高温气冷堆核岛电缆孔洞封堵方案研究.pdf

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：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.3Schematic 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Fig.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堵。国内其他核电站的做法是，对于红区或橙区且高度在 2 m 以下的孔洞才进行生物屏蔽封堵，经过分析后认为上述做法存在一定漏洞，黄区内也应该进行封堵，为保证检修人员安全，2 m 以上的孔洞也应有屏蔽功能。与一般防火封堵相比，生物屏蔽封堵具有造价昂贵、施工周期长的特点，需要尽量缩小生物屏蔽封堵的范围。电缆孔洞生物屏蔽型封堵典型结构见图 7，主要使用高密度硅酮弹性体实现封堵要求，封堵完成后粘贴硅布去污。除了要注意超厚墙体上孔洞开洞要求外，燃料装卸、氦净化等工艺系统所在高辐照区楼板上，一般存在需要生物屏蔽封堵的电缆孔洞，洞深往往超过 600 mm，而高密度封堵材料因本身密度大，质量大，一般的直筒型孔洞结构无法解决其承重问题，这种孔洞在土建条件提资阶段就需要开凹槽处理，其结构形式见图 8。防火封堵50防火格栅MPKWMPKW50图 7墙体上生物屏蔽型封堵结构(单位：mm)Fig.7Biological shielded blocking structure on the wall（unit：mm）（3）电 气 密 封 装 置 MCT 封 堵 结 构。电 气 密 封 件MCT 与封堵材料的组合结构，不仅可以满足安全壳电缆电缆桥架防火包覆电缆防火小区 1防火小区 2300图 4防火包覆隔断做法示意图(单位：mm)Fig.4Diagram of fire cladding partitions(unit：mm)图 5电缆孔洞防火封堵（无硅布装饰）现场照片Fig.5Field photo of fire-proof plugging of cable holes(without silicon cloth decoration)图 6电缆孔洞防火封堵（硅布装饰）现场照片Fig.6Field photo of fire-proof plugging of cable holes(with silicon cloth decoration)1064消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期洞，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堵。国内其他核电站的做法是，对于红区或橙区且高度在 2 m 以下的孔洞才进行生物屏蔽封堵，经过分析后认为上述做法存在一定漏洞，黄区内也应该进行封堵，为保证检修人员安全，2 m 以上的孔洞也应有屏蔽功能。与一般防火封堵相比，生物屏蔽封堵具有造价昂贵、施工周期长的特点，需要尽量缩小生物屏蔽封堵的范围。电缆孔洞生物屏蔽型封堵典型结构见图 7，主要使用高密度硅酮弹性体实现封堵要求，封堵完成后粘贴硅布去污。除了要注意超厚墙体上孔洞开洞要求外，燃料装卸、氦净化等工艺系统所在高辐照区楼板上，一般存在需要生物屏蔽封堵的电缆孔洞，洞深往往超过 600 mm，而高密度封堵材料因本身密度大，质量大，一般的直筒型孔洞结构无法解决其承重问题，这种孔洞在土建条件提资阶段就需要开凹槽处理，其结构形式见图 8。防火封堵50防火格栅MPKWMPKW50图 7墙体上生物屏蔽型封堵结构(单位：mm)Fig.7Biological shielded blocking structure on the wall（unit：mm）（3）电 气 密 封 装 置 MCT 封 堵 结 构。电 气 密 封 件MCT 与封堵材料的组合结构，不仅可以满足安全壳电缆电缆桥架防火包覆电缆防火小区 1防火小区 2300图 4防火包覆隔断做法示意图(单位：mm)Fig.4Diagram of fire cladding partitions(unit：mm)图 5电缆孔洞防火封堵（无硅布装饰）现场照片Fig.5Field photo of fire-proof plugging of cable holes(without silicon cloth decoration)图 6电缆孔洞防火封堵（硅布装饰）现场照片Fig.6Field photo of fire-proof plugging of cable holes(with silicon cloth decoration)1065Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8孔洞的封堵要求，对于一些有特殊水密、气密要求的场所也同样适用。例如，根据 福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求（试行）要求：地下管廊与核岛安全重要厂房相连处要采取防水淹措施，应采用永久性的防水封堵，应能承受适当的水头高度，因此进出核岛厂房的位置要采取水密要求更高的封堵技术；其次，核岛内部分房间，如存在消防水池的消防设备间以及消防水泵房等，也需要根据水位差提出更高的水密要求；另外，主控制室也需要在各种工况下维持微正压环境，对盘柜底部的电缆开孔有气密性要求。