核電廠消防水系統(tǒng)抗震設計改進

楊云斐 趙永明 嚴斌鵬 劉洪群

（1. 中核核電運行管理有限公司，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)在超設計基準下發(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)與核安全有關建筑物、構筑物、系統(tǒng)和設施設備的設計必須能經(jīng)受住諸如地震、龍卷風、颶風、洪水、海嘯等自然災害的襲擊。與核安全有關的設施設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，整個安全系統(tǒng)仍能保障其安全功能，在該系統(tǒng)內的單個子系統(tǒng)或設施設備故障不會妨礙安全系統(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行動通用技術要求針對性開展消防水系統(tǒng)抗震改進研究。

1 抗震設計改進

1.1 總體思路

對照核電廠防火準則總則要求：“用來保護安全相關系統(tǒng)和設備的消防水系統(tǒng)和設備應按可承受SSE（安全停堆地震）引起的載荷進行設計”[1]。而消防水系統(tǒng)從原設計文件來看，消防水泵和其總管以及設在核島和汽輪機廠房周圍的環(huán)狀管網(wǎng)均按抗震Ⅰ類設計，即滿足SSE抗震要求外，安全相關系統(tǒng)和設備所在的廠房或房間內的部分消防設施需抗震設計優(yōu)化。

總體改造思路如下：首先，在原有水池基礎上擴建會影響機組安全運行，只能采取重新選址，建設新的抗震水池；其次，廠外電源喪失工況下增設柴油機驅動消防泵組，原泵房場地不足，只能采取建設新的抗震消防泵房；再次，通過系統(tǒng)設備更新，安全相關的消防設施全面抗震設計；最后，通過新系統(tǒng)接入消防主環(huán)路管線，進行管道力學評定，抗震改造。

1.2 地質勘探

新建消防泵房基礎埋深3.1m，基底為粉質粘土混角礫層，地基承載力偏弱；消防水池基礎埋深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。需采用復合地基或者樁基礎。采用樁基礎可選擇強風化或中等風化英安流紋質熔結凝灰?guī)r作為持力層。

1.3 系統(tǒng)管道分析評定

（1）新建系統(tǒng)管道分析評定根據(jù)ASME BPVC III NC-3600中的應力評定準則，對新建泵房設備管道支吊架展開應力計算，使用計算機程序PIPESTRESS對管道進行靜力和動力分析，輸入載荷、載荷組合和應力評定準則進行管道分析評定。載荷工況包含自重、水壓、熱脹、OBE地震載荷、SSE地震載荷、設計壓力、風載、腐蝕。其中，水壓試驗作為單獨載荷工況分析，僅使用水壓試驗載荷。工藝流體采用環(huán)境溫度下的水。試驗壓力取設計壓力的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力值。管道系統(tǒng)的熱分析由線彈性靜力學分析組織，運行溫度范圍為10～49℃。地震反應譜取自消防泵房地震響應譜。室外管線考慮65m/s的風載。所有管道考慮2mm的內部腐蝕減薄。應力計算結果和比值滿足規(guī)范要求；

（2）室內系統(tǒng)管道分析評定

將安全相關廠房內的消防管、人工消防水系統(tǒng)管道以及管道上對應的閥門和消火栓等設備按安全II級、抗震I類要求設計，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、消火栓為抗震級設備和重新設置抗震支吊架來滿足系統(tǒng)抗震功能要求?？拐鸱治鲇嬎愫驮u定依據(jù)2007版ASME BPVC III NC規(guī)范進行，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加速度對應各廠房和樓層的響應譜。通過計算復核，改造后安全廠房室內消防水系統(tǒng)設備滿足抗震要求。以主控樓消防水系統(tǒng)設備管道應力計算為例。使用計算機程序PIPESTRESS對管道進行靜力和動力分析，輸入載荷、載荷組合和應力評定準則進行管道分析評定。經(jīng)過對安全廠房的消防管道系統(tǒng)分析評定，按ASME規(guī)范要求驗證，在原有管系布置的基礎上，對管線布置進行抗震改造，包括移動支撐、增設支撐和刪除支撐，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)敷設管道區(qū)域的地質資料及埋地管道的敷設情況，進行室外直埋管道抗震分析計算。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)范非強制附錄VII進行，自重評定遵循ASME B31.1規(guī)范 公式：

其中：SL為自重狀態(tài)下的應力：P為設計壓力；Do為管道外徑，tn為管道壁厚；i為應力強度因子；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力。

熱脹評定遵循ASME B31.1規(guī)范公式：

其中：MC為管道熱脹引起的力矩范圍。

地震計算采用軟件 PIPE99，通過廠區(qū)0.15g加速度下對應位移時程計算，并按照2007版ASME BPVC III NC-3600公式進行評定。

其中：MB為管道地震工況下的力矩。

在埋地消防主環(huán)管力學評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。對現(xiàn)有埋地消防管線進行全面抽樣檢查和評估。選取典型斷面取樣分析，來確定消防管線腐蝕量。對于管道應力評定無法通過的情況，考慮在閥門井處增設固定點，其中優(yōu)先考慮在已有閥門井處增設，并將閥門井改造成抗震閥門井。閥門井實在無法滿足降低管道載荷要求，考慮在管線合適位置增設固定點或調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 設施設備抗震改造

為保證安全相關廠房內消防主管和消火栓系統(tǒng)管道的壓力邊界完整性，應在壓力邊界點采取隔離措施。通過原有雨淋閥與主管接入點之間設置手動抗震隔離閥并增設抗震固定支架來實現(xiàn)壓力邊界完整。在安全停堆地震后，消防快速行動組和核電廠消防隊迅速達到廠房內抗震手動隔離閥所在地，快速關閉手動隔離閥，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)內消防車可達的安全廠房外墻處，增設室外抗震消防快速接口，同廠房抗震消防進水管連接，在SSE后室外埋地消防環(huán)管萬一破壞的情況下，通過移動消防設施來供給安全廠房內消防應急供水，進一步提高抗震消防水系統(tǒng)安全性和可靠性。根據(jù)力學計算結果，在主控樓廠房內消防水系統(tǒng)立管上增設抗震金屬膨脹節(jié)，補償因溫度和地震工況下引起的應力和位移，保證系統(tǒng)安全運行。

2 抗震改造后試驗

抗震改造實施完成后，對新消防水系統(tǒng)進行了一系列功能驗證試驗。消防水系統(tǒng)自動連鎖控制試驗、消防水池液位自動控制試驗、消防穩(wěn)壓系統(tǒng)聯(lián)合試驗以及主要消防水泵運行試驗。試驗結果表明消防水系統(tǒng)自動連鎖控制正常，改造后消防水系統(tǒng)設備運行性能較改造前顯著提高[2]。

3 結語

新消防水系統(tǒng)功能測試驗證了系統(tǒng)滅火能力和系統(tǒng)功能狀態(tài)，通過技術改進不僅提升了消防水系統(tǒng)設施設備運行可靠性，抗震設計改進還對機組運行許可證延續(xù)（OLE）做出了顯著貢獻。