核電站溝道設(shè)計問題分析與改進建議

文／唐丹 中核集團三門核電有限公司 浙江三門 317112

1、引言

管線是構(gòu)成核電站水、電、氣完整系統(tǒng)的重要組成部分，部分管線根據(jù)運行環(huán)境或檢修需求敷設(shè)在溝道內(nèi)。這些溝道根據(jù)工藝和電氣系統(tǒng)接口位置的不同，通常會分布在電廠的各個區(qū)域。

與管線布置原則類似，溝道的布置也應(yīng)滿足短捷、順直，適當集中的原則，有利于減少廠區(qū)室外用地。溝道埋深和寬度與管線的管內(nèi)介質(zhì)、布置要求和施工維修需求密切相關(guān)，核電站的溝道設(shè)計還需要考慮其特殊要求，如穿越實物保護圍欄需要加設(shè)紅外探測系統(tǒng)及格柵探測系統(tǒng)；溝道內(nèi)部分系統(tǒng)管線和閥門定期檢查和試驗時需要頻繁開啟溝道蓋板；廠區(qū)GIS 設(shè)備對沉降較為敏感溝道需要采用樁基等。

核電站溝道設(shè)計的合理性直接影響電廠生產(chǎn)運行期間使用和維護的便利性，另外從提高溝道使用壽命、降低建造/維護成本和工業(yè)安全的角度考慮，溝道蓋板還應(yīng)結(jié)合溝道內(nèi)介質(zhì)特性、室內(nèi)外環(huán)境和所處功能區(qū)域等情況選擇合理的承載能力，并選用合理的材質(zhì)。

2、三門核電一期工程溝道設(shè)計情況

三門核電一期工程溝道主要分布在主廠區(qū)、廢水處理車間、循環(huán)水泵房和化水區(qū)域，另外還有穿越廠區(qū)范圍較廣的輔助蒸汽溝道、220kV 電纜溝和500kV GIL 溝道。廠區(qū)溝道以地表溝為主，溝道蓋板主要采用混凝土蓋板，蓋板的寬度50cm 左右，其長度、厚度和配筋與溝道寬度和承載能力相關(guān)。化水和廢水處理車間等部分內(nèi)部有腐蝕性液體的溝道采用玻璃鋼蓋板，室內(nèi)電纜溝等少部分溝道采用花紋鋼蓋板，具體如下：

（1）主廠區(qū)室外溝道：主要是電纜溝和除鹽水管線，寬度0.4m-0.8m,采用混凝土蓋板。

（2）輔助蒸汽溝道：分為過道路段和非過道路段，寬度為0.7m、1.4m,采用混凝土蓋板。

（3）廢水處理車間區(qū)域：包括廢水管線、電纜溝和酸堿加藥管溝等，寬度在1.0m 左右，室外為混凝土蓋板、酸堿加藥管溝采用玻璃鋼蓋板，室內(nèi)電纜溝采用花紋鋼蓋板。

（4）循環(huán)水泵房/加氯車間區(qū)域：包括加氯管線、排水溝和電纜溝，寬度0.8m-1.9m，排水溝采用玻璃鋼鋼板、電纜溝采用花紋鋼蓋板，其他溝道為混凝土蓋板。

（5）開關(guān)站區(qū)域：主要是電纜溝，寬度為1.3m，采用混凝土蓋板。

（6）化水區(qū)域：主要是水系統(tǒng)相關(guān)的管溝，寬度不等，主要采用混凝土蓋板、室內(nèi)少量采用玻璃鋼格柵/蓋板。

（7）三廢區(qū)域溝道：主要是化學(xué)廢液管線和電纜溝，均采用混凝土蓋板。

（8）220kV 電纜溝：寬度為1.3m，地表充沙溝，采用混凝土蓋板。

（9）500kV GIL 溝道：采用樁基基礎(chǔ)，寬度為3.5m，采用混凝土蓋板。

3、溝道蓋板材質(zhì)對比分析

核電站溝道蓋板常用的主要有混凝土蓋板、花紋鋼蓋板和玻璃鋼蓋板等幾種。不同材質(zhì)蓋板的優(yōu)缺點和對比情況如下：

（1）混凝土蓋板

混凝土溝蓋板優(yōu)點是：剛度大，承載能力高；適應(yīng)室外環(huán)境，耐腐蝕，使用壽命長；材料簡單，預(yù)制方便，價格低廉。缺點是厚度較厚、重量大，安裝和開啟較困難。

