王 照，馮丙辰

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518000）

隨著我國海洋經(jīng)濟的逐步發(fā)展及國家海權(quán)維護的需要，我國對海上能源供給的需求日漸強烈。浮動核電廠的浮動平臺具有靈活性、機動性以及核能的清潔高效性，可廣泛用于島礁開發(fā)和海洋資源開采，是為海洋開發(fā)提供能源保障的一種優(yōu)良的解決方案。目前，國內(nèi)已有多家研究機構(gòu)和企業(yè)開始設計多種型號的浮動核電廠[1，2]。

近年來，嚴重威脅核電廠安全穩(wěn)定運行的外部災害時有發(fā)生，引發(fā)了核電業(yè)界的強烈關(guān)注。世界核電運營者和組織在福島核事故后也為了適應國際核安全形勢，在同行評估活動中增加了一項設計信息審查科目，重點審查核電廠外部災害設計的應對能力。浮動核電廠的設計研發(fā)通常以陸上核電廠為基礎，對其進行小型化、船載化和海洋環(huán)境適應性改進，應用的外部災害設計方法通常也參考了陸上核電廠的方法。但是，浮動核電廠面臨的外部環(huán)境與陸上核電廠有很大的不同。浮動核電廠雖然可以有效規(guī)避地震等外部災害，但是也存在一些影響安全穩(wěn)定運行的特有外部災害。海水是浮動核電廠的載體，海浪是浮動核電廠最為重要的海洋環(huán)境條件，海浪災害也是對浮動核電廠影響最為重要的外部災害之一。

國內(nèi)已就浮動核電廠海浪災害安全設計開展了一些研究。文獻[3]對比了陸上核電廠和海洋船舶工程的外部災害安全目標、概率重現(xiàn)期的區(qū)別；文獻[4]調(diào)研了國外海上浮動核電站政策和標準規(guī)范；文獻[5]分析了海上核電平臺標準的現(xiàn)狀及標準的建設；文獻[6]調(diào)研了大型核動力船舶外部環(huán)境參數(shù)設計標準。以上研究未就浮動核電廠海浪災害的具體設計基準及設計方法展開系統(tǒng)、深入的探討。國家核安全局印發(fā)了《浮動核動力裝置設計中所選擇的外部災害（試行）》，給出了對浮動核電廠16類外部災害的監(jiān)管要求，對海浪災害提出了具體的最低設計基準[7]，但是沒有給出在工程項目中貫徹實施設計基準的技術(shù)指導。

浮動核電廠的設計研發(fā)是海洋船舶工程和核動力工程的結(jié)合，兩大學科相互耦合，因安全設計目標、方法、標準和特點的不同在銜接中尚存在較多問題。目前，國內(nèi)對浮動核電廠海浪災害的設計方法缺乏深入研究，現(xiàn)有的相關(guān)法規(guī)和標準的適用性也存在局限性。本文從分析海浪災害的特點出發(fā)，從多個角度分析海浪災害對浮動平臺和核蒸汽供應系統(tǒng)的影響，探討海洋船舶工程和核動力工程在浮動核電廠海浪災害安全設計中的銜接方法，并分析設計監(jiān)管中潛在的問題，為監(jiān)管政策的制訂和完善提供參考。

1 海浪災害的類型和特點

海浪是發(fā)生在海洋中的一種海水波動現(xiàn)象，其周期為0.5 s 到幾十秒，波長為幾十厘米到幾百米，波高為幾厘米到二十多米，極端情況下可能達到30 m。海浪主要分為風浪、涌浪和近岸浪3種。風浪是海平面在風的直接作用下產(chǎn)生的不規(guī)則海浪，通常是用統(tǒng)計規(guī)律和特征參數(shù)對這種不規(guī)則波進行近似描述；涌浪是從其他區(qū)域傳來的海水波動，或由于當?shù)仫L浪下降、風向改變或風平息之后形成的海浪，涌浪的形態(tài)和排列比較規(guī)則，波及的區(qū)域也比較大，近似于規(guī)則波；近岸浪是指由于外海的風浪或涌浪傳到海岸或淺灘附近，受地形作用而改變波動性質(zhì)的海浪。

