許 達(dá) 吳智剛 門書卉 關(guān)曉波

（1.煙臺(tái)金潤(rùn)核電材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264001；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

核電廠通風(fēng)管道縱橫交錯(cuò)貫穿各個(gè)廠房和樓層且多使用金屬鋼板加工制作，受限于材料性能，在火災(zāi)的高溫作用下，未做保護(hù)的金屬風(fēng)管有垮塌、破裂的風(fēng)險(xiǎn)，將成為火焰和煙氣蔓延傳播的重要途徑[1]，對(duì)核安全造成威脅。因此，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)保持風(fēng)管的完整性是核電廠通風(fēng)系統(tǒng)防火設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 核電廠通風(fēng)管道的防火設(shè)計(jì)要求

核電廠的防火設(shè)計(jì)主要參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22158-2008《核電廠防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]。與民用建筑防火設(shè)計(jì)主要關(guān)注人員安全與疏散逃生不同，核電廠防火設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是保證核安全[3]。通風(fēng)管道的防火設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注以下兩點(diǎn)：1）當(dāng)風(fēng)管穿越防火分區(qū)時(shí)，管道應(yīng)與貫穿墻體具有相同的耐火極限，保證防火邊界的完整性；2）在地震發(fā)生時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)管應(yīng)保持完整性，即風(fēng)管在地震時(shí)不會(huì)向下跌落，損害執(zhí)行安全功能的設(shè)備。

隨著核電廠對(duì)防火分區(qū)耐火極限要求的提升，通風(fēng)管道的耐火極限要求達(dá)到2h。按照通風(fēng)管道耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，耐火極限2h試驗(yàn)爐內(nèi)的溫度可達(dá)到1049℃。而核電廠內(nèi)的通風(fēng)管道多使用Q235B碳鋼板加工制作，使用最高溫度為350℃，因此，在火災(zāi)的高溫作用下，未做保護(hù)的風(fēng)管有垮塌、破裂的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)功能失效。一般核電廠內(nèi)多采用防火包覆的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)管道的防火保護(hù)。

2 通風(fēng)系統(tǒng)防火包覆

核電廠內(nèi)多采用在金屬風(fēng)管表面包覆一定厚度的防火材料，實(shí)現(xiàn)耐火極限的性能要求。同時(shí)，還應(yīng)設(shè)計(jì)滿足抗震要求的固定方式，防止包覆材料脫落，損壞安全設(shè)施。目前，核電廠內(nèi)的風(fēng)管的包裹形式和固定方案如下。

2.1 雙層耐火棉包裹方案

該結(jié)構(gòu)方案由兩層耐火棉組成，最外層耐火棉表面復(fù)合飾面材料，滿足放射性核素可清潔性的要求。安裝固定方面，首先將帶有螺桿的金屬條焊接或黏接在金屬風(fēng)管表面，然后將耐火棉逐層繞包在風(fēng)管上，繞包過程中耐火棉貫穿金屬條上的螺桿，配合固定卡扣來固定防火包覆結(jié)構(gòu)。采用該包覆結(jié)構(gòu)保護(hù)的金屬風(fēng)管，滿足2小時(shí)耐火極限，固定方式滿足抗震要求。

2.2 單層耐火材料包裹方案

該防火包覆結(jié)構(gòu)為單層卷毯狀材料，其內(nèi)部為耐火纖維，外表面使用鋁箔封裝，采用繞包的方式進(jìn)行安裝。該結(jié)構(gòu)使用焊接式保溫釘進(jìn)行永久固定，包覆結(jié)構(gòu)滿足2小時(shí)耐火極限要求和抗震要求。

3 新型防火包覆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前某三代核電廠通風(fēng)系統(tǒng)防火包裹主要由國(guó)外廠家供貨，國(guó)內(nèi)尚無滿足先關(guān)技術(shù)要求的防火包裹，因此，有必要對(duì)該技術(shù)要求的通風(fēng)系統(tǒng)防火包裹進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。

按照該核電廠最新的設(shè)計(jì)要求，通風(fēng)系統(tǒng)防火包覆結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足2小時(shí)的耐火極限和抗震要求，最外層封裝部分還應(yīng)滿足核電廠的放射性核素可清潔性。反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)出現(xiàn)事故時(shí)，噴淋液會(huì)與鋅合金、鋁合金反應(yīng)釋放氫氣，容易引起爆炸。因此還要求防火包覆結(jié)構(gòu)中不應(yīng)含有鋅、鋁等合金制品。

