰，王瑋玉，劉晅亞

(1.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,長沙, 410075；2.建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300381)

氫氣爆燃作用下核電站安全殼力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬分析

陳長坤1,2*，陳杰1，王瑋玉1，劉晅亞2

(1.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所,長沙, 410075；2.建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300381)

摘要：在核電站嚴(yán)重事故中，由氫氣爆燃產(chǎn)生的壓力載荷會(huì)危及安全殼完整性致其失效，進(jìn)而造成放射性物質(zhì)泄漏的嚴(yán)重危害。通過ANSYS/Fluent有限元數(shù)值模擬軟件，建立了安全殼有限元模型，并對(duì)安全殼內(nèi)氫氣爆燃過程以及其力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了氫氣爆炸過程中的超壓值、升壓速率、安全殼變形以及壓應(yīng)力分布。結(jié)果表明：爆燃波傳遞引起壓強(qiáng)升高，火焰陣面處壓強(qiáng)最高，爆燃波所經(jīng)區(qū)域超壓疾速上升隨后快速下降；爆燃作用下，頂部殼體和下部筒體連接區(qū)域混凝土位移最大，最大壓應(yīng)力也集中分布在該區(qū)域，最易受到破壞。獲得的結(jié)論可為安全殼結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)和安全性研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：氫氣爆燃；安全殼；數(shù)值模擬；力學(xué)響應(yīng); 核電站

0引言

在核電站嚴(yán)重事故中，反應(yīng)堆里產(chǎn)生的大量氫氣主要來自于安全殼內(nèi)鋯質(zhì)材料與高溫的水以及水蒸氣發(fā)生的氧化反應(yīng)[1]。釋放出的氫氣與安全殼內(nèi)的水蒸氣、空氣混合，當(dāng)氫氣濃度達(dá)到可燃極限濃度時(shí)，在一定條件下，混合氣體會(huì)發(fā)生燃燒、爆燃甚至爆轟。爆燃和爆轟能在極短的時(shí)間內(nèi)形成較高的壓力峰值，作用在安全殼的壓力荷載會(huì)造成安全殼結(jié)構(gòu)損壞，影響其安全功能的有效執(zhí)行[2]。安全殼的主要作用是阻隔事故發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的輻射物質(zhì)，一旦失效，將會(huì)造成后果更為嚴(yán)重的放射核物質(zhì)泄漏[3]。因此，有必要對(duì)核電站安全殼內(nèi)氫氣爆燃過程以及爆燃荷載作用下的安全殼力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行深入的研究。

在氫氣爆燃的研究方面，俄羅斯Kurchatov研究所從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中初步分析得出了氫氣爆燃轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則，并研究了氫氣燃燒發(fā)生火焰加速和爆燃轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的壓力峰值[4]。OECD/NEA在大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，分別歸納總結(jié)出σ準(zhǔn)則和7λ準(zhǔn)則來判斷氫氣發(fā)生燃燒火焰加速和爆燃轉(zhuǎn)變的可能性[5]。李等[6]采用集總參數(shù)法程序?qū)P1000嚴(yán)重事故下的氡氣源項(xiàng)和消氫措施進(jìn)行了研究,表明中破口始發(fā)嚴(yán)重事故下安全殼隔間有氫氣燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。黃等[7]利用GASFLOW程序模擬了嶺澳核電廠二期發(fā)生嚴(yán)重事故的過程，對(duì)安全殼內(nèi)的氫氣風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，泄壓箱與穩(wěn)壓器隔間在氫氣釋放峰值階段可能發(fā)生火焰加速現(xiàn)象。2011年3月福島核電廠事故發(fā)生后，世界各國對(duì)反應(yīng)堆安全極為關(guān)注，對(duì)事故中氫氣行為開始進(jìn)行更加深入的研究[8]。

本文采用數(shù)值模擬方法，分析了一定區(qū)域可燃?xì)怏w爆燃作用下，安全殼內(nèi)超壓變化規(guī)律、不同位置的升壓速率以及不同爆燃荷載作用下安全殼的變形和內(nèi)力變化情況，以期為核電站安全殼結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)和安全性研究提供理論參考。