（2）花紋鋼蓋板

花紋鋼蓋板一般采用碳鋼制作，其優(yōu)點是強度高、厚度薄，重量相對較輕。缺點是在鹽霧環(huán)境下容易腐蝕；剛度低，易變形。通常較少采用不銹鋼蓋板，因為需要定制，且不銹鋼蓋板相對于普通鋼蓋板材料成本增加3～5 倍。

（3）玻璃鋼蓋板

玻璃纖維增強塑料俗稱“玻璃鋼”，是以合成樹脂為基體材料、以玻璃纖維及其制品為增強材料，通過一定的成型工藝制成的聚合物復(fù)合材料。玻璃纖維是玻璃鋼中的主要承力組分，玻璃鋼的力學(xué)性能在很大程度上取決于玻璃纖維增強材料的性能、含量和使用狀態(tài)。玻璃鋼質(zhì)輕高強且耐腐蝕，密度只有碳鋼的1/4～1/5，抗拉強度略低于碳鋼的強度，具有非常優(yōu)越的耐酸、耐堿、耐有機溶劑的性能。

但玻璃鋼也存在明顯的局限性：1）易老化，耐久性差，使用壽命短。玻璃鋼材料在日光和空氣的作用下容易發(fā)生老化，出現(xiàn)表面失去光澤,樹脂與玻璃纖維剝離,機械強度下降等問題，限制了在戶外的應(yīng)用。通常玻璃鋼材料的使用壽命為15～20年，且不同廠家玻璃鋼的耐久性差別較大；2）剛性不足。樹脂材料本身是低彈性材料，在相同的荷載下，玻璃鋼的變形性更大。

表1 溝道蓋板優(yōu)缺點對比

核電站一般位于沿海地區(qū)，長期處于鹽霧腐蝕環(huán)境下，室外溝道采用花紋鋼蓋板容易發(fā)生腐蝕，進而增加維護成本和工業(yè)安全隱患。玻璃鋼蓋板質(zhì)輕高強，是一種較優(yōu)質(zhì)的材料，但根據(jù)某核電站玻璃鋼格柵蓋板破裂導(dǎo)致人員墜落事件的經(jīng)驗反饋，以及三門核電室外玻璃鋼蓋板實際使用情況來看，多處玻璃鋼蓋板出現(xiàn)了微裂紋和變色的情況。因此，玻璃鋼蓋板在室外環(huán)境下容易老化，影響使用壽命。

因此，考慮核電站位于沿海環(huán)境，且運行壽命長達60年，建議廠區(qū)室外溝道以混凝土蓋板為主，在條件允許且滿足功能要求的區(qū)域（如室內(nèi)），采用玻璃鋼蓋板或鋼蓋板。

4、三門核電溝道設(shè)計問題與經(jīng)驗反饋

三門核電一期工程建設(shè)期間和投運后，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域的溝道設(shè)計存在混凝土溝道蓋板較重開啟困難、拆卸工作量大，以及溝道蓋板承載能力不足等問題，對生產(chǎn)運行的使用和維護帶來不便。主要問題如下：

4.1 溝道設(shè)計考慮不完善，導(dǎo)致運行使用不便

變壓器區(qū)域220kV 電纜溝內(nèi)較低的區(qū)域原設(shè)計考慮溝道內(nèi)積水通過地滲的方式，實際運行發(fā)現(xiàn)溝道的密封效果不佳，大量雨水進入溝道后無法通過滲入地下的方式排出，導(dǎo)致電纜溝內(nèi)存在積水。后續(xù)機組220kV 電纜溝設(shè)計增加了排水措施，將積水接入就近的雨水井。

輔助蒸汽管溝和RO 濃水管溝道采用聚脲防腐涂料，運行階段多次發(fā)現(xiàn)溝道內(nèi)聚脲出現(xiàn)破損、脫落的問題，且聚脲施工工藝和施工條件要求高，修補難度大。經(jīng)過評估，后續(xù)機組將取消輔助蒸汽管溝內(nèi)的聚脲防腐涂料，同時RO 濃水管溝的聚脲防腐改為環(huán)氧涂料。

化水區(qū)域室外溝道內(nèi)的工藝管道設(shè)計尺寸為DN400，管溝的設(shè)計寬度為800mm，由于溝道過窄，導(dǎo)致溝道內(nèi)管道的出口閥門和膨脹節(jié)法蘭連接處檢修空間不足。后續(xù)機組工程設(shè)計時將考慮設(shè)備檢維修空間，局部增加溝道寬度。