3.1 材料選型

ISO 834-1：1999《Fire-resistance tests - Elements of building construction Part 1： General requirements》中規(guī)定了耐火極限試驗(yàn)爐內(nèi)的溫度曲線按照公式（1）計(jì)算。

式中：T為爐內(nèi)的平均溫度，℃；t為時(shí)間，min。

由公式（1）計(jì)算，耐火極限2小時(shí)爐內(nèi)溫度為1049℃，所以防火包覆結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的耐熱性和隔熱性，因此該文選用耐熱溫度1250℃的陶瓷纖維毯作為結(jié)構(gòu)主材。為了控制防火包覆的單位質(zhì)量，減少防火包覆對(duì)風(fēng)管支架的承重影響，該文選擇了2種容重的纖維毯，通過比較二者的導(dǎo)熱系數(shù)，選擇相應(yīng)的產(chǎn)品作為防火包覆主材，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，熱面溫度200℃時(shí)，兩種纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)相差一倍；熱面溫度600℃時(shí)，二者導(dǎo)熱系數(shù)基本一致。由此可以看出，低容重纖維毯具有更好的隔熱能力。因此該文選用耐熱溫度為1250℃、容重為96kg/m3的纖維毯作為防火包覆結(jié)構(gòu)主材。

表1 不同容重纖維毯的導(dǎo)熱系數(shù)

因?yàn)榉阑鸢步Y(jié)構(gòu)中不允許含有鋅、鋁等制品，所以結(jié)構(gòu)外表面封裝材料將不使用鋁箔。玻璃纖維布具有耐高溫、防腐、強(qiáng)度高、易彎折等特點(diǎn)。硅橡膠具有優(yōu)良的耐候性、耐輻照和耐高溫能力，因此防火包覆結(jié)構(gòu)外表面封裝材料使用硅橡膠涂覆玻璃纖維布（簡(jiǎn)稱“硅布”），利用其優(yōu)異的防滲漏、高強(qiáng)度等性能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)層纖維毯的保護(hù)。

經(jīng)檢測(cè)，硅布的放射性核素污染敏感性為1.73%，放射性核素污染去污率為99.82%，硅布的可去污性滿足技術(shù)要求。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證防火包覆結(jié)構(gòu)滿足2小時(shí)耐火極限要求，該文采用雙層纖維毯+雙層硅布繞包的結(jié)構(gòu)方案。使用2層纖維毯繞包金屬風(fēng)管，纖維毯間使用膠黏劑黏接，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。纖維毯外層使用硅布進(jìn)行封裝，該結(jié)構(gòu)每平方米質(zhì)量為12.8kg，包覆結(jié)構(gòu)的質(zhì)量載荷滿足風(fēng)管支架的承重設(shè)計(jì)要求。

固定方式方面，因最新技術(shù)要求防火包覆的固定方式不能減弱或破壞金屬風(fēng)管的密封性能，所以該方案將不使用焊接方式固定防火包覆結(jié)構(gòu)，以免造成金屬管道的損傷。而使用15mm×0.4mm的不銹鋼扎帶捆扎固定防火包覆結(jié)構(gòu)，鋼扎帶與金屬風(fēng)管間無剛性連接，不會(huì)對(duì)金屬風(fēng)管造成影響。防火包覆結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防火包覆結(jié)構(gòu)示意圖

4 防火包覆結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證

4.1 抗震分析

4.1.1 主要技術(shù)參數(shù)

計(jì)算采用捆扎方案中12.8kg/m2整體等效質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)管模型采用核電廠典型風(fēng)管，即截面為1250mm×630mm，構(gòu)件為直管段，單段長(zhǎng)度為1225mm，風(fēng)管板材為Q235B，厚度1.5mm。

鋼扎帶，寬度15mm，厚度0.4mm，材質(zhì)信息如表2所示。

表2 鋼扎帶參數(shù)

4.1.2 載荷

實(shí)體結(jié)構(gòu)在正常、擾動(dòng)和事故工況下考慮自重和地震的組合作用，載荷情況如下。

自重，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)管結(jié)構(gòu)本身的自重、防火材料的質(zhì)量及固定扎帶的質(zhì)量；壓力，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)管內(nèi)部-300Pa的內(nèi)壓，該壓力與耐火極限測(cè)試風(fēng)管內(nèi)壓一致；地震載荷，實(shí)體結(jié)構(gòu)考慮SSE地震水平，為保證計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)性，實(shí)際采用核電廠各廠房、樓層反應(yīng)譜中最高標(biāo)高2%阻尼比反應(yīng)譜進(jìn)行包絡(luò)處理，形成包絡(luò)譜進(jìn)行抗震分析。反應(yīng)譜數(shù)值見圖2和圖3。

