非能動實體防火保護結構的國產化研制

韓雨　袁煒　劉蔚　關曉波　門書卉　姜振良

【摘 要】自嶺澳二期核電站起，非能動實體防火保護結構的供貨一直由國外廠商獨家壟斷，采購費用昂貴，為降低建造成本，打破技術壁壘，急需對該防火結構進行國產化。通過對該防火結構技術要求的分析，并考慮核電站特殊的使用環境，對組成該防火結構的材料進行了選型，制作了樣件，并對樣件進行了耐火極限的測試。最終，研制出滿足M310二代加核電站設計要求的非能動實體防火保護結構，實現了國產化，填補了國內空白。

【關鍵詞】核電站；非能動實體防火保護結構；國產化

0 前言

核電站非能動實體防火保護結構是一種由熱絕緣材料構成的、具有耐火性能的實體隔離結構，確保位于防火區內被保護設備在規定時間內其功能的有效性。該防火結構長期依賴進口，國外廠商對關鍵參數保密，國產化難度非常大。

自嶺澳二期核電站起，該裝置的供貨均由國外某廠商獨家壟斷，采購費用昂貴。同時，國外供應商在我國沒有設立技術服務中心，某項目出現安裝問題后，其技術工程師從國外派遣，中方需承擔交通、食宿、現場服務費，增補的貨物海運至現場的時間至少為一個月，嚴重滯后了工程進度，增加了建造成本。

隨著國內需求量的增長，無論從造價還是安裝技術指導，都需要打破國外供應商壟斷，研制國產的具有自主知識產權的非能動實體防火保護類產品。

1 非能動實體防火保護結構的型式和組成

1.1 非能動實體防火保護結構的形式

根據所保護設備的不同，非能動實體防火保護結構分為三種結構形式，防火屏障（圖1所示）、防火包覆（圖2所示）和防火箱體（圖3所示）。

1.2 非能動實體防火保護結構的組成

非能動實體防火保護結構包括以下組成部分：

（1）防火纖維棉毯：非能動實體防火保護中執行防火功能的主材，采用礦物巖制成的纖維棉毯，其耐輻照性好，使用壽命長。

（2）膠粘劑：主要用于防火纖維棉毯、玻璃纖維橡膠布、混凝土、金屬基底之間的粘結。

（3）玻璃纖維橡膠布：一種以玻璃纖維布為基底，表面涂覆橡膠層的防水布。防止陶瓷纖維毯散落，保護其不受外部環境影響，發生失水事故時不破裂，不堵塞安全殼噴淋系統的地坑過濾器。

（4）密封膠：用于玻璃纖維橡膠布接縫處的密封，形成完整的防滲漏整體。

（5）通風膨脹模塊：該模塊既要保證低壓動力電纜正常運行時（最高正常運行溫度90℃）的通風，又要保證發生火災時能迅速閉合。

（6）耐火板：用于制作防火箱體的防火門，以保證可以對被保護設備進行檢修。

（7）支撐體系：保證非能動實體防火保護結構在正常條件下的穩定性以及地震載荷作用下的完整性。其他防火材料通過鉚接以及粘接的方式固定在支撐體系上。

2 材料的選型和研發

2.1 防火纖維棉毯的選擇

防火纖維棉毯是非能動實體防火保護結構的核心材料，它直接決定了整個防火保護裝置是否能滿足1.5h耐火等級的要求。

防火纖維棉毯密封在防火裝置內部，不與環境直接接觸，不需要具有抗DBA（設計基準事故）、放射性核素去污的能力。不同材質的防火纖維棉毯的物理性能對比見表1：

根據耐火試驗標準溫升曲線的方程，1.5h耐火極限的最高溫度為1027℃，從上表可見只有陶瓷纖維棉的使用溫度滿足該條件。采用陶瓷纖維棉毯作為優選方案。

2.2 耐火板的確定

對于防火箱體這種保護形式是將所保護的設備進行實體隔離，以避免受到火災事故的影響，但是這種保護方式也不可避免的將相關設備置于封閉的空間，導致其無法在核電廠正常運行條件下進行檢查或維護，如圖3所示，這種情況下必須把防火箱體的其中一面設計成為可以反復打開和關閉而不破壞其結構的保護形式，滿足受保護的設備進行檢修維護的需要，因此將防火箱體的其中一面設計成為可以使人員正常進出的防火門，其通過機械錨固在支撐體系上，由具有耐火極限要求的耐火板組成。

耐火板作為防火箱體結構的一個外露表面，與環境直接接觸，因此要求具有抗DBA性能以及可以去除表面放射性核素沾污的性能。同時，作為該防火結構的一個支撐面，要求其具有一定的剛性，可以經受一定程度的碰撞。另外，作為防火箱體結構的一個防火面，要求耐火板具有一定較高的使用溫度和較低的導熱系數。

根據上述的要求，選定了在核電站內常用的硅酸鈣耐火板。

2.3 膠粘劑的選擇

由于非能動防火保護結構的主體材料是由兩層防火纖維毯組成，因此兩層主體材料之間就必須有相應的材料進行黏結，以防止主體材料之間脫落或出現空隙。同時，為了保證整個玻璃纖維橡膠布與纖維棉毯形成一整體，防止硅布與陶瓷棉之間發生縱向竄動，在支撐體系的不銹鋼護板和內層纖維毯之間也要涂刷膠粘劑進行粘結。

