核電廠有爆炸危險廠房設計探討

李 榮 鵬

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

核電廠有爆炸危險廠房設計探討

李 榮 鵬

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

結合核電廠有爆炸危險廠房的特點，分析了該類型廠房的設計方案，探討了其在設計中的關鍵技術及抗爆分析計算方法，旨在確保有爆炸危險廠房設計的安全性及科學性。

核電廠，抗爆設計，結構性能，BOP

1 概述

結構設計最基本荷載是自重永久荷載與風荷載，地震荷載等可變荷載。對爆炸等偶然荷載，因其出現概率較小，一直沒有得到重視。但其特點是，結構使用期間不一定出現，一旦出現，值很大且持續時間很短。

1968年英國RONAN POINT公寓發生燃氣爆炸，導致結構坍塌造成重大傷亡。引起業界對抗爆設計的重視，進行了一系列研究工作。我國此方面事故每年層出不窮。2008年1月17日，吉林市龍潭區龍東小區天然氣爆炸，3層～5層樓板完全炸通；2007年6月5日，溫州樂清一幢5層樓房地下室燃氣爆炸，底樓與地下室完全坍塌；2006年11月17日，大連市山日街一幢樓房2層發生強烈燃氣爆炸，2層～3層樓板完全坍塌，墻體多處斷裂外張，整棟樓面臨倒塌危險。據統計，近幾年我國每年平均發生燃氣爆炸事故3 000多起，對結構破壞也在媒體報道屢見不鮮。因此這方面的設計需求較迫切。目前一些西方國家已出臺相關規范，而我國規定較少，僅石油化工工業與國防工業做過類似研究。

核電廠也存在一些具有爆炸危險的建筑物，如制氫車間、制氯站、氫氣儲存站等，多屬核電廠BOP建筑。這些建筑的結構設計參照民用規范，對抗爆，設配筋混凝土砌塊砌體抗爆墻，構造與經驗起主導作用。

爆炸等偶然荷載遠遠大于結構一般計算荷載。要求結構在爆炸時處于彈性不損壞很不經濟。所以一般將結構設計成遭受爆炸后，個別構件損壞，整體可修的水平。這也帶來一個問題，應保證結構整體不倒塌。鑒于核電廠對安全特殊要求，有必要對爆炸等偶然荷載下，結構性能進行詳細計算。

2 技術方案

抗爆設計荷載與參數輸入，可參照國外規范與國內外研究成果。目前，國外有針對于石油化工工業廠房抗蒸汽云爆炸的設計規范，國防工業對于普通炸藥與核爆條件下，產生的沖擊波超壓研究也比較充分。對有爆炸危險廠房，可結合實際提出合適的壓強與作用時間等參數。如有個別參數波動較大，基于工程設計的目的，可取最不利值包絡設計。

爆炸荷載下結構響應主要采用有限元分析方法。除此之外，還存在理論分析法、簡化單自由度等分析方法。但理論分析法受邊界條件限制嚴重，且計算十分復雜，實際應用性不強；簡化單自由度法受簡化條件制約比較嚴重，且不能對結構整體進行分析。基于動力分線性數值分析的有限元法，可以綜合考慮爆炸空氣沖擊波荷載的復雜時程曲線，材料的復雜本構，結構構件邊界條件，可對結構進行整體動力分析。且在求解過程中，因為爆炸荷載作用時間一般都非常短，應采用顯式積分法。這也是業內對于爆炸、碰撞分析常用的一種分析手段。參照石油化工行業的爆炸分類，主要可以分為蒸汽云爆炸(VCE)、壓力容器爆炸(PVE)、粉塵爆炸(DE)、物質狀態突變爆炸(CPE)這幾種。在核電廠具有爆炸危險的建筑中，絕大多數屬于蒸汽云爆炸。例如，氫氣的生產儲存車間、氯氣的生產儲存車間等等。美國土木工程師協會1996年頒布了民用建筑抗爆設計方法，還編寫有《石油化工抗爆建筑設計》[1]。美國軍方與我國國防工程設計規范對于不同類型炸藥，與不同當量TNT爆炸時產生的沖擊波峰值超壓，作用時間做出了規定，具有很高的參考價值，可充分參考確定適于核電廠廠房的參數與荷載取值。