本文的“海浪災害”不是指浮動核電廠長期所處的海洋環(huán)境，而是指瞬時或短時間內(nèi)可能對浮動核電廠的安全穩(wěn)定運行造成干擾或破壞的海浪。通常，波高較大的災害性海浪都屬于風浪。中國近海位于歐亞大陸，面向太平洋，受世界上最大的海洋和最大陸地的影響，冷暖空氣交換活躍，具備大風浪的形成條件。中國近海災害性海浪通?？砂凑债a(chǎn)生途徑分為3類：熱帶氣旋浪（包含熱帶低壓、熱帶風暴、臺風引發(fā)的海浪）、溫帶氣旋浪和寒潮浪。表1給出了3類風浪在中國近海及鄰近海域引發(fā)的浪高在6 m以上海浪的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[8]，由表可知，在南海地區(qū)，6 m以上的災害性海浪平均每年都會出現(xiàn)14 次以上；在東海地區(qū)，6 m 以上的海浪平均每年會出現(xiàn)15 次以上。

2 海浪災害的數(shù)學模型

海浪可以被視作由無限多個振幅不同、頻率不同、方向不同、相位雜亂的波組成，這些波構(gòu)成了海浪譜。通常用經(jīng)驗公式化描述海浪能量相對于頻率和方向的分布，典型海浪譜有ITTC雙參數(shù)譜、JONSWAP譜、P-M譜等。

表1 1966—1990年中國近海及鄰近海域浪高6 m以上海浪次數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics on the number of waves with wave height over 6m in China's offshore waters and adjacent waters from 1966 to 1990

若某一隨機過程是由大量的相互獨立的隨機因素形成的，其中，每個因素在總影響中所起的作用都是微小的，這種隨機過程通常近似服從正態(tài)分布。風浪基本滿足上述條件，因此，波幅、波浪引起船體運動的瞬時值都服從正態(tài)分布。瞬時值服從正態(tài)分布的平穩(wěn)隨機過程，其幅值服從瑞利分布。因此，風浪的波幅、船體的搖蕩幅值、應力幅值等都近似服從瑞利分布。

通常用波高來度量海浪災害破壞力和災害強度。風浪不是規(guī)則波，波幅呈統(tǒng)計分布形態(tài)。在衡量海浪的強度時，通常會使用一些特征波幅，如平均波幅、三一波幅（又稱有義波幅）、十一波幅等。使用最多的是有義波幅。有義波幅接近于目測的波幅，是在海浪災害的所有波中，有1/3波的波高是平均波高的1.6倍。

如圖1所示，圖中給出了兩個呈瑞利分布的海浪災害的波高概率分布曲線，分別標記為海浪災害A 和海浪災害B，h31 和H31 分別是兩個海浪災害的有義波高值，曲線代表海浪災害的波高的概率密度分布。

圖1 海浪災害的波高概率分布Fig.1 Distribution of hazard wave

由圖1可見，海浪災害A的有義波高的波幅低于海浪災害B的有義波高，因此，海浪災害A的災害強度低于海浪災害B。

海浪災害的特點導致了浮動核電廠設計中出現(xiàn)一些潛在的沒有被法規(guī)和標準明確規(guī)定的重大問題，比如，國家核安全局印發(fā)的《浮動核動力裝置設計中所選擇的外部事件（試行）》要求浮動核電廠關(guān)于風浪流組合災害的設計基準為500年一遇[7]，但是在100 年一遇甚至50 年一遇的這些災害強度更低的海浪災害中，也可能出現(xiàn)比500年一遇的海浪災害中出現(xiàn)的最大波高更大的波，這是一個概率問題。因此，建議監(jiān)管機構(gòu)通過概率論的方式充分細化對風浪流組合的設計基準要求，更明確地給出浮動核電廠的海浪災害設計抵抗能力限值。

3 浮動平臺對海浪災害的響應

浮動平臺是浮動核電廠的基礎和載體，海浪災害通過浮動平臺對核蒸汽供應系統(tǒng)產(chǎn)生影響。海浪災害主要挑戰(zhàn)浮動平臺的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，目前，船舶工業(yè)可以比較容易地確保平臺的結(jié)構(gòu)強度安全，因而穩(wěn)性是海浪災害對核安全挑戰(zhàn)較大的方面。浮動平臺在海浪災害的作用下會發(fā)生6 種不同的運動形式，包括橫搖、縱搖、艏搖3種轉(zhuǎn)動運動形式以及縱蕩、橫蕩、垂蕩3種直線往復運動形式。

