核電站主廠房防火門設計與試驗研究

核電站主廠房防火門設計與試驗研究

1東南角堆芯內的消防安全原子能作為人們健康方面的重要能量，在許多世界國家都得到了廣泛應用。據國際原子能機構報告,全球已有500左右座核電站,用核能發(fā)電每千瓦時電能的成本比火電站要低20%以上,而產生的輻射是同等規(guī)模火電站的10%,向環(huán)境釋放的溫室氣體是同等規(guī)?；痣娬镜?%。作為國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重要支柱,核電站既是重要的現代化電力工業(yè)設施,又是大型的核設施。自1975年美國BrownsFerry核電站火災事故后,對核電站火災影響核電站安全系統功能,甚至引起堆芯損壞和導致放射性物質的泄漏有了統一的認識。因此,核電站的消防安全在核電站的設計、建造、運行和維護中已成為一個必須考慮的安全問題。核電站消防安全是采用縱深防御的原則,即采用多重配置消防安全措施的方法。就防火而言,防火分區(qū)的合理劃分是一種行之有效的方法,而防火門則是保證防火分區(qū)是否有效的關鍵部件,也是加強實體分隔的薄弱環(huán)節(jié)。借鑒法國標準《DesigningandConstructionRulesforFireProtectioninPWRNuclearPowerPlants》RCC—I(壓力堆核電站防火設計和建造導則)用于我國某核電站的防火門設計,結合國家標準《鋼質防火門通用技術條件》(GB12955—91)及防火門設計、制造經驗,對部級課題“核電站主廠房防火門設計”中的有關門技術設計、工藝及試驗進行探討和分析,以供有關單位和人員在進行核島消防安全管理及核島主廠房防火門設計和制作借鑒參考。2核島主工廠的防火門設計理念2.1提高了防火門極限生產極限(1)防火門使用的場合特殊,核電站的消防安全采用“以防為主,縱深防御”的原則,而作為其重要組成部分的防火門將在劃分防火分區(qū),阻止意外情況下的火災蔓延方面起到極其重要的作用。(2)核島主廠房防火門的耐火極限高達120min,比《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(GB50045-1995)中的最高級別的72min甲級防火門提高了48min。(3)核島主廠房建筑中有較大規(guī)格尺寸(2500mm×2500mm)的防火門,超過了常規(guī)標準,在國內尚屬首次進行耐火檢測。(4)防火門要具有靈活的開閉裝置,以適應緊急狀態(tài)逃生。(5)由于受使用場合特殊的限制,對防火門的強度、耐腐蝕性等也有嚴格的要求。2.2開防火門及封閉機關設計難點主要包括:耐火極限120min的雙開防火門;雙開門扇中縫強度及抗變形;門扇與門框間隙導致的升溫過快竄火;符合要求的五金件;在滿足防火和正常使用要求條件下,降低工程造價。2.3國內科技試驗為保證核島主廠房防火門的設計水平和提供合格的防火門產品,采取了以下條件保證:(1)我國核工業(yè)部第二研究院、公安部天津消防研究所和北京新型防火裝備廠等單位組成的科技攻關小組,集中了國內核工業(yè)、消防研究、防火門制造方面最有實力的專家和力量。(2)防火門耐火試驗是在“國家固定滅火系統和耐火構件質量監(jiān)督檢驗中心”的承重墻耐火試驗裝置上進行,該試驗裝置是采用國際標準《耐火試驗》ISO834的技術條件建造和運行的,并且采用明火升溫,時間溫升函數關系為T-T0=345log(8t+1)。該方程曲線同法國標準RCC-I的方程曲線相同,符合RCC-I的耐火要求。2.4防火門結構材料使用的技術措施在參考了法國標準RCC—I的基礎上,結合國家核安全局頒布的《核電廠防火安全導則》及國家標準GB12955-91,經過調研、設計方案論證及七次產品耐火試驗,取得了如下設計方案:(1)門框選用δ=1.5mm,門扇選用δ=1.2mm的優(yōu)質冷軋鋼板。(2)門框采用組裝式結構,以提高門的耐火性能,考慮到熱傳導效應門框制作未使用專用的軋制設備,而采用標準機床設備冷彎成型和組裝式的工藝結構。