高温气冷堆核岛电缆孔洞封堵方案研究.pdf
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1、消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期消防理论研究高温气冷堆核岛电缆孔洞封堵方案研究李海青,王金栋,丁云,肖孟男(中核能源科技有限公司设计研究院,北京 100193)摘要:在核岛建设过程中,电缆开孔封堵是电缆敷设工程的必要环节,担负着维护防火分区边界的完整性、阻止火灾蔓延及生物屏蔽的重要作用。对核岛电缆开孔封堵的功能要求进行详细探讨,对高温堆开孔封堵的特殊要求及解决方案进行梳理总结,进而提出适合于高温气冷堆的一套电缆开孔封堵方案,以期在后期的工程实践中取得良好的应用。关键词:高温气冷堆;核岛;电缆开孔;防火封堵;生物屏蔽中图分类号:X932;TM623 文献标志码:A 文章编号
2、:1009-0029(2023)08-1063-04高温气冷堆是我国自主建造的具有第四代核能特征的球床反应堆,具有良好的固有安全性。为保证核电站安全运行,电缆安装完成后需对这些开洞进行封堵(以下简称孔洞封堵),以实现厂房内防火、防水淹、辐射防护和生物屏蔽等各类安全要求。目前,国内外相关学者对压水堆核电站电缆开洞或机械开孔封堵技术的研究日趋成熟,文献 1 对核电站核岛孔洞封堵设计与常规火电厂封堵的区别进行了阐述。文献 2 文献 8 论述了 M310、EPR、AP1000及华龙一号等堆型压水堆核电站电缆开孔封堵的各项技术要求及创新的封堵装置,文献 9 文献 13 对不同封堵材料的施工工艺进行研究分
3、析。高温气冷堆堆型与压水堆有显著不同,需要在压水堆封堵技术的基础上,根据高温气冷堆特殊性进行优化设计,文献 14 提出了高温气冷堆机械孔洞的封堵方案。笔者旨在根据高温气冷堆示范工程 HTRPM 的实践经验,提出一套适于高温气冷堆核岛的电缆开洞封堵方案。1电缆开孔封堵的功能和技术要求1.1一般要求电缆贯穿开孔的封堵是为了保证土建结构的连续性、完整性。按照开洞区域,电缆孔洞类型一般包括楼板方洞、楼板圆洞、穿墙方洞、穿墙圆洞、楼板埋管、穿墙埋管、通往室外埋管、通往室外方洞及通往室外圆洞等。此外,按照电气专业规范要求,电缆引至电气盘柜、屏、台等开孔部位处,均应实施防火封堵。根据土建结构的不同要求,每个
4、孔洞的封堵结构应具有下述一种功能或多种功能:气密、水密、保证防火分区边界的耐火极限、生物屏蔽、人员安全(必要时)、承受一定压力、抗震。电缆开孔封堵结构应满足下述总要求:气密、水密,在电缆重力以及地震的影响下稳定,表面光滑可去污并耐辐照(适用于有放射性污染的区域),抗 DBA(仅适用于安全壳内);封堵材料不能与电缆绝缘皮发生反应;在电缆维修时可以方便地拆除封堵而不损坏电缆。1.2高温气冷堆特殊要求核岛内孔洞封堵方案除应满足上述要求外,还需要考虑高温气冷堆的特殊性:(1)安全壳为低耐压通风型,面临的环境条件不如压水堆恶劣,可采用更加轻便的电缆开孔封堵方案取代占地面积大、造价昂贵、施工周期长、安装不
5、便的电气贯穿件,但该方案也应满足高温堆安全壳设计基准事故下高温、高压及气密性等要求。(2)反应堆厂房、乏燃料厂房等存在超过 0.8 m 厚的超厚墙体,增加了孔洞封堵的施工难度,要求在电缆开孔阶段充分考虑施工可行性。(3)HTRPM 示范工程个别区域,例如柴油机房的储油罐间和日用油箱间要求满足 3 h的耐火极限,这对防火封堵方案提出了更高的要求。(4)HTRPM 示范工程中存在带有电缆沟的配电室,受电缆沟内空间的限制无法支模,下进下出线的配电柜无法采用传统做法即低密度硅酮泡沫进行封堵,需采取其他措施进行封堵。(5)为保持气氛连通及事故环境下泄压能力,核岛厂房内存在无实体边界的防火小区,对防火封堵