目前，國內(nèi)設計的浮動核電廠都為自航式，浮動平臺也是單體船樣式的。浮動平臺在海浪災害作用下的6種運動形式的運動強度會受到諸多因素的影響，在浮動平臺的幾何形狀和質(zhì)量分布確定后，最主要的影響因素包括浮動平臺的航速、浪向和船向夾角、海浪波高和頻率。表2～表4 以美國企業(yè)號航空母艦為例，給出了其耐波性數(shù)值計算結(jié)果[9]。需要注意的是，表中的每一個數(shù)據(jù)都是有義值，其代表了一個運動幅值的分布，而不是一個固定值或者最大值。

參考表2～表4，通常來說，波高越大，浮動平臺在海浪的作用下的運動幅度也會越大；在浪向接近90°時，平臺橫搖幅度較大；在船向與浪向接近180°時，平臺縱搖幅度較大。

表2 企業(yè)號垂蕩運動響應Table 2 "Enterprise"sagging motion response

表3 企業(yè)號縱搖運動響應Table 3 "Enterprise"shaking motion response

表4 企業(yè)號橫搖運動響應Table 4 "Enterprise"swing motion response

根據(jù)表4，在有義波高為8.9 m的情況下，航母的航速為0，對海浪入射角為90°時的義值橫搖角度4.73°進行概率分布計算，可以得到圖2，由圖2可以看出，企業(yè)號航空母艦在該海浪入射情況下，橫搖角度超過了5.08°的概率為10%，橫搖角度超過7.18°的概率為1%?？梢岳^續(xù)推算橫搖角度超過8.79°的概率為0.1%，橫搖角度超過10.15°的概率為0.01%。越大的橫搖角對應更低的超越概率。

圖2 企業(yè)號航母在8.9m有義波高的海浪災害下的橫搖角度概率分布（航速0，浪向角90°）Fig.2 Distribution of"Enterprise"swing angle at 8.9m wave height（speed 0，wave angle 90°）

浮動平臺的形狀特征使平臺在不同的浪向角下對相同海浪波的運動響應不同，因此，浮動平臺在不可避免地遭遇到較強的海浪災害時，可通過采取科學調(diào)整航速和船向的手段，維持對浮動平臺有利的狀態(tài)。但是設計基準海浪災害造成的浮動平臺的響應是核蒸汽供應系統(tǒng)設計的基礎參數(shù)，為了安全，應使用最不利的平臺響應參數(shù)做包絡。目前，船舶工程已經(jīng)發(fā)展出眾多船舶減搖技術(shù)，可以應用于浮動核電廠平臺中。

目前，尚無核安全相關(guān)標準和規(guī)定對在海浪災害作用下的浮動核電廠平臺的橫搖、縱搖、垂蕩等運動的幅度許可值做出具體的、基準性的要求。

4 核蒸汽供應系統(tǒng)對海浪災害的響應

核蒸汽供應系統(tǒng)在災害性海浪的影響下可能有多種效應。

在傾斜、垂蕩、搖擺、沖擊等載荷的作用下，核蒸汽供應系統(tǒng)的設備、管道、支承結(jié)構(gòu)的應力受到影響，可能導致的失效模式有：（1）設備及部件的本體錨固變形、斷裂、疲勞失效；（2）設備轉(zhuǎn)軸撓度過大而卡死；（3）潤滑油液面變化導致潤滑不足；（4）由于受力變化，導致運動部件不能動作。這些失效模式嚴重影響了核蒸汽供應系統(tǒng)的電氣、儀控、機械設備的可靠性。

在傾斜、搖擺、垂蕩、沖擊等載荷的作用下，核蒸汽供應系統(tǒng)的工質(zhì)流動、熱量傳遞性能將改變，有一些效應對安全是有利的，有一些對安全是不利的，正常運行和事故響應均可能因此受到影響。通常在工質(zhì)強迫循環(huán)的情況下，影響較輕，而在自然循環(huán)條件下可能由于高差變化和搖擺、垂蕩產(chǎn)生的應力而受到影響。

5 海浪災害的設計和監(jiān)管

5.1 海浪災害設計基準

核電廠的外部災害的設計基準是核電廠設計可抵抗的強度最高的外部災害的限值，是核電廠最重要的總體設計參數(shù)之一。超出設計基準限值的外部災害可能對核電廠造成破壞性的影響，威脅工作人員和公眾的人身安全。外部災害設計基準常以概率方法推算而得，以確保超設計基準情況極不可能發(fā)生。

浮動核電廠的海浪災害設計基準與船舶設計和核蒸汽供應系統(tǒng)的設計有如圖3所示的關(guān)系。

圖3 海浪災害設計基準與船舶平臺設計和核蒸汽供應系統(tǒng)設計的關(guān)系Fig.3 Relations among design basis of wave hazard and ship platform design&nuclear steam support system design