1氫氣爆燃理論分析及模型參數(shù)設(shè)定

1.1氫氣爆燃過程分析

氫氣的燃燒根據(jù)其特點(diǎn)主要分為三種形式，擴(kuò)散燃燒、爆燃、爆轟[9]。爆燃是氫氣燃燒以較慢速度從點(diǎn)火處向混合氣體蔓延，燃燒以超聲波的速度在混合氣體中擴(kuò)散傳播，其特點(diǎn)是在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)形成較高壓力載荷[10]。

氫氣爆燃過程中，火焰陣面在安全殼內(nèi)向一個(gè)方向擴(kuò)散，已燃燒區(qū)域溫度升高膨脹，向前擠壓未燃?xì)怏w，產(chǎn)生與火焰陣面相同方向傳播的爆燃沖擊波[11]。氣體爆燃過程中，爆燃沖擊波引起的結(jié)構(gòu)破壞一般較隨后火災(zāi)引起的破壞更嚴(yán)重[12]。超壓△p作為評(píng)價(jià)沖擊波的常用指標(biāo)，是實(shí)測(cè)壓力與大氣壓之間的壓力差，在可燃?xì)庠票嫉难芯恐卸嗖捎脡毫@一指標(biāo)[13]。

1.2爆燃模型參數(shù)設(shè)定

火焰加速過程[14]，是指火焰由慢速的層流狀態(tài)向快速的湍流燃燒轉(zhuǎn)變過程，混合氣體發(fā)生火焰加速，氫氣燃燒才能形成爆燃的方式。決定火焰是否加速的因素主要是：混合氣體的成分及濃度，可燃云形狀和尺寸。

可燃云的形狀尺寸主要由爆燃區(qū)域特征尺寸表征，特征尺寸由可燃云的體積決定，氫氣爆燃區(qū)域特征尺寸D=V1/3，V為形成的氫氣可燃云的體積，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中研究的安全殼氫氣可燃云聚集分布行為，本文模擬計(jì)算中選取D為10 m。

核電站反應(yīng)堆失水事故中，產(chǎn)生的主要成分包括氫氣、水蒸氣和空氣，考慮反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比，計(jì)算中選取可燃云各成分的初始濃度分別為：氫氣為20%、水蒸氣為20%、空氣為60%。

根據(jù)火焰加速的σ準(zhǔn)則[5],并結(jié)合文獻(xiàn)[9]中特定溫度下的氫氣/水蒸氣/空氣混合物膨脹因子和火焰加速極限圖，以上可燃云成分濃度可使其所形成的火焰加速。

表1　可燃云參數(shù)設(shè)定

2計(jì)算模型

2.1模型尺寸

根據(jù)國際通用的核電站安全殼結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，并進(jìn)行合理的簡化建立核電站安全殼模型。廠房筒體結(jié)構(gòu)的外半徑為20 m，高度為40 m，頂處近似為外半徑為20 m的半球形殼體，安全殼墻體部分由1 m厚度的混凝土，內(nèi)外包裹15 mm厚的鋼板組成，廠房總高度為60 m。模型的豎向截面如圖1所示。

圖1　安全殼尺寸圖(單位，m)Fig.1　Dimension of containment

2.2模型建立

首先，采用ICEM軟件建立安全殼二維模型并劃分網(wǎng)格，利用Fluent軟件對(duì)安全殼內(nèi)氫氣爆燃過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

然后，基于ANSYS前處理軟件，建立安全殼三維有限元計(jì)算模型，模型中混凝土選取SOLID65實(shí)體單元，鋼板采用SHELL91殼單元[17,18]，單元的網(wǎng)

格尺寸為50 cm，模型共劃分單元約65000個(gè)。鋼板與混凝土之間的接觸設(shè)為可靠連接，可視作采用共同節(jié)點(diǎn)，不考慮兩者之間的滑動(dòng)位移，模型底面采用固定的邊界條件約束，具體如圖2所示。安全殼模型的基本力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2　安全殼有限元模型Fig.2　Finite element model of containment

3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過數(shù)值計(jì)算得到氫氣爆燃引起的安全殼內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的壓強(qiáng)云圖，同時(shí)可以繪出安全殼壁不同位置測(cè)點(diǎn)的升壓曲線?；趬毫υ茍D和升壓曲線，計(jì)