6、及阻止火灾延燃提出了新的要求。2针对高温气冷堆特殊需求提出的解决措施2.1安全壳电缆孔洞封堵HTRPM 示范工程中安全壳为反应堆舱室和蒸发器舱室的一回路边界,电缆穿越安全壳时采用电气贯穿件,然而后续高温气冷堆圆形堆堆型中,安全壳为反应堆厂房边界,与 HTRPM 相比,其范围更大,贯穿电缆更多,如果继续采用电气贯穿件,会使厂房面积扩大,造价上涨,增加施工周期等问题。结合高温气冷堆堆型的固有安全性及低耐压通风型安全壳特点,采用更轻便的电气密封装置与封堵材料组合的封堵方案取代电气贯穿件。电气密封件 MCT 不仅具有很好的水密效果,也具有优良的气密和承压功能,可以有效维持正压或负压环境。高温气冷堆工程
7、中引进 MCT,可应用于反应堆安全壳电缆孔洞的封堵。然而,因 MCT 单侧安装不满足 2 h 耐火极限,高温环境无法应用等缺陷,单靠 MCT 无法完全满足这些位置电缆孔洞封堵的其他功能,还需要 MCT 与防火封堵材料(高密度硅酮橡胶)组合使用,利用电气密封1063Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8件实现承压、气密、水密等功能要求,利用封堵材料实现耐温、防火、生物屏蔽及保护电气密封件等功能要求,其组合封堵结构见图 1。2.2超厚墙体电缆孔洞封堵核岛内根据辐射防护要求,高辐照区边界上的电缆孔洞不仅要进行防火封堵,还要进行生物屏蔽封
8、堵,阻止射线通过电缆孔洞对人体的照射。生物屏蔽型封堵典型结构见图 2,主要由高密度硅酮橡胶材料组成,密度达到 2.3 g/cm3或更高,封堵厚度与墙同厚。高密度硅酮橡胶材料为密实弹性体,可清洁和去污。初始状态的高密度硅酮弹性体为很稠的液体,固化时间长达 10余小时,在孔洞两侧支模会花费很长的时间,支模完成后浇灌封堵料的时间需要 23 d甚至 1周(单个洞),施工周期很长。核岛内反应堆厂房、乏燃料厂房等需要生物屏蔽功能的墙体厚度动辄超过 800 mm,甚至到 1 500 mm,孔洞较小时,因施工困难,高密度硅酮弹性体无法完全填充孔洞,影响封堵效果。针对此类孔洞,根据示范工程经验反馈,需要在设计初
9、期电缆开洞时,保证孔洞尺寸(长、宽或直径)都大于 300 mm,避免细长孔洞,有条件时可开设倾斜孔洞,便于封堵材料灌入。另外还需控制孔洞内电缆填充率小于 40%,保证电缆间隙。2.33 h耐火极限防火封堵方案示范工程中大部分防火分区的耐火极限都是 1.5 h,防火分区边界上的孔洞都按照 1.5 h耐火极限进行防火封堵,只有柴油机房的储油罐间和日用油箱间是 3 h的耐火极限,对防火封堵提出了更高的要求。这些区域在辐射分区中划分为白区,一般只需使用低密度硅酮泡沫进行常规封堵,但为了满足 3 h耐火极限采用了高密度硅酮弹性体,封堵厚度 300 mm,委托厂家对专用的封堵材料进行了专门的试验验证,试验
10、结果表明该方案满足防火要求。2.4紧凑型空间内机柜孔洞防火封堵方案为阻止火灾沿电缆延燃,电缆进出机柜盘台时,都应进行防火封堵,但是对封堵的耐火时限无具体要求,调研各核电站的做法,机柜盘台进线开孔封堵的耐火极限一般为 0.5 h(非防火分区边界)。示范工程高温堆核岛内空间紧凑,电缆数量众多,尤其是带电缆沟的配电室内,因柜下沟与柜后沟内电缆路径交叉,空间狭小,无法提供人员支模空间,常规的封堵方案无法实施,影响施工。针对这一问题,示范工程中使用防火板进行机柜防火封堵,防火板可以任意剪裁,操作方便,不需对侧支模,十分适合机柜封堵,而且其具有 1.5 h的耐火极限,高于基本要求。2.5防火小区边界防火隔