浮動平臺設計和核蒸汽供應系統(tǒng)的設計通過海浪災害的設計基準呈互相制約的關(guān)系。通常，根據(jù)海浪災害的重現(xiàn)期標準和目標作業(yè)地點的海浪災害重現(xiàn)期關(guān)系可以得到海浪災害的強度設計基準；結(jié)合船舶的形狀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布，通過船舶的耐波性計算，可以得到平臺在設計基準海浪災害下的響應情況；平臺在設計基準海浪災害條件下的響應水平制約了核蒸汽供應系統(tǒng)的抗傾斜、搖擺能力。反之，核蒸汽供應系統(tǒng)的抗傾斜、搖擺能力將限制平臺的運動響應，對浮動平臺的耐波性優(yōu)化提出要求。同時，核蒸汽供應系統(tǒng)的系統(tǒng)配置和布置將影響浮動平臺的耐波能力，而浮動平臺的結(jié)構(gòu)形狀系統(tǒng)配置等又影響核蒸汽供應系統(tǒng)的設計和布置。

在船舶工程和海洋工程設計中，海浪災害的強度通常用有義值度量，但是，有義值是一個代表分布概率性質(zhì)的量，無法通過有義值判斷一次災害性海況的波高的最大值，而核電工程設計的外部災害強度通常使用災害的峰值強度度量，如強風災害的設計基準通常是考慮3 s最大陣風風速；地震災害的設計基準是考慮最大峰值地面加速度。如何將有義值轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲笾凳歉雍穗姀S設計中船舶設計專業(yè)和核工程設計專業(yè)需要解決的重要問題。比較簡便的方式是，以船舶設計中的有義值代表的某一具有較高超越概率的值作為核電工程的設計基準。例如，雖然圖1中波高分布曲線向高波高的方向無限延伸，這通常只是理論上的波高分布，極高的波高發(fā)生的可信性很低，因此，可對某一較大重現(xiàn)期（如500年一遇）的海浪災害的較高超越概率的波高（如0.01%）進行截斷，作為核電工程的設計基準。

5.2 確定論安全分析

在傾斜、搖擺的環(huán)境中，浮動核電廠核蒸汽供應系統(tǒng)工質(zhì)的流動和換熱性能可能會發(fā)生一些改變，而這些改變可能是對安全不利的。

（1）流動和傳熱公式的適用性。在開展核蒸汽系統(tǒng)熱工設計和安全分析計算時，首先應確認各類流動和傳熱關(guān)系式的設計基準以及海浪災害造成的最不利的傾斜搖擺下的適用性，以確認流動和換熱計算式中經(jīng)驗系數(shù)在設計中的適用性。

（2）計算程序。目前，國家核安全局已經(jīng)開展了對計算程序的審查工作，在程序開發(fā)者提出申請后，對程序進行鑒定和認可。浮動核電廠設計工作中使用系統(tǒng)程序、子通道程序、嚴重事故分析程序在開展事故安全分析時，均應考慮最不利的海洋環(huán)境，以確保在事故工況下有足夠的熱工設計裕量。

（3）非能動系統(tǒng)。通常情況下，相較于能動系統(tǒng)，非能動系統(tǒng)的性能更容易受到海浪造成的搖擺的影響，因此，在對浮動核電廠在海浪災害情況下的安全性進行評估時，需要考慮或證明非能動系統(tǒng)在海浪災害條件下的功能可用性。

5.3 設備鑒定

浮動核電廠需要驗證和確認與核安全相關(guān)的設備滿足或超過在設計基準海浪災害條件下的設計能力要求，因此，需要在設備鑒定中進行驗證。浮動核電廠設備面臨的機械環(huán)境較為復雜，可以表征機械環(huán)境惡劣程度的參數(shù)包括靜傾角度，橫搖、縱搖、艏搖最大傾角、角加速度、線速度、線加速度，縱蕩、橫蕩、垂蕩的加速度和速度等，給設備鑒定過程中極端環(huán)境條件下的設備工作條件的模擬增加了難度。

（1）鑒定參數(shù)?！逗Ｉ细∈窖b置入級規(guī)范》《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》和國標GB/T 14092.4—2009、國軍標GJB 10660.1—1991 對振動、傾斜搖擺、沖擊等都做出了一些規(guī)定，主要對靜傾傾角和橫搖、縱搖幅值和角加速進行模擬和鑒定，還在標準中規(guī)定了試驗搖擺的周期和時長。但是，這些標準和規(guī)范在制定時都沒有考慮海上浮動核電廠的特殊性。