(3)選用了重量輕、造價低及隔熱性能好的門扇填充物。我國某核電站使用的國外進口防火門門扇填充材料選用了一定數量的硅鈣板,造成門體重量很大。筆者根據防火門熱工計算分析,同樣體積、形狀的優(yōu)質硅酸鋁纖維氈是完全能夠滿足隔熱性能的,而且重量可減輕60%～70%,材料成本可降低80%。耐火試驗結果表明,填充材料選用重量輕、隔熱好、造價低的優(yōu)質硅酸鋁纖維氈是可行的。(4)門扇采用了“??”字型的加強筋和特殊工藝,以保證門的耐火性能和剛度。經過熱工計算分析結果,考慮到耐火時間為120min,特選定門扇厚度為60mm,比我國通常標準甲級門45mm厚多15mm。因門扇寬度尺寸較大,用加工成“??”字型的加強筋加強,以補充門扇的剛度;考慮到熱傳導因素,特將受火面門扇上的加強筋與上下封頭之間留有一定的距離,以提高門的耐火性能;門背火面上的加強筋可與上下封頭連接。(5)雙扇門中縫結構采用了直角裁口形工藝結構,外加單側蓋板密封,滿足了中縫剛度及密封要求,解決了門的耐火穩(wěn)定性問題。一般認為,在門中縫的內外側加裝密封蓋板,對提高防火性能更有利,通過首次耐火試驗的“中縫處兩扇門變形問題”分析,雙側分布結構產生的變形是因為受火面與背火面溫差過大造成的。再次試驗采用了“密封蓋板單側分布和加大蓋板尺寸”的工藝結構,試驗結果證明能滿足雙扇門中縫的剛度和密封性的要求。(6)嚴格遵守門扇填充工藝質量要求制作,是120min高耐火極限防火門設計成功的關鍵。門扇制作必須選擇優(yōu)質的硅酸鋁纖維氈。加工時必須填實,尤其是彎角、門鎖、加強板、鉸鏈等處不允許有漏洞。硅酸鋁纖維氈與門扇之間應用耐高溫膠粘牢固,防止硅酸鋁纖維脫落。在制作中應避免發(fā)生因原材料質量低下和未按工藝要求制作,造成空氣熱傳導,使得導熱系數大大提高,而嚴重降低門扇的耐火性能問題。(7)開發(fā)了三方位門鎖,解決了鎖的靈活性和抗變形強度問題,達到了逃生設計要求。推杠式三方位應急門鎖的技術要求是:具有一般門鎖靈活、牢固的性能;上、下和水平三個方位的鎖住和開啟功能,可用鑰匙對門鎖進行開啟和鎖住;在門鎖打開和鎖閉狀態(tài)下,推杠均可將門鎖打開向外逃生。(8)熱工計算分析。根據設計思想將防火門設計方案選用的材料進行熱工計算分析如下:在實際火災情況下,防火門傳熱過程的計算較為復雜,為了便于計算,在計算誤差不太大的前提下(工程計算要求范圍內),熱工計算做了如下假設,以便簡化其計算過程。由于防火門的長度、寬度遠遠大于其厚度,即1/δ?10,所以防火門的熱傳導過程可按一維不穩(wěn)定導熱計算。由于防火門試件受火面門扇受試驗爐內燃燒氣體很強烈的對流換熱和輻射,其換熱系數很大,所以試件受火面溫度變化按爐內介質(煙氣)的溫度變化考慮,即按ISO834標準升溫曲線考慮。計算結果:防火門熱工計算采用不穩(wěn)定導熱的數值計算法——顯示差分法。應用熱工計算對120min防火門分為6層進行了溫度計算,計算結果與設計思想基本一致,為防火門工藝結構設計提供了理論依據。3核島主開發(fā)層序核島主廠房120min防火門經過調研、可行性論證及六次成功耐火試驗,經核工業(yè)部和公安部有關專家審定認為,核島主廠房120min高耐火極限防火門和三方位門鎖均為國內首創(chuàng)。(1)測試點溫度測定在試驗120min時,防火門單點最高溫度為165.3℃,八個測試點平均溫度為120.7℃,滿足國家標準GB12955—91,達到了單點不高于180℃,平均溫度不高于140℃的標準要求。(2)極限國產防火門綜上所述,核島主廠房120min高耐火極限國產防火門的設計方案、工藝及耐火試驗的成功,說明了我國核電工程及相關類似工程可廣泛使用國內自行研制的高耐火極限防火門。4我國地方立法對用電沉積堆消防安全的影響我國“十一五”規(guī)劃明確將核電發(fā)展戰(zhàn)略由“適度發(fā)展”調整為“積極發(fā)展”,到2020年,我國核電運行裝機總量計劃達到4000萬kW,占全部發(fā)電裝機的3%。我國積極發(fā)展