核電廠消防水系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)改進(jìn)

楊云斐 趙永明 嚴(yán)斌鵬 劉洪群

（1. 中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

日本福島核事故后，核電廠消防水系統(tǒng)在超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)下發(fā)揮其安全功能已成為世界核電面臨的新課題。消防水系統(tǒng)與核安全有關(guān)建筑物、構(gòu)筑物、系統(tǒng)和設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)必須能經(jīng)受住諸如地震、龍卷風(fēng)、颶風(fēng)、洪水、海嘯等自然災(zāi)害的襲擊。與核安全有關(guān)的設(shè)施設(shè)備必須具有足夠的安全裕度，以保證在假想的、單一故障情況下，整個(gè)安全系統(tǒng)仍能保障其安全功能，在該系統(tǒng)內(nèi)的單個(gè)子系統(tǒng)或設(shè)施設(shè)備故障不會(huì)妨礙安全系統(tǒng)執(zhí)行其安全功能。為此，秦山核電廠（以下簡稱“電廠”）根據(jù)福島核事故后核電廠改進(jìn)行動(dòng)通用技術(shù)要求針對(duì)性開展消防水系統(tǒng)抗震改進(jìn)研究。

1 抗震設(shè)計(jì)改進(jìn)

1.1 總體思路

對(duì)照核電廠防火準(zhǔn)則總則要求：“用來保護(hù)安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備的消防水系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)按可承受SSE（安全停堆地震）引起的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)”[1]。而消防水系統(tǒng)從原設(shè)計(jì)文件來看，消防水泵和其總管以及設(shè)在核島和汽輪機(jī)廠房周圍的環(huán)狀管網(wǎng)均按抗震Ⅰ類設(shè)計(jì)，即滿足SSE抗震要求外，安全相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備所在的廠房或房間內(nèi)的部分消防設(shè)施需抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化。

總體改造思路如下：首先，在原有水池基礎(chǔ)上擴(kuò)建會(huì)影響機(jī)組安全運(yùn)行，只能采取重新選址，建設(shè)新的抗震水池；其次，廠外電源喪失工況下增設(shè)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)消防泵組，原泵房場地不足，只能采取建設(shè)新的抗震消防泵房；再次，通過系統(tǒng)設(shè)備更新，安全相關(guān)的消防設(shè)施全面抗震設(shè)計(jì)；最后，通過新系統(tǒng)接入消防主環(huán)路管線，進(jìn)行管道力學(xué)評(píng)定，抗震改造。

1.2 地質(zhì)勘探

新建消防泵房基礎(chǔ)埋深3.1m，基底為粉質(zhì)粘土混角礫層，地基承載力偏弱；消防水池基礎(chǔ)埋深2.1m，基底為人工填土層，因此，新建建筑物不能使用天然地基。需采用復(fù)合地基或者樁基礎(chǔ)。采用樁基礎(chǔ)可選擇強(qiáng)風(fēng)化或中等風(fēng)化英安流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r作為持力層。

1.3 系統(tǒng)管道分析評(píng)定

（1）新建系統(tǒng)管道分析評(píng)定根據(jù)ASME BPVC III NC-3600中的應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)新建泵房設(shè)備管道支吊架展開應(yīng)力計(jì)算，使用計(jì)算機(jī)程序PIPESTRESS對(duì)管道進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，輸入載荷、載荷組合和應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行管道分析評(píng)定。載荷工況包含自重、水壓、熱脹、OBE地震載荷、SSE地震載荷、設(shè)計(jì)壓力、風(fēng)載、腐蝕。其中，水壓試驗(yàn)作為單獨(dú)載荷工況分析，僅使用水壓試驗(yàn)載荷。工藝流體采用環(huán)境溫度下的水。試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。在環(huán)境溫度21℃下確定物理特性和材料特性以及許用應(yīng)力值。管道系統(tǒng)的熱分析由線彈性靜力學(xué)分析組織，運(yùn)行溫度范圍為10～49℃。地震反應(yīng)譜取自消防泵房地震響應(yīng)譜。室外管線考慮65m/s的風(fēng)載。所有管道考慮2mm的內(nèi)部腐蝕減薄。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和比值滿足規(guī)范要求；

（2）室內(nèi)系統(tǒng)管道分析評(píng)定

將安全相關(guān)廠房內(nèi)的消防管、人工消防水系統(tǒng)管道以及管道上對(duì)應(yīng)的閥門和消火栓等設(shè)備按安全I(xiàn)I級(jí)、抗震I類要求設(shè)計(jì)，使之滿足規(guī)范要求。為了保證原系統(tǒng)可用性，且充分考慮可實(shí)施性，需盡量利用原有消防管道，通過更換閥門、消火栓為抗震級(jí)設(shè)備和重新設(shè)置抗震支吊架來滿足系統(tǒng)抗震功能要求。抗震分析計(jì)算和評(píng)定依據(jù)2007版ASME BPVC III NC規(guī)范進(jìn)行，分析考慮管線的自重、熱脹和SSE地震等工況。地震輸入采取秦山核電廠0.15g加速度對(duì)應(yīng)各廠房和樓層的響應(yīng)譜。通過計(jì)算復(fù)核，改造后安全廠房室內(nèi)消防水系統(tǒng)設(shè)備滿足抗震要求。以主控樓消防水系統(tǒng)設(shè)備管道應(yīng)力計(jì)算為例。使用計(jì)算機(jī)程序PIPESTRESS對(duì)管道進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，輸入載荷、載荷組合和應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行管道分析評(píng)定。經(jīng)過對(duì)安全廠房的消防管道系統(tǒng)分析評(píng)定，按ASME規(guī)范要求驗(yàn)證，在原有管系布置的基礎(chǔ)上，對(duì)管線布置進(jìn)行抗震改造，包括移動(dòng)支撐、增設(shè)支撐和刪除支撐，管道的抗震能力是可以接受的。