圖2 計(jì)算水平向包絡(luò)譜

圖3 計(jì)算豎直向包絡(luò)譜

4.1.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定方法

根據(jù)RCC-M H3320板式或殼式支承件的設(shè)計(jì)規(guī)則，保守按事故工況載荷進(jìn)行加載，按O級(jí)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。支架板的應(yīng)力極限值與許用應(yīng)力的關(guān)系如表3所示。

表3 板式支承件的應(yīng)力限值

4.1.4 風(fēng)管標(biāo)準(zhǔn)模型及結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

該文采用3段直管作為單一計(jì)算單元進(jìn)行力學(xué)分析，使用ANSYS Workbench進(jìn)行分析，X、Z方向?yàn)樗椒较颍琘方向?yàn)樨Q直方向。根據(jù)載荷對(duì)風(fēng)管模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)及響應(yīng)譜分析，計(jì)算得到自重+SSE地震下的組合應(yīng)力結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算整體第一主應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)計(jì)算扎帶部分薄膜加彎曲應(yīng)力云圖

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)價(jià)方法，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)如表4所示。

表4 扎帶結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)價(jià)

通過應(yīng)力分析，防火包覆捆扎結(jié)構(gòu)在所承受各種載荷作用下，扎帶的應(yīng)力滿足RCCM規(guī)范的要求，可保證包覆結(jié)構(gòu)在地震載荷下完好包裹風(fēng)管，不脫落。

4.2 耐火極限

根據(jù)ISO 6944：2008《Fire containment — Elements of building construction —Part 1Ventilation ducts》的要求，按照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)形式，制作耐火極限測(cè)試樣品。包覆結(jié)構(gòu)使用鋼扎帶捆扎包裹在金屬風(fēng)管上。試驗(yàn)進(jìn)行2小時(shí)，并按照ISO 6944-1：2008標(biāo)準(zhǔn)第11章進(jìn)行評(píng)價(jià)。

測(cè)試樣品中的管道A用來模擬外部火源對(duì)風(fēng)管的影響，測(cè)試過程中風(fēng)管內(nèi)保持300Pa的負(fù)壓。管道B用來模擬火焰蔓延至風(fēng)管內(nèi)部的情況，爐內(nèi)風(fēng)管部分有對(duì)向開孔，兩個(gè)開孔的總截面尺寸為風(fēng)管截面的50%，測(cè)試過程使用風(fēng)機(jī)周期性控制風(fēng)管B內(nèi)的空氣流速為3m/s，將爐內(nèi)的熱空氣通過風(fēng)管B抽至爐外。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算扎帶部分薄膜應(yīng)力云圖

試驗(yàn)進(jìn)行2小時(shí)結(jié)束，防火包覆結(jié)構(gòu)及鋼扎帶狀態(tài)如圖7所示。各樣品的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由圖7和表5可知，該文開發(fā)的防火包覆結(jié)構(gòu)及固定方案可以滿足2小時(shí)耐火極限的性能要求，試驗(yàn)件的完整性、隔熱性、泄露率均滿足項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求。耐火測(cè)試完成后，包覆結(jié)構(gòu)完整，扎帶無斷裂、脫落情況，固定方式有效。

圖7 耐火極限測(cè)試后防火包覆及扎帶狀態(tài)

表5 耐火測(cè)試驗(yàn)收指標(biāo)

5 結(jié)論

根據(jù)前文描述和試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論：1）扎帶固定方案可以保證防火包覆結(jié)構(gòu)在地震載荷和火災(zāi)的高溫工況下不脫落，對(duì)金屬風(fēng)管密封性無影響。2）防火包覆結(jié)構(gòu)滿足核電廠2h的耐火極限要求。3）該結(jié)構(gòu)的防火包裹滿足某核電廠對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)防火包裹的技術(shù)要求。

我國(guó)核電廠通風(fēng)系統(tǒng)防火包覆結(jié)構(gòu)一直以來均由國(guó)外廠商提供，國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)對(duì)此細(xì)分領(lǐng)域研究較少，研究成果鮮見于公開報(bào)道。該文通過材料選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試制出一種滿足某核電廠技術(shù)要求的防火包覆結(jié)構(gòu)，可成為核島通風(fēng)系統(tǒng)防火包覆的新選擇。