算得出在爆燃?jí)毫奢d作用下的安全殼變形情況和壓應(yīng)力結(jié)果。由于氫氣爆燃?jí)毫Τ掷m(xù)時(shí)間很短，本文在探討氫氣爆燃?jí)毫Πl(fā)展過程中不考慮溫度因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

表2　材料參數(shù)

3.1安全殼內(nèi)壓強(qiáng)變化

圖3給出了安全殼內(nèi)氫氣爆燃后，第一階段沖擊波作用時(shí)間內(nèi)六個(gè)不同時(shí)刻安全殼的內(nèi)部壓強(qiáng)分布云圖。圖3(a)到圖3(c)表明，壓強(qiáng)由點(diǎn)火源處開始升高，壓強(qiáng)爆燃波的傳播由點(diǎn)火源處向外逐漸升高，圖3(b)顯示在50 ms時(shí)刻，最大壓強(qiáng)分布區(qū)域并非在爆燃波傳遞的最前端即爆燃沖擊波處，而是在隨后的火焰陣面處；圖3(c)表明，在爆燃波抵至安全殼殼壁，壁面周圍壓強(qiáng)急劇升高，同時(shí)，由于點(diǎn)火源下部同樣距離區(qū)域壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安全殼壁處壓強(qiáng)，表明爆燃波在接觸阻礙物的時(shí)候壓強(qiáng)會(huì)急劇上升。

圖3(d)表明，在爆燃波抵達(dá)安全殼壁反射后，安全殼壁附近壓強(qiáng)下降迅速，且廠房內(nèi)壓強(qiáng)分布并未呈現(xiàn)明顯特征規(guī)律，最大壓強(qiáng)位置隨機(jī)，原因是爆燃波反彈后各個(gè)方向的反彈波相互疊加以及和第二階段的爆燃波疊加導(dǎo)致而成，不同波的同向或反向疊加造成沖擊波的能量抵消或增強(qiáng)。

圖4給出了氫氣爆燃過程中安全殼內(nèi)壁四個(gè)不同位置測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)位置參照?qǐng)D1)的升壓曲線。圖4(a)、圖4(b)表明，氫氣點(diǎn)燃后50 ms后爆燃波開始接觸殼壁，測(cè)點(diǎn)開始承受壓力荷載，并急劇上升在10 ms內(nèi)抵達(dá)峰值，而殼壁壓力下降階段則相對(duì)緩慢，殼壁壓力恢復(fù)至初始水平需要50 ms。圖4(c)表明，筒體部分C測(cè)點(diǎn)位置從70 ms開始升壓 ，最大壓力值達(dá)到0. 22 MPa；圖4(d)顯示，位于安全殼底部的D測(cè)點(diǎn)位置從110 ms開始升壓，最大壓力值達(dá)到0.36 MPa。由此可知，殼壁的壓力峰值與距爆燃點(diǎn)火源距離成反比，而圖4(d)壓力較大的原因是爆燃反彈波與第一階段的直接爆燃波同向疊加。

圖4　氫氣爆燃下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化圖(測(cè)點(diǎn)位置參照?qǐng)D1)Fig.4　Pressure variation diagram of each measuring point in the hydrogen deflagration (for position of measuring point, refer to Fig. 1)

3.2安全殼力學(xué)響應(yīng)分析

圖5(a)、圖5(b)分別給出了施加第一個(gè)峰值壓力荷載后，安全殼位移的云圖和應(yīng)力云圖分布情況。圖5表明， 氫氣爆燃作用下，安全殼的最大位移在半球形殼體和與圓柱接觸部位，安全殼承受的最大壓應(yīng)力也集中該區(qū)域。由此可知，在沖擊荷載的作用下，由上部殼體和下部筒體交接區(qū)域是最易受破壞區(qū)域，沖擊壓應(yīng)力致使內(nèi)部混凝土區(qū)域開裂破壞而影響安全殼的完整性，因此，在核電站安全殼結(jié)構(gòu)施工過程中，該區(qū)域需要加強(qiáng)其抗剪切能力。