（4）机柜及盘台的封堵结构。鉴于示范工程经验，后续高温堆机柜及盘台的封堵可参考前文使用更加灵活的防火板进行封堵。（5）防火隔断的典型结构。防火隔断措施可以作为长距离水平或垂直电缆桥架敷设过程中的阻火手段。4结束语根据高温气冷堆的特殊性提出了对应的解决措施，结合示范工程的实践经验，制定了一套适用于高温气冷堆的电缆孔洞封堵方案，包括电缆孔洞封堵对电缆通道设计及土建条件提资的设计要求，针对 5 类封堵形式，列出其典型的结构形式，用以指导设计和施工，这套方案对后续高温气冷堆工程的电缆孔洞封堵工作具有良好的指导和借鉴意义。参考文献：1 张云峰.核电站核岛电缆防火封堵设计与常规火电差异分析J.产业与科技论坛,2012,(4):96-97.2 张普忠,刘耸,王晓霞,等.一种核电厂核岛厂房墙体孔洞的生物封堵方法:中国,CN104314186BP.2017.3 范旅龙,曹红梅.浅谈核电站核岛电缆孔洞的生物封堵J.核工程研究与设计,2013,(1):13-15.4 张彦超,张春杰,胡深广,等.一种适用于核电厂穿墙孔洞防辐射封堵的方法:中国,CN108257687AP.2018.5 胡兴胜,康立福,张金华,等.一种核电站用贯穿物可大幅度位移的生物屏蔽型防火封堵装置:中国,CN210344563UP.2020.6 习磊朋,杨伟涛,董旭.M310核电站核岛厂房土建开洞封堵判断原则研究J.产业与科技论坛,2016,(7):51-52.7 黄 本 良.核 岛 建 筑 防 火 封 堵 研 究 J.工 程 建 设 与 设 计,2013,(5):115-117.8 张丽莹,李卓然,李晓静,等.“华龙一号”辐射防护相关孔洞封堵要求分析方法优化J.核科学与工程,2021,41(1):103-109.9 吕宏伟.压水堆核电站核岛电气防火封堵施工的合理化研究J.中国高新技术企业,2013,(28):2.10 靳洪彪.核电厂电缆孔洞封堵施工分析J.中小企业管理与科技(中旬刊),2018,(5):154-155.11 叶辉,郭晓娜.核电厂机械孔洞封堵技术探讨J.中小企业管理与科技(上旬刊),2018,(5):184-185.12 陈鑫.EPR 核电站核岛电气孔洞防火封堵施工J.中国高新技术企业,2017,(6):149-150.13 饶德奕,崔野.某核电厂电缆竖井防火封堵施工工艺研究J.工程技术(引文版),2016,(6):294-294.14 余文生,高旭,刘思光.高温气冷堆核电示范工程机械管道孔洞封堵设计研究J.新型工业化,2021,11(4):159-162.Study on plugging schemes for cable holes in high temperature aircooled reactor nuclear islandLi Haiqing,Wang Jindong,Ding Yun,Xiao Mengnan(Design and Research Institute,Chinergy Co.Ltd.,Beijing 100193,China)Abstract:During the construction of nuclear island,cable opening and plugging is a necessary link in cable laying works,which plays an important role in maintaining the integrity of fire compartment boundary,preventing the spread of fire and preventing biological shielding.In this paper,the technical scheme of cable opening plugging for HTGR nuclear island is discussed in detail,the special requirements and solutions of high temperature reactor opening plugging are summarized,and a suit of cable opening plugging scheme which is suitable for HTGR nuclear island is put forward in order to get a good application in later engineering practice.Key words:high temperature aircooled reactor;nuclear island;cable opening;fire plugging;biological shielding作者简介：李海青(1987-)，女，青海西宁人，中核能源科技有限公司电气工程师，主要从事高温气冷堆核岛电气系统方面的研究，北京市海淀区中关村软件园 26号楼，100193。收稿日期：2023-02-17（责任编辑：梁兵）图 8墙体上生物屏蔽型封堵现场照片Fig.8Field photos of the biological shielding type blocking on the wall1066