膠粘劑在裝置內部使用，不與環境直接接觸，不需要具有抗DBA、放射性核素去污的能力。各類膠粘劑的性能對比見表2：

環氧樹脂類和酚醛樹脂類最高使用溫度不能滿足1100℃的設計要求。磷酸鹽類和硅酸鹽類耐輻照性好，最高使用溫度滿足設計要求，但磷酸鹽類pH值呈酸性，不能用于混凝土或金屬基底上。選擇偏堿性的無機硅酸鹽膠粘劑作為優選方案。

2.4 玻璃纖維橡膠布的選則

玻璃纖維橡膠布位于整個防火保護結構的最外層，應具有良好的韌性、耐輻照性能和可去污性，能承受DBA試驗。對JC/T171《涂覆玻璃纖維布》標準中涉及的橡膠涂覆層進行了以下對比，如表3所示：

抗DBA試驗最高溫度會達到156℃。天然橡膠、丁腈橡膠的使用溫度較低，在DBA試驗時易脫落、粉化；乙丙橡膠的耐輻照性能差，長時間處于輻照環境下，易脆化；硅橡膠具有良好的耐酸、耐水和耐輻照性，壽命較長，使用溫度較高。選用硅橡膠涂覆玻璃纖維布（簡稱硅布）作為優選方案。

2.5 密封膠的選擇

密封膠在防火保護結構中主要用于外層硅布間的搭接、硅布與混凝土、金屬支撐、電纜管道貫穿件等縫隙處的密封，從而形成一個連續的光滑可去污表面，形成完整的防滲漏整體，將主體防火材料陶瓷纖維毯完全包覆在硅布內部。

目前，國內所使用的密封膠種類繁多，在選型時主要考慮目前在國內外應用比較廣泛的聚丙烯酸酯類密封膠、聚氨酯類密封膠和硅酮類密封膠，其優點和缺點分析見表4：

硅酮密封膠工作溫度為-50～200℃，能承受DBA試驗時的最高溫度，且耐輻射性好，使用壽命可達20年以上。最終采用核電站反應堆廠房已使用的硅酮密封膠作為優選方案。

2.6 通風膨脹模塊密封條的選擇

膨脹模塊采用剛性防火板為基底框架，復合遇熱膨脹密封條。膨脹密封條的起始膨脹溫度應在大于90℃（電纜最高正常運行溫度）的基礎上越低越好（遇熱及時膨脹），此外還要求耐輻照性能好。通過對具有遇熱膨脹特性的材料進行如下對比（圖5）。

膨脹硅酮橡膠屬于耐輻照性好、使用壽命長的橡膠類產品，經常用于航空航天系統，其低溫膨脹性能優越，滿足防火包覆通風散熱部件的功能要求。選擇膨脹硅酮橡膠作為優選方案。

2.7 支撐結構的設計

選用60*60*6的方鋼作為支撐體系的主要組成部分（柱和梁），材質為Q235B，做熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅厚度不低于70微米。

由于安裝非能動實體防火保護結構時現場各設備已經到位，因此，支撐結構的設計必須以現場測量的數據為基礎，配合ANSYS軟件，對非能動實體防火保護結構進行三維有限元模型抗震性能分析，地震荷載采用相關項目核島廠房樓層反應譜，如不滿足抗震要求則進行進一步的加固措施，直到滿足抗震要求為止。

3 耐火極限測試

非能動實體防火保護結構的耐火極限測試按照GB/T9978.1中的標準溫升曲線及試驗條件進行，所使用的測試試件的尺寸為2000mm×2000mm×1200mm，并設置有管道、電纜和電纜橋架等貫穿物，貫穿物采用陶瓷纖維毯包裹，試件結構如圖4所示。

測試時，將測試用構件整體放入試驗爐中，用爐蓋板封閉爐膛口。用于測量箱體內部溫度的熱電偶，主要布置在箱體的中心、箱體上部四個頂角、防火門的縫隙處以及貫穿物項上，共布置熱電偶21個。

耐火極限的測試時間為1.5h，試驗結束后，應對試件的完整性進行評價并記錄內部熱電偶的溫度。

4 試驗結果

非能動實體防火保護結構的耐火極限測試及核電站特殊使用環境測試的結果見表6，經測試，非能動實體防火保護結構的國產化產品滿足相關技術規格的要求，完成了核電站非能動實體防火保護結構的自主研制任務，實現了國產化。

5 重要意義

核電站非能動實體防火保護結構的國產化產品，報價至少比國外同類產品低40%，且具有全部自主知識產權，可用于中核、中廣核集團在建的M310機組，具有較大的商業價值。

核電站非能動實體防火保護結構的成功研制，增加了相關人員的設計經驗，實現了該產品的國產化，打破了該產品長期依賴進口的歷史，對于我國核電站被動防火裝置的研發工作具有重要意義。

[責任編輯：王楠]