核島內部水淹分析方法

趙萌　高文迦

【摘 要】核島內部水淹可以導致核島內多系統設備產生共模故障，對電站的安全運行存在潛在的威脅。本文介紹了核島內部水淹的分析方法，通過定義核島內部水淹源、水淹分區與漫延路徑來確定水淹高度，從而為水淹對核安全系統設備的影響程度提供具體依據，以便后續在設計上采取措施，避免或消除內部水淹對核島的影響。

【關鍵詞】內部水淹

中圖分類號： TM623.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0228-002

Analytical Way For Internal Flooding In Nuclear Island

ZHAO Meng GAO Wen-jia

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd， Beijing）

【Abstract】Water flooding occurred in nuclear island threatens safe operation of the power plant by causing common-mode faults in many systems and equipments.This paper introduces way of analysis for internal flooding in nuclear island：to calculating of flooding height by considering the flooding source，flooding area and spread route，which determine the degree of flooding influence on safety-related SSCs in nuclear island.As a result，the protective measures can be taken in the design to avoid or eliminate the potential hazard from the internal flooding in nuclear island.

【Key words】Internal Flooding

0 前言

內部水淹是可以導致多系統設備產生共模故障的一種危害。本文介紹了一種內部水淹的分析方法，通過對核島內部某一區域內水淹源、水淹漫延過程的分析與計算，得到該區域在一定時間內的淹水累積。后續可據此采取必要的設計措施降低水淹危害程度，避免核安全相關系統設備受到水淹影響。

任何區域的水淹水位都是通過評價流體的流入量、流出量和蓄積量來確定的[1]。為了確定這幾個量，需要對內部水淹的過程做一些簡單的規劃，然后引入計算。

1 內部水淹分析的過程量

內部水淹在確定水淹源、漫延路徑以及計算水淹高度時通常要針對某一區域來進行。水淹分區的劃分與漫延路徑的選取是水淹分析中兩個比較重要的環節，其選取與水淹高度計算結果直接相關。

劃分水淹分區

簡單地說，水淹分區就是把結構錯綜復雜的核島廠房內部，按照一定的規則，分成若干小區域，以便分別進行分析，各個小區域之間通過水的漫延建立相互關系。劃分水淹分區最簡單易行的方法是先將各個房間作為最小單元，再根據以下方法進行合并：

△同一層高之間，沒有邊界分隔的房間合并在一個分區。這種情況常見于各廠房底層。

△相鄰層高之間，上下連通或有開敞大洞的房間合并在一個分區。例如樓梯間或以鋼平臺作為地面的上下兩層房間。

確定漫延路徑

漫延路徑的起點是水淹源所在區域，且水淹源的泄漏率能達到水淹流量（100gpm以上，參照EPRI導則1.3.3）。

漫延路徑的終點通常為下列中的一種：

△室外；

△底層地下室；

△封閉房間。

2 內部水淹計算思路

分區內水淹水位通過分區內流體的流入量、流出量和蓄積量來確定。對始發水淹的分區，流入量主要來自容器破口、管道破口、消防啟動或密封件泄漏的泄漏率，流出量則是通過門、孔洞、地漏和地坑等排出分區的水量總和。對位于漫延路徑上的分區，一邊是經由門、洞等進入分區的水，一邊是經由門、洞、地漏、地坑等排出的水。

核島內部水淹計算主要遇到的是孔口流和堰流兩種流體模型，分別采用孔口流模型與堰流模型進行計算，這兩種模型計算的原理均來自伯努利方程。經其推導出的孔口流量公式和堰流流量公式分別為：

2.1 流入量

所有包容流體系統的管道與容器都可以看作是水淹源。因此，對于任一水淹分區，水淹源就是布置在該分區內的流體管道與容器。

流體系統成為水淹源主要由以下幾種原因造成：容器破口、管道破口、消防啟動或密封件泄漏。通常，對于某一個水淹分區，往往存在不止一處潛在水淹源，根據確定論單一故障準則，不考慮同時發生兩處以上始發水淹事件。因此在分析中，通過對分區中各水淹源的泄漏率進行計算并比較，取其中泄漏率最大值作為該分區中水淹源的包絡值。水淹持續時間通常取30分鐘[3]。

箱罐槽破口

破口容器釋放的流體總量與破口位置有關，最大值應等于容器的有效容積，同時考慮自動補水系統的影響。破口流量用公式3-1孔口流量方程進行計算。

管道破口

管道破口的流量依照高能管道和中能管道的不同流體模型，采用不同的計算公式。高能管道破口流量應按照臨界流的流量公式進行計算[4]。其中，環向斷裂的破口面積等于管道流通面積的兩倍[5]?？v向破裂的破口面積等于管道的橫截面流通面積[5]。中能管道破口形式為穿壁裂縫。破口面積等于管道的內徑的一半與管壁厚度的一半的乘積[5]。采用公式3-1破口流量公式進行計算。