顯式動力有限元軟件如LS-DYNA中，有各種材料的本構模型與多種接觸類型，可以考慮將現有抗爆墻在有限元軟件中用不同單元進行模擬，加入鋼筋模擬單元，進行抗爆墻的極限荷載分析。在整體結構抗爆分析，防止連續倒塌方面，可參考抗震設計進行性能化設計。即確定主要承力構件所發生極限彈塑性位移角的大小。根據控制這個值達到結構整體不倒塌的目的。目前針對于罕遇地震下的結構整體演算即是基于這個思路，保證結構彈塑性變形值不超過某一限值即可保證結構“大震不倒”。同時，還應參照結構損傷方面的研究，充分考慮到結構局部損傷對整體抗爆能力的影響。

3 關鍵技術

針對室外敞開式框架的蒸汽云爆炸壓力計算,國外常采用方法有：TNT當量法，即將一定比例的物料釋放(通常為1%～10%)爆炸轉換為相當于TNT爆炸的當量值；TNO多能量法，這種方法需要輸入較多數據，其中標準的TNO法只需采用半封閉框架體積來評估爆炸影響，唯一假設是裝置框架多大范圍內被可燃混合氣體充滿，此處可保守采用充滿全部估計。BAKER 法基于大量數據的分析，簡化了參數及相互關系，輸入數據比TNO法少，但合理程度比TNT當量法要高。

爆炸沖擊波的壓力與相關參數取值，很多情況下取決于裝置類型與工藝差別。在石油化工工業，這些參數(空氣沖擊波的峰值側正向超壓，相應正波階段持續時間等)由設備專利、生產商或者業主提出，結構專業依據參數進行計算。但參考之前經驗，在進行核電廠BOP結構設計時，往往提不出相關的參數與資料。此處應該各專業配合進行相關研究，確定合理輸入。

另外一個較大的區別是石油化工行業的蒸汽云爆炸，往往是在建筑物外發生。其在設計時，通過地理隔絕規定主控室離爆炸源應在30 m距離之外。因此結構經受的爆炸荷載多是外界傳來。例如上海某乙烯裝置的控制室、變電站結構設計中[2]，很多為單層框架結構。但其抗爆設計要求側向荷載較大，且地下持力層為欠固結土，承載力很小。不得不采用能承受很大水平力的預制鋼筋混凝土斜樁，樁長達到了36 m，傾斜度為1∶12。

而在核電廠房抗爆設計中，很多情況下爆炸源是在廠房內。如制氫車間與制氯車間，其抗爆墻設置處于隔絕控制室與車間，防止爆炸傷害控制室內人員。此處可參考國防工業對于室內炸藥爆破研究成果，并結合蒸汽云爆炸的相關規定，研究適合于核電廠房的荷載設計方法。

在數值模擬計算中，針對于混凝土砌體抗爆墻的模擬有幾點值得注意。砌體結構式依靠砂漿的粘結力將砌塊聯結成整體抵抗外力。其中砂漿為薄弱環節，爆炸荷載下很容易發生砂漿層首先破壞引起墻體倒塌失效或者砌塊飛出傷人，起不到防護目的。因此，砂漿層處理為數值模擬的關鍵。據文獻報道主要有兩種模擬方法，一是砌塊砂漿分開建模，利用砂漿單元失效取得墻體倒塌；二是將砂漿層厚度并入砌塊，利用厚度為零的接觸面模擬砂漿。因為實際設計中砂漿層加入了配筋，兩種方法都應在單元中考慮其影響。如LS-DYNA中BAR單元可與其他單元聯合使用，反映鋼筋的加強效果。

4 結語

針對目前對于有抗爆設計需求廠房，無成熟參考設計規范的情況下，可采用如下設計研究應對方法：

其一在文獻調研，參閱國外規范研究的基礎上，確定抗爆設計所需的荷載與參數輸入；

其二對現有的抗爆墻設計與結構整體設計進行校核計算，確定其安全性并提出設計改進方法；

其三掌握抗爆設計方法。能對結構整體進行構造與計算上的抗爆設計，保證在爆炸荷載下不發生整體坍塌。

[1] Design of blast-resistant buildings in petrochemical facilities,ASCE,2014.

[2] 黃鐘喜.石油化工裝置建筑物抗爆設計[J].石油化工設計, 2004,21(3)：32.

The response discussion on nuclear power plant with explosion danger workshop design

Li Rongpeng

(ChinaNuclearPowerEngineeringLimitedCompany,Beijing100840,China)

Combining with the characteristics of nuclear power plant with explosion danger workshop, this paper analyzed the design scheme of the workshop, discussed its key technology and antiknock analysis calculation method in the design, to ensure safety and scientific of explosion danger workshop design.

nuclear power plant, antiknock design, structure property, BOP

1009-6825(2017)02-0059-02

2016-11-07

李榮鵬(1984- )，男，碩士,工程師

TU271

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