1.4 室外管道抗震分析

根據(jù)敷設(shè)管道區(qū)域的地質(zhì)資料及埋地管道的敷設(shè)情況，進(jìn)行室外直埋管道抗震分析計(jì)算。分析考慮管線的自重、熱脹和地震工況。自重和熱脹的分析采用軟件PIPESTRESS參考ASME B31.1規(guī)范非強(qiáng)制附錄VII進(jìn)行，自重評(píng)定遵循ASME B31.1規(guī)范 公式：

其中：SL為自重狀態(tài)下的應(yīng)力：P為設(shè)計(jì)壓力；Do為管道外徑，tn為管道壁厚；i為應(yīng)力強(qiáng)度因子；MA為自重引起的力矩；Z為抗彎模量；Sh為管道材料的許用應(yīng)力。

熱脹評(píng)定遵循ASME B31.1規(guī)范公式：

其中：MC為管道熱脹引起的力矩范圍。

地震計(jì)算采用軟件 PIPE99，通過廠區(qū)0.15g加速度下對(duì)應(yīng)位移時(shí)程計(jì)算，并按照2007版ASME BPVC III NC-3600公式進(jìn)行評(píng)定。

其中：MB為管道地震工況下的力矩。

在埋地消防主環(huán)管力學(xué)評(píng)定滿足要求的情況下，考慮消防支管的壓力邊界完整性。在分析中考慮了現(xiàn)有地下消防管道的腐蝕情況。對(duì)現(xiàn)有埋地消防管線進(jìn)行全面抽樣檢查和評(píng)估。選取典型斷面取樣分析，來確定消防管線腐蝕量。對(duì)于管道應(yīng)力評(píng)定無法通過的情況，考慮在閥門井處增設(shè)固定點(diǎn)，其中優(yōu)先考慮在已有閥門井處增設(shè)，并將閥門井改造成抗震閥門井。閥門井實(shí)在無法滿足降低管道載荷要求，考慮在管線合適位置增設(shè)固定點(diǎn)或調(diào)整管道和更換管道彎頭、三通部件等措施來滿足系統(tǒng)抗震功能要求。

1.5 設(shè)施設(shè)備抗震改造

為保證安全相關(guān)廠房內(nèi)消防主管和消火栓系統(tǒng)管道的壓力邊界完整性，應(yīng)在壓力邊界點(diǎn)采取隔離措施。通過原有雨淋閥與主管接入點(diǎn)之間設(shè)置手動(dòng)抗震隔離閥并增設(shè)抗震固定支架來實(shí)現(xiàn)壓力邊界完整。在安全停堆地震后，消防快速行動(dòng)組和核電廠消防隊(duì)迅速達(dá)到廠房內(nèi)抗震手動(dòng)隔離閥所在地，快速關(guān)閉手動(dòng)隔離閥，保證在安全停堆地震工況下抗震消防管道邊界的完整性[2]。在廠區(qū)內(nèi)消防車可達(dá)的安全廠房外墻處，增設(shè)室外抗震消防快速接口，同廠房抗震消防進(jìn)水管連接，在SSE后室外埋地消防環(huán)管萬一破壞的情況下，通過移動(dòng)消防設(shè)施來供給安全廠房內(nèi)消防應(yīng)急供水，進(jìn)一步提高抗震消防水系統(tǒng)安全性和可靠性。根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，在主控樓廠房內(nèi)消防水系統(tǒng)立管上增設(shè)抗震金屬膨脹節(jié)，補(bǔ)償因溫度和地震工況下引起的應(yīng)力和位移，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2 抗震改造后試驗(yàn)

抗震改造實(shí)施完成后，對(duì)新消防水系統(tǒng)進(jìn)行了一系列功能驗(yàn)證試驗(yàn)。消防水系統(tǒng)自動(dòng)連鎖控制試驗(yàn)、消防水池液位自動(dòng)控制試驗(yàn)、消防穩(wěn)壓系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)以及主要消防水泵運(yùn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明消防水系統(tǒng)自動(dòng)連鎖控制正常，改造后消防水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行性能較改造前顯著提高[2]。

3 結(jié)語

新消防水系統(tǒng)功能測試驗(yàn)證了系統(tǒng)滅火能力和系統(tǒng)功能狀態(tài)，通過技術(shù)改進(jìn)不僅提升了消防水系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行可靠性，抗震設(shè)計(jì)改進(jìn)還對(duì)機(jī)組運(yùn)行許可證延續(xù)（OLE）做出了顯著貢獻(xiàn)。