500kV GIL 溝道埋深較深，在后續(xù)道路照明施工過程中發(fā)現(xiàn)有許多需要穿過500kV GIL 溝道的路燈線，而溝道側(cè)壁未預(yù)留相應(yīng)的電氣預(yù)埋管，不得不采用在溝道側(cè)壁打孔埋管和下穿溝道敷設(shè)的方式。

500kV GIL 溝道內(nèi)設(shè)計有SF6 壓力表，生產(chǎn)人員需要定期進入溝道內(nèi)進行巡檢，但由于溝道入口采用混凝土蓋板，巡檢人員無法直接開啟，每次均需要通過吊車或搭設(shè)腳手架用手拉葫蘆才能將蓋板打開，導(dǎo)致人員巡檢困難，后續(xù)機組考慮將人孔蓋板改為輕質(zhì)材料。

循環(huán)水泵房內(nèi)設(shè)備檢修等工作時，需要將大量工器具和必要的材料運輸至廠房內(nèi)循環(huán)水泵坑附近，但運輸路徑上的室內(nèi)電纜溝采用花紋鋼蓋板，承載力不足，無法滿足車輛通行需求，一期工程在花紋鋼蓋板上部增加混凝土承重蓋板。后續(xù)機組將根據(jù)一期工程經(jīng)驗反饋，將其中5～6m寬度范圍的花紋鋼蓋板改為過道路混凝土蓋板，頂標高與地面平齊，同時不設(shè)置凸出蓋板的吊耳，便于車輛通行和材料轉(zhuǎn)運。

4.2 廠房室外溝道蓋板較重，開啟困難

除鹽水廠房西南側(cè)室外至酸堿間的溝道寬度為1.8m，混凝土蓋板設(shè)計承載為10kN/m2。生產(chǎn)人員需要經(jīng)常開啟蓋板檢查溝道內(nèi)管道是否存在滲漏和查看閥門狀態(tài)等。由于蓋板較重，兩人配合也無法直接將蓋板抬起打開，且溝道區(qū)域沒有設(shè)計吊車可駛?cè)氲牡缆贰?/p>

循環(huán)水泵房室外加氯管線溝道蓋板也存在開啟困難的問題，該溝道位于循環(huán)水泵房檢修場地北側(cè)，溝道寬1.3m，選用過道路溝道混凝土蓋板，蓋板厚度達20cm。經(jīng)核實，檢修場地的空間滿足要求，該區(qū)域所選溝道蓋板的承載能力過高，后續(xù)機組可改為按照10kN/m2承載能力設(shè)計，混凝土蓋板厚度可降至8cm，能夠大幅降低蓋板重量。

一期工程地震監(jiān)測系統(tǒng)自由場探頭豎井，設(shè)計的混凝土井蓋厚度近20cm，無法用人力挪動，給調(diào)試工作以及后續(xù)的預(yù)防性維修、故障排查以及地震后的數(shù)據(jù)采集帶來了較大不便，每次試驗都需要提前申請吊車配合，對進度安排以及費用有較大的影響。經(jīng)討論，后續(xù)機組的豎井井蓋將采用輕量化設(shè)計。

4.3 廠區(qū)室外溝道蓋板金屬邊框和擱置角鋼等鐵件銹蝕問題

生產(chǎn)人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)一期工程500kV GIL 表面出現(xiàn)銹跡，主要溝道蓋板金屬邊框發(fā)生腐蝕，并隨雨水經(jīng)蓋板間空隙滴落至GIL 設(shè)備表面所致。該溝道寬3.5m，選用混凝土蓋板，設(shè)計時考慮為避免吊裝和運輸過程中板角碰壞，在四周設(shè)計Q235B 的扁鋼框。雖然金屬邊框涂刷防腐油漆，且蓋板之間用水泥砂漿勾縫封堵，但由于蓋板磕碰和安裝平整度等原因，蓋板仍出現(xiàn)邊框腐蝕和封堵滲水的問題。一期工程對GIL 管溝蓋板縫隙進行了密封處理，并增加GIL 管溝通風(fēng)口，改善溝道內(nèi)部環(huán)境。

