核電廠有爆炸危險(xiǎn)廠房設(shè)計(jì)探討

李 榮 鵬

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

核電廠有爆炸危險(xiǎn)廠房設(shè)計(jì)探討

李 榮 鵬

(中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

結(jié)合核電廠有爆炸危險(xiǎn)廠房的特點(diǎn)，分析了該類型廠房的設(shè)計(jì)方案，探討了其在設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)及抗爆分析計(jì)算方法，旨在確保有爆炸危險(xiǎn)廠房設(shè)計(jì)的安全性及科學(xué)性。

核電廠，抗爆設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)性能，BOP

1 概述

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本荷載是自重永久荷載與風(fēng)荷載，地震荷載等可變荷載。對(duì)爆炸等偶然荷載，因其出現(xiàn)概率較小，一直沒有得到重視。但其特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)使用期間不一定出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，值很大且持續(xù)時(shí)間很短。

1968年英國(guó)RONAN POINT公寓發(fā)生燃?xì)獗?，?dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌造成重大傷亡。引起業(yè)界對(duì)抗爆設(shè)計(jì)的重視，進(jìn)行了一系列研究工作。我國(guó)此方面事故每年層出不窮。2008年1月17日，吉林市龍?zhí)秴^(qū)龍東小區(qū)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?xì)獗ǎ讟桥c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(fā)生強(qiáng)烈燃?xì)獗ǎ?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(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)每年平均發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿? 000多起，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞也在媒體報(bào)道屢見不鮮。因此這方面的設(shè)計(jì)需求較迫切。目前一些西方國(guó)家已出臺(tái)相關(guān)規(guī)范，而我國(guó)規(guī)定較少，僅石油化工工業(yè)與國(guó)防工業(yè)做過類似研究。

核電廠也存在一些具有爆炸危險(xiǎn)的建筑物，如制氫車間、制氯站、氫氣儲(chǔ)存站等，多屬核電廠BOP建筑。這些建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照民用規(guī)范，對(duì)抗爆，設(shè)配筋混凝土砌塊砌體抗爆墻，構(gòu)造與經(jīng)驗(yàn)起主導(dǎo)作用。

爆炸等偶然荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)一般計(jì)算荷載。要求結(jié)構(gòu)在爆炸時(shí)處于彈性不損壞很不經(jīng)濟(jì)。所以一般將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成遭受爆炸后，個(gè)別構(gòu)件損壞，整體可修的水平。這也帶來一個(gè)問題，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)整體不倒塌。鑒于核電廠對(duì)安全特殊要求，有必要對(duì)爆炸等偶然荷載下，結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

2 技術(shù)方案

抗爆設(shè)計(jì)荷載與參數(shù)輸入，可參照國(guó)外規(guī)范與國(guó)內(nèi)外研究成果。目前，國(guó)外有針對(duì)于石油化工工業(yè)廠房抗蒸汽云爆炸的設(shè)計(jì)規(guī)范，國(guó)防工業(yè)對(duì)于普通炸藥與核爆條件下，產(chǎn)生的沖擊波超壓研究也比較充分。對(duì)有爆炸危險(xiǎn)廠房，可結(jié)合實(shí)際提出合適的壓強(qiáng)與作用時(shí)間等參數(shù)。如有個(gè)別參數(shù)波動(dòng)較大，基于工程設(shè)計(jì)的目的，可取最不利值包絡(luò)設(shè)計(jì)。

爆炸荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要采用有限元分析方法。除此之外，還存在理論分析法、簡(jiǎn)化單自由度等分析方法。但理論分析法受邊界條件限制嚴(yán)重，且計(jì)算十分復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用性不強(qiáng)；簡(jiǎn)化單自由度法受簡(jiǎn)化條件制約比較嚴(yán)重，且不能對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行分析?；趧?dòng)力分線性數(shù)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(fù)雜時(shí)程曲線，材料的復(fù)雜本構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件邊界條件，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體動(dòng)力分析。且在求解過程中，因?yàn)楸ê奢d作用時(shí)間一般都非常短，應(yīng)采用顯式積分法。這也是業(yè)內(nèi)對(duì)于爆炸、碰撞分析常用的一種分析手段。參照石油化工行業(yè)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(zhì)狀態(tài)突變爆炸(CPE)這幾種。在核電廠具有爆炸危險(xiǎn)的建筑中，絕大多數(shù)屬于蒸汽云爆炸。例如，氫氣的生產(chǎn)儲(chǔ)存車間、氯氣的生產(chǎn)儲(chǔ)存車間等等。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)1996年頒布了民用建筑抗爆設(shè)計(jì)方法，還編寫有《石油化工抗爆建筑設(shè)計(jì)》[1]。美國(guó)軍方與我國(guó)國(guó)防工程設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于不同類型炸藥，與不同當(dāng)量TNT爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓，作用時(shí)間做出了規(guī)定，具有很高的參考價(jià)值，可充分參考確定適于核電廠廠房的參數(shù)與荷載取值。

