核电站主厂房防火门设计与试验研究

核电站主厂房防火门设计与试验研究

1东南角堆芯内的消防安全原子能作为人们健康方面的重要能量，在许多世界国家都得到了广泛应用。据国际原子能机构报告,全球已有500左右座核电站,用核能发电每千瓦时电能的成本比火电站要低20%以上,而产生的辐射是同等规模火电站的10%,向环境释放的温室气体是同等规模火电站的1%。作为国民经济可持续发展的重要支柱,核电站既是重要的现代化电力工业设施,又是大型的核设施。自1975年美国BrownsFerry核电站火灾事故后,对核电站火灾影响核电站安全系统功能,甚至引起堆芯损坏和导致放射性物质的泄漏有了统一的认识。因此,核电站的消防安全在核电站的设计、建造、运行和维护中已成为一个必须考虑的安全问题。核电站消防安全是采用纵深防御的原则,即采用多重配置消防安全措施的方法。就防火而言,防火分区的合理划分是一种行之有效的方法,而防火门则是保证防火分区是否有效的关键部件,也是加强实体分隔的薄弱环节。借鉴法国标准《DesigningandConstructionRulesforFireProtectioninPWRNuclearPowerPlants》RCC—I(压力堆核电站防火设计和建造导则)用于我国某核电站的防火门设计,结合国家标准《钢质防火门通用技术条件》(GB12955—91)及防火门设计、制造经验,对部级课题“核电站主厂房防火门设计”中的有关门技术设计、工艺及试验进行探讨和分析,以供有关单位和人员在进行核岛消防安全管理及核岛主厂房防火门设计和制作借鉴参考。2核岛主工厂的防火门设计理念2.1提高了防火门极限生产极限(1)防火门使用的场合特殊,核电站的消防安全采用“以防为主,纵深防御”的原则,而作为其重要组成部分的防火门将在划分防火分区,阻止意外情况下的火灾蔓延方面起到极其重要的作用。(2)核岛主厂房防火门的耐火极限高达120min,比《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-1995)中的最高级别的72min甲级防火门提高了48min。(3)核岛主厂房建筑中有较大规格尺寸(2500mm×2500mm)的防火门,超过了常规标准,在国内尚属首次进行耐火检测。(4)防火门要具有灵活的开闭装置,以适应紧急状态逃生。(5)由于受使用场合特殊的限制,对防火门的强度、耐腐蚀性等也有严格的要求。2.2开防火门及封闭机关设计难点主要包括:耐火极限120min的双开防火门;双开门扇中缝强度及抗变形;门扇与门框间隙导致的升温过快窜火;符合要求的五金件;在满足防火和正常使用要求条件下,降低工程造价。2.3国内科技试验为保证核岛主厂房防火门的设计水平和提供合格的防火门产品,采取了以下条件保证:(1)我国核工业部第二研究院、公安部天津消防研究所和北京新型防火装备厂等单位组成的科技攻关小组,集中了国内核工业、消防研究、防火门制造方面最有实力的专家和力量。(2)防火门耐火试验是在“国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心”的承重墙耐火试验装置上进行,该试验装置是采用国际标准《耐火试验》ISO834的技术条件建造和运行的,并且采用明火升温,时间温升函数关系为T-T0=345log(8t+1)。该方程曲线同法国标准RCC-I的方程曲线相同,符合RCC-I的耐火要求。2.4防火门结构材料使用的技术措施在参考了法国标准RCC—I的基础上,结合国家核安全局颁布的《核电厂防火安全导则》及国家标准GB12955-91,经过调研、设计方案论证及七次产品耐火试验,取得了如下设计方案:(1)门框选用δ=1.5mm,门扇选用δ=1.2mm的优质冷轧钢板。(2)门框采用组装式结构,以提高门的耐火性能,考虑到热传导效应门框制作未使用专用的轧制设备,而采用标准机床设备冷弯成型和组装式的工艺结构。