另外，在廢水處理車間區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了溝道蓋板金屬邊框銹蝕的問題，影響現(xiàn)場整體感觀。循環(huán)水泵房室外溝道內(nèi)擱置蓋板用的槽鋼發(fā)生銹蝕情況。鑒于碳鋼材料在室外環(huán)境下容易生銹腐蝕，蓋板支撐角鋼銹蝕后強度降低，存在人員踩踏后塌陷的安全風(fēng)險。后續(xù)機組將支撐蓋板的角鋼改為不銹鋼或鋼筋混凝土梁。混凝土蓋板碳鋼包邊銹蝕后，影響現(xiàn)場整體感觀，經(jīng)分析該區(qū)域蓋板開啟頻率較低，因此后續(xù)機組取消了混凝土蓋板的金屬包邊，腐蝕情況見圖1。

圖1 廠區(qū)溝道相關(guān)鐵件銹蝕情況

4.4 廠區(qū)混凝土溝道蓋板吊耳設(shè)計問題

廠區(qū)溝道蓋板吊耳在使用過程中存在一些問題：1）部分蓋板吊耳凸出地面，存在人員絆倒風(fēng)險；2）部分吊耳位于蓋板凹槽內(nèi)，若凹槽不采用砂漿封堵，則下雨后積水淹沒吊耳容易發(fā)生腐蝕；若用砂漿填實，每次蓋板開啟均需要鑿除和回填砂漿，較為麻煩。

經(jīng)過討論，按照標準圖集《地溝及蓋板》做法，吊耳凸出蓋板50mm，同時運行期間將蓋板吊耳納入防腐工作范圍，定期檢查吊耳狀態(tài)并涂刷警示色油漆，避免銹蝕和提醒人員注意。設(shè)計改進前后溝道蓋板吊耳的設(shè)計詳圖見圖2。

圖2 溝道蓋板吊耳做法

5、核電站溝道設(shè)計優(yōu)化和改進建議

溝道的設(shè)計本身并不困難，但對于系統(tǒng)管線復(fù)雜、檢維修要求高的核電站來說，充分考慮使用需求顯得尤為重要，因此在設(shè)計階段收集參考電站設(shè)計存在的不足和問題，做好經(jīng)驗反饋，才能提高后續(xù)核電機組溝道的設(shè)計質(zhì)量。

在設(shè)計階段充分考慮使用需求，能夠提高后續(xù)施工和運行的便利性，也有利于降低生產(chǎn)運行成本。通過對三門核電一期工程溝道相關(guān)設(shè)計問題的梳理和分析，為后續(xù)核電機組設(shè)計提供如下優(yōu)化思路和改進建議：

（1）埋深較深的溝道設(shè)計時應(yīng)與埋地管線統(tǒng)籌考慮平面設(shè)計和豎向設(shè)計，避免沖突，重點關(guān)注對重力流管線的影響。對于可能存在積水的溝道，底部應(yīng)設(shè)置一定坡度用于收集雨水，并排入附近的雨水井，若溝道底標高較低，可考慮設(shè)置集水坑通過水泵將積水排出。

（2）溝道布置對廠區(qū)道路運輸較大，設(shè)計時應(yīng)充分考慮電站運行階段的設(shè)備檢維修運輸路徑，按相應(yīng)的承載能力開展溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計，并選取合適的蓋板。溝道標高也應(yīng)提前考慮，特別是廠房室外坡道區(qū)域與廠區(qū)道路交叉位置等，應(yīng)保證標高的匹配性。

（3）溝道設(shè)計還應(yīng)考慮運行階段檢維修的需求，溝道寬度結(jié)合人員巡檢和設(shè)備檢修需求確定，溝道人孔選擇輕質(zhì)蓋板便于人員開啟，取消溝道內(nèi)不必要的防腐涂層或采用環(huán)氧類涂料便于維護。

（4）溝道蓋板和支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合所處環(huán)境和使用壽命情況合理選擇，核電站位于海邊鹽霧腐蝕環(huán)境，室外溝道盡量采用混凝土蓋板，對于開啟不頻繁的蓋板，可以考慮不設(shè)置金屬包邊，擱置蓋板的短梁也應(yīng)采用鋼筋混凝土梁。

（5）對于蓋板重量較重、無法通過人力開啟的溝道區(qū)域，應(yīng)在規(guī)劃合適的道路或場地空間，便于吊車等起重設(shè)施的到達和操作蓋板，提高工作效率。對于用綁帶吊運開啟的溝道蓋板，可以取消吊耳設(shè)計。

（6）輔助蒸汽管溝等與后續(xù)工程共用或連通的溝道還應(yīng)做好預(yù)留接口設(shè)計和臨時封堵，預(yù)留接口位置建議在圍欄外側(cè)一定距離，避免溝道后續(xù)施工開挖對前期工程已建的圍欄基礎(chǔ)等設(shè)施造成影響。