圖6給出了安全殼內(nèi)四個(gè)測(cè)點(diǎn)部位的位移隨時(shí)間變化曲線。從圖6可以看出，安全殼壁從開始承受荷載20 ms后，測(cè)點(diǎn)的位移開始快速增長，其中B測(cè)點(diǎn)的位移最大達(dá)到30 mm，而位于底部的D測(cè)點(diǎn)的位移最小，幾乎沒有位移；位于安全殼中部的C測(cè)點(diǎn)，位移也很小最大值為3 mm。由此可知，爆燃荷載作用下殼體和下部筒體的連接處的位移最大，混凝土損壞最為嚴(yán)重，形成混凝土開裂，破壞安全殼的完整性。

圖5　安全殼位移以及應(yīng)力云圖Fig.5　Displacement and stress cloud image of containment

圖6　安全殼測(cè)點(diǎn)位移曲線圖Fig.6　Displacement curve of the measuring points of containment

4結(jié)論

通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了在一定氫氣爆燃作用下的安全殼內(nèi)不同時(shí)刻超壓變化和殼壁的壓力上升曲線，并將爆燃荷載施加于安全殼內(nèi)部，從而獲得安全殼的變形情況和壓應(yīng)力的數(shù)值模擬分析結(jié)果，具體結(jié)論如下：

(1)在本文設(shè)定的氫氣可燃云爆燃情況下，產(chǎn)生的爆燃波所經(jīng)區(qū)域壓強(qiáng)迅速上升隨后快速下降，爆燃波在接觸安全殼殼壁10 ms后，殼壁所承受的沖擊荷載抵達(dá)峰值；沖擊荷載作用在安全殼壁的時(shí)間總共為60 ms，在抵達(dá)峰值后50 ms后衰減至零。

(2)殼壁承受的壓力峰值與距爆燃點(diǎn)火源距離成反比，壓力異常較大的原因是爆燃反彈波與第一階段的直接爆燃波同向疊加。

(3)在爆燃荷載作用下，頂部殼體和下部筒體交界區(qū)域最易受到破壞，混凝土開裂而致其功能失效，該區(qū)域的變形最大達(dá)到30 mm。爆燃作用下，安全殼的最大壓應(yīng)力集中分布在該區(qū)域。在核電站安全殼的實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加強(qiáng)殼體和下部筒體連接區(qū)域的抗剪切承載力。同時(shí)，也要加強(qiáng)安全殼混凝土的抗開裂能力。

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Numerical Analysison mechanical properties of containment in the nuclear power plant under hydrogen deflagration

CHEN Changkun1,2, CHEN Jie1, WANG Weiyu1, LIU Xuanya2

(1.Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology, Central South University, Changsha 410075, China;2.Key laboratory of Building Fire Protection Engineering and Technology of MPS, Tianjin 300381, China)

Abstract:During severe accidents in the nuclear power plant (NPP), the pressure load produced by hydrogen deflagration would hazard the integrity of containment and make it become invalid, which could result in a radioactive release. A finite element model has been established by ANSYS/Fluent. The process of hydrogen deflagration and mechanical properties of the containment have been investigated by numerical method. The overpressure value, pressure boost rate, deformation, and stress distribution of the containment under hydrogen deflagration are obtained. The results indicate that the pressure rise is caused by deflagration wave, the maximum pressure appears in the flame wave, the pressure of the deflagration area rises rapidly and then declines quickly; the concrete in the connected region between the shell and the cylinder is the most vulnerable to damage, and this area has the maximum displacement and the maximum compressive stress under hydrogen deflagration. The results obtained could provide theoretical reference for antiknock design and security research of the containment.

Keywords:Hydrogen deflagration; Containment; Numerical analysis; Mechanical properties; Nuclear power plant

收稿日期：2015-08-02；修改日期：2015-12-31

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51576212)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(51534008)；建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFKT2014ZD02)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

作者簡介：陳長坤(1977-)，男，福建福安人，博士，教授，現(xiàn)任中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所副所長/消防工程系副主任，研究方向?yàn)榛馂?zāi)科學(xué)與消防工程。 通訊作者：陳長坤，E-mail：cckchen@ csu.edu.cn

文章編號(hào)：1004-5309(2016)-0034-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.05

中圖分類號(hào)：X932

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A