文獻[10]指出，美、德、日、俄等國家目前已有的船舶核動力裝置堆艙的位置都位于船舯或船舯附近，分析認為，反應堆堆艙布置的最優(yōu)位置是船舶重心所在的中央?yún)^(qū)域，因為在相同的海洋條件下，船舯位置附近的機械環(huán)境更優(yōu)。施建榮、施詩、張燕在文獻[11]中指出，搖擺對具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的裝備來說，會對轉(zhuǎn)軸和軸承產(chǎn)生附加力矩，對具有液體和不平衡運動系統(tǒng)的裝備會產(chǎn)生離心力矩，因此，應將有轉(zhuǎn)軸的設備盡量延艏艉線布置和安裝。

陸上堆對設備的地震鑒定主要考慮水平和豎直向的加速度參數(shù)，在目前已有的一些標準中，針對極限海洋機械環(huán)境橫搖進行鑒定時，只考慮橫搖的角度幅值和橫搖周期，沒有考慮處于不同艙室不同位置的設備，其在相同橫搖情況下，線加速度不同，而線加速度必定會對設備的錨固、功能和性能造成影響。由此可見，目前相關(guān)設備鑒定標準對鑒定參數(shù)的選擇可能是不充分并且缺乏論證的，因此，鑒定參數(shù)的選擇需要結(jié)合設備在浮動平臺中的布置位置進行鑒定，這是應該考慮和論證的問題。

建議盡快組織制定核安全相關(guān)設備在海浪災害條件下的功能鑒定標準，在鑒定參數(shù)的選擇中，全面考慮各種海浪災害導致的機械運動的影響，對核安全重要的設備制訂更全面的鑒定標準，鑒定的標準不應低于設計基準。

（2）鑒定方法。在海浪災害條件設計基準下，浮動核電廠的響應因海浪入射角和航速的不同而改變，鑒定應采用設計基準下的最不利響應狀態(tài)。

設備鑒定方法主要分為兩類：試驗法和分析法。一些尺寸或質(zhì)量較大的設備難以具備實驗條件或?qū)嶒灣杀据^大，可以在分析功能失效模式的基礎上綜合使用兩種方法開展鑒定。

各種類型的設備在鑒定時是否應保持在線，或后期再開展功能再鑒定，也是鑒定標準中應明確的問題。

5.4 運行策略

目前，我國已經(jīng)具備很強的海洋預報能力，可以提前多日預報海域海況，因此，浮動核電廠具備很強的避離海浪災害能力。浮動核電廠應在監(jiān)管機構(gòu)的監(jiān)督下建立躲避海浪災害的決策機制，明確在未來多長時間內(nèi)將可能遇到多大的海浪災害的前提下，進行避離，并確定在何處避浪以及避離的路線。同時，監(jiān)管機構(gòu)也應據(jù)此考慮是否可以放寬海浪災害設計基準水平，以提高浮動核電廠經(jīng)濟性。

如果浮動核電廠不可抗地遭遇了海浪災害，此時維持何種運行狀態(tài)以及是否應提前停堆，應根據(jù)浮動核電廠的系統(tǒng)配置和安全分析結(jié)論得出最佳的策略，并獲得監(jiān)管機構(gòu)的認可。

6 總結(jié)

從安全重要性角度來看，核安全相較船舶浮動平臺安全更重要，但是，平臺的運動形態(tài)和海損也必定會影響核安全，因此，在浮動核電廠的設計、運行、監(jiān)管中，應以核安全為主導，船舶結(jié)構(gòu)、布置、耐波性設計要服從和配合核安全設計，將核安全監(jiān)管經(jīng)驗和方式延伸到浮動平臺，以核安全的理念加強浮動平臺的抗海浪災害安全等級。

浮動核電廠的海浪災害設計基準需要在考慮海浪災害的特點的基礎上開展深入研究，進一步明確海浪災害條件對設計基準的要求，以海浪災害的峰值強度或浮動核電廠的傾斜和搖擺峰值作為海浪災害的設計基準。

浮動核電廠海浪災害條件的確定目前還缺乏法律法規(guī)和標準的指導和監(jiān)管，在安全分析、安全級設備鑒定、運行策略等方面應建立一套科學、合理、嚴謹?shù)姆ㄒ?guī)和標準，以進一步規(guī)范浮動核電廠海浪災害條件的確定，提高我國浮動核電廠的安全性。