11、断措施根据 GB/T 22158 核电厂防火设计规范 要求,对于穿越不同防火小区的电缆或桥架,需要在其边界上采取特殊防火隔断措施阻止火灾延燃,防火隔断措施可采用防火墙或防火包覆实现,其典型结构见图 3、图 4。图 3中,墙外两侧防火涂料长度约为 1 000 mm,干厚为 1 mm。防火墙常用于地下管廊,其需要的空间较大,框架结构在电缆敷设之前就需要安装完毕,防火包覆安装更加灵活,可广泛应用于水平桥架、电缆防火分隔。金属框镀锌钢筋网电缆防火水泥或低密度硅酮泡沫电缆桥架L=500(大约)100200100最小防火涂料100100最小膨胀螺栓图 3防火墙隔断做法示意图(单位:mm)Fig.3Sche
12、matic diagram of firewall partition(unit:mm)3高温气冷堆核岛电缆孔洞封堵方案3.1在电缆通道设计初期提出封堵的技术要求(1)冗余安全通道电缆通过楼板孔洞进入机柜或盘台时,宜按安全通道分孔洞敷设,空间有限时,应在孔洞内采取隔离措施,如加装隔离钢板等,电缆穿管不宜过防火封堵电气密封件MPKWMPKW50150图 1电气密封件应用于安全壳电缆孔洞封堵(单位:mm)Fig.1Application of electrical seals in containment cable hole plugging(unit:mm)图 2防火板应用于机柜电缆孔洞封堵F
13、ig.2Application of fire protection board in plugging of cabinet cable hole洞,否则会造成电缆穿管内无法封堵的问题。(2)电缆在孔洞中尽量分层排布整齐,减少交叉,每层电缆之间的距离尽量大于 100 mm。(3)电缆与孔洞内壁的距离尽量大于 30 mm。(4)如果孔洞的一侧正好为一道墙时,则电缆与这一侧的距离宜至少为 100 mm。(5)桥架在孔洞封堵处应断开,保持一定合理间距。3.2电缆开孔封堵的典型结构核电站一般使用 MCT、高密度硅酮弹性体、低密度硅酮泡沫、防火灰泥、防火板、防火密封胶、硅布、防火包覆、钢格栅、支撑模板
14、等材料的组合安装,实现电缆孔洞的封堵,针对不同功能要求的孔洞封堵,列出其典型的结构形式。(1)防火型封堵结构。不同于示范工程,高温气冷堆后续堆型根据最新的防火规范要求将防火区/小区分为一般防火区/小区和安全防火区/小区,一般防火区/小区耐火极限为 1 h,安全防火区内存在安全级物项,要求耐火极限为 2 h。一般电缆孔洞防火型封堵结构由无机防火灰泥、低密度硅酮泡沫组成。近年来,越来越多的核电站选用低密度硅酮泡沫作为主要封堵材料,因其施工可操作性高,在液态时可直接倾倒,也可快速变成半固态泥装,放入操作不便的位置,其发泡功能尤其适用于电缆密集的孔洞,孔洞充满率高,然而其价位高于防火灰泥。在工程实际应
15、用中,可采用防火灰泥与低密度硅酮泡沫结合的方式封堵较大的孔洞,首先使用防火灰泥(或混凝土)进行缩洞,降低造价,在距离电缆大约 200 mm 部分采用低密度硅酮泡沫进行填充。示范工程中核岛内大部分的孔洞防火封堵后,会留下黑色的外表面,不美观。因此,在后续设计施工中,可考虑将对人员经常活动场所,如走廊、办公室、值班室等区域的孔洞封堵后表面粘贴硅布,施工较为简单,造价也很低,也能实现美化孔洞的效果,见图 5、图 6。(2)生物屏蔽型封堵结构。核电站中根据孔洞的辐射防护封堵原则确定生物屏蔽封堵的范围,示范工程中,孔洞两侧的辐射分区中只要有一侧是红区、橙区或黄区中的一种,那么该孔洞就要求进行生物屏蔽型封
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