消防系統動作

消防系統啟動產生的水量依據消防設計要求來確定。

泵閥密封件泄漏

密封件泄漏主要指閥桿密封泄漏或泵軸封裝置泄漏，參照RCCP對非能動故障的要求，這類水淹水量通常按6m3考慮。

2.2 流出量

在與漫延路徑相關的計算中，一個分區邊界如果存在多個門和孔洞，則這些門和孔洞既可能是流入途徑，也可能是流出途徑，具體流向要看門及孔洞在漫延路徑中的位置，分區中設置的翻邊、堰墻起到在時間上阻礙水流的作用，不對最終的水淹高度計算結果產生明顯影響；地漏及疏排水系統如地坑與地坑泵則單純起到排水的作用。

門與門縫

門在水的流動過程中起到阻隔作用。除了水密門和氣密門，核島中其它的通行門都或大或小存在門縫，這是水流突破分區邊界的早期途徑。

核島中不設置門檻的門，水流經門縫主要有三種情形：一開始水從門縫中自由流出不受限制；當分區內水累積高過門縫的高度，分區外的水位在門縫高度之下，此時水的流動類似孔口自由出流模式，其流量用公式3-1進行計算。當分區內外的水位均高于門縫高度，此時水的流動類似孔口淹沒出流模式。公式中的h在此為分區內外兩液面的高度差△h。

對于核島中有門檻的門，水流經門縫也是三種情形：最初的情形與無門檻時不同，門檻的設置引起水流模型變化，在分區內水位高度沒有高過門檻與門縫之和期間，水流模式為堰流模式，其流量用公式3-2進行計算。當分區內水累積高過門檻與門縫的高度后，水流動模式就與前面無門檻時相同了。

當水的積累高度不斷增加，達到門的破壞高度時，門失效打開，此時分區內外連通，水位在兩個分區之間將快速重新分布并達到平衡。

樓板或墻上未封堵的孔洞

核島中絕大部分墻上與樓板上的孔洞，在安裝相關物項后都將被封堵。不封堵的孔洞只是極少數，例如檢修吊裝留洞，這些孔洞上通常設有蓋板或鋼格柵。

不論孔洞是位于墻上還是樓板上，通過孔洞的水流動模式歸納起來只有兩種類型：沿邊流和滿灌流。其中沿邊流采用堰流模型，用公式3-2進行計算。滿灌流采用孔口流量模型，用公式3-1進行計算。水經過翻邊洞口溢流的流量按照堰流公式3-2進行計算。水流經鋼格柵洞口的模式及流量與鋼格柵上小格的邊長與數量相關。

地漏

地漏排水與樓板孔洞中的圓洞排水形式類似，也分為沿邊流和滿灌流兩種形式。保守考慮時，分區內的地漏個數取50%可用。

地坑

廠房底層的集水地坑內設有地坑泵以排出積水。保守考慮時，地坑泵作為非核級能動設備，其水淹緩解作用常不被計入。

2.3 水淹高度

某一時間段內，分區水淹水位的高度由水在該區域的累積量來確定，累積量是流入量與流出量的差值，它與該區域的空余面積一起影響水淹水位的高低，即：

H=Qa·T/A=（Q1-Q2）·T/A公式3-3

其中H為水淹水位高度， Q1、Q2、和Qa分別代表流入量、流出量和累積流量，T為時間，A為分區內的空余面積，指分區的面積扣除設備結構等占用面積后所剩余的面積。

3 總結

核島內部水淹防護，重點防護與核安全相關的系統設備及水淹緩解設備。內部水淹分析主要包括確定水淹源及其水量、分析漫延路徑并確定積水最終去向、計算水淹高度并評價水淹后果。計算前，有必要先對此水淹做一個保守的簡化分析，確認有充足的水量和足夠快的泄漏率使水能夠累積到導致始發水淹事件發生或損壞水淹緩解設備，只有這樣的水淹才需要作近一步計算。水淹高度的計算過程比較繁瑣，推薦通過計算機編程進行。

【參考文獻】

[1]ANSI/ANS 56.11-1988，輕水堆隔間淹沒效應防護準則.

[2]蔣寶軍，劉輝.流體力學，北京：化學工業出版社2015：121-123，177-182.

[3]ANSI/ANS-58.8-1984，核安全相關操作員動作時間響應設計準則

[4]ANSI/ANS 56.10-1982，輕水堆隔間壓力與溫度瞬態分析

[5]ANSI/ANS 58.2-1988，輕水堆核電站假想管道破損事故防護設計準則.