(3)选用了重量轻、造价低及隔热性能好的门扇填充物。我国某核电站使用的国外进口防火门门扇填充材料选用了一定数量的硅钙板,造成门体重量很大。笔者根据防火门热工计算分析,同样体积、形状的优质硅酸铝纤维毡是完全能够满足隔热性能的,而且重量可减轻60%～70%,材料成本可降低80%。耐火试验结果表明,填充材料选用重量轻、隔热好、造价低的优质硅酸铝纤维毡是可行的。(4)门扇采用了“⊢⊢”字型的加强筋和特殊工艺,以保证门的耐火性能和刚度。经过热工计算分析结果,考虑到耐火时间为120min,特选定门扇厚度为60mm,比我国通常标准甲级门45mm厚多15mm。因门扇宽度尺寸较大,用加工成“⊢⊢”字型的加强筋加强,以补充门扇的刚度;考虑到热传导因素,特将受火面门扇上的加强筋与上下封头之间留有一定的距离,以提高门的耐火性能;门背火面上的加强筋可与上下封头连接。(5)双扇门中缝结构采用了直角裁口形工艺结构,外加单侧盖板密封,满足了中缝刚度及密封要求,解决了门的耐火稳定性问题。一般认为,在门中缝的内外侧加装密封盖板,对提高防火性能更有利,通过首次耐火试验的“中缝处两扇门变形问题”分析,双侧分布结构产生的变形是因为受火面与背火面温差过大造成的。再次试验采用了“密封盖板单侧分布和加大盖板尺寸”的工艺结构,试验结果证明能满足双扇门中缝的刚度和密封性的要求。(6)严格遵守门扇填充工艺质量要求制作,是120min高耐火极限防火门设计成功的关键。门扇制作必须选择优质的硅酸铝纤维毡。加工时必须填实,尤其是弯角、门锁、加强板、铰链等处不允许有漏洞。硅酸铝纤维毡与门扇之间应用耐高温胶粘牢固,防止硅酸铝纤维脱落。在制作中应避免发生因原材料质量低下和未按工艺要求制作,造成空气热传导,使得导热系数大大提高,而严重降低门扇的耐火性能问题。(7)开发了三方位门锁,解决了锁的灵活性和抗变形强度问题,达到了逃生设计要求。推杠式三方位应急门锁的技术要求是:具有一般门锁灵活、牢固的性能;上、下和水平三个方位的锁住和开启功能,可用钥匙对门锁进行开启和锁住;在门锁打开和锁闭状态下,推杠均可将门锁打开向外逃生。(8)热工计算分析。根据设计思想将防火门设计方案选用的材料进行热工计算分析如下:在实际火灾情况下,防火门传热过程的计算较为复杂,为了便于计算,在计算误差不太大的前提下(工程计算要求范围内),热工计算做了如下假设,以便简化其计算过程。由于防火门的长度、宽度远远大于其厚度,即1/δ≫10,所以防火门的热传导过程可按一维不稳定导热计算。由于防火门试件受火面门扇受试验炉内燃烧气体很强烈的对流换热和辐射,其换热系数很大,所以试件受火面温度变化按炉内介质(烟气)的温度变化考虑,即按ISO834标准升温曲线考虑。计算结果:防火门热工计算采用不稳定导热的数值计算法——显示差分法。应用热工计算对120min防火门分为6层进行了温度计算,计算结果与设计思想基本一致,为防火门工艺结构设计提供了理论依据。3核岛主开发层序核岛主厂房120min防火门经过调研、可行性论证及六次成功耐火试验,经核工业部和公安部有关专家审定认为,核岛主厂房120min高耐火极限防火门和三方位门锁均为国内首创。(1)测试点温度测定在试验120min时,防火门单点最高温度为165.3℃,八个测试点平均温度为120.7℃,满足国家标准GB12955—91,达到了单点不高于180℃,平均温度不高于140℃的标准要求。(2)极限国产防火门综上所述,核岛主厂房120min高耐火极限国产防火门的设计方案、工艺及耐火试验的成功,说明了我国核电工程及相关类似工程可广泛使用国内自行研制的高耐火极限防火门。4我国地方立法对用电沉积堆消防安全的影响我国“十一五”规划明确将核电发展战略由“适度发展”调整为“积极发展”,到2020年,我国核电运行装机总量计划达到4000万kW,占全部发电装机的3%。我国积极发展