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

3 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)室外敞開式框架的蒸汽云爆炸壓力計(jì)算,國(guó)外常采用方法有：TNT當(dāng)量法，即將一定比例的物料釋放(通常為1%～10%)爆炸轉(zhuǎn)換為相當(dāng)于TNT爆炸的當(dāng)量值；TNO多能量法，這種方法需要輸入較多數(shù)據(jù)，其中標(biāo)準(zhǔn)的TNO法只需采用半封閉框架體積來評(píng)估爆炸影響，唯一假設(shè)是裝置框架多大范圍內(nèi)被可燃混合氣體充滿，此處可保守采用充滿全部估計(jì)。BAKER 法基于大量數(shù)據(jù)的分析，簡(jiǎn)化了參數(shù)及相互關(guān)系，輸入數(shù)據(jù)比TNO法少，但合理程度比TNT當(dāng)量法要高。

爆炸沖擊波的壓力與相關(guān)參數(shù)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(yè)，這些參數(shù)(空氣沖擊波的峰值側(cè)正向超壓，相應(yīng)正波階段持續(xù)時(shí)間等)由設(shè)備專利、生產(chǎn)商或者業(yè)主提出，結(jié)構(gòu)專業(yè)依據(jù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。但參考之前經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行核電廠BOP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，往往提不出相關(guān)的參數(shù)與資料。此處應(yīng)該各專業(yè)配合進(jìn)行相關(guān)研究，確定合理輸入。

另外一個(gè)較大的區(qū)別是石油化工行業(yè)的蒸汽云爆炸，往往是在建筑物外發(fā)生。其在設(shè)計(jì)時(shí)，通過地理隔絕規(guī)定主控室離爆炸源應(yīng)在30 m距離之外。因此結(jié)構(gòu)經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[2]，很多為單層框架結(jié)構(gòu)。但其抗爆設(shè)計(jì)要求側(cè)向荷載較大，且地下持力層為欠固結(jié)土，承載力很小。不得不采用能承受很大水平力的預(yù)制鋼筋混凝土斜樁，樁長(zhǎng)達(dá)到了36 m，傾斜度為1∶12。

而在核電廠房抗爆設(shè)計(jì)中，很多情況下爆炸源是在廠房?jī)?nèi)。如制氫車間與制氯車間，其抗爆墻設(shè)置處于隔絕控制室與車間，防止爆炸傷害控制室內(nèi)人員。此處可參考國(guó)防工業(yè)對(duì)于室內(nèi)炸藥爆破研究成果，并結(jié)合蒸汽云爆炸的相關(guān)規(guī)定，研究適合于核電廠房的荷載設(shè)計(jì)方法。

在數(shù)值模擬計(jì)算中，針對(duì)于混凝土砌體抗爆墻的模擬有幾點(diǎn)值得注意。砌體結(jié)構(gòu)式依靠砂漿的粘結(jié)力將砌塊聯(lián)結(jié)成整體抵抗外力。其中砂漿為薄弱環(huán)節(jié)，爆炸荷載下很容易發(fā)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(hù)目的。因此，砂漿層處理為數(shù)值模擬的關(guān)鍵。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)中砂漿層加入了配筋，兩種方法都應(yīng)在單元中考慮其影響。如LS-DYNA中BAR單元可與其他單元聯(lián)合使用，反映鋼筋的加強(qiáng)效果。

4 結(jié)語

針對(duì)目前對(duì)于有抗爆設(shè)計(jì)需求廠房，無成熟參考設(shè)計(jì)規(guī)范的情況下，可采用如下設(shè)計(jì)研究應(yīng)對(duì)方法：

其一在文獻(xiàn)調(diào)研，參閱國(guó)外規(guī)范研究的基礎(chǔ)上，確定抗爆設(shè)計(jì)所需的荷載與參數(shù)輸入；

其二對(duì)現(xiàn)有的抗爆墻設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行校核計(jì)算，確定其安全性并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)方法；

其三掌握抗爆設(shè)計(jì)方法。能對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行構(gòu)造與計(jì)算上的抗爆設(shè)計(jì)，保證在爆炸荷載下不發(fā)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(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)計(jì), 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

A