非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)化研制

韓雨　袁煒　劉蔚　關(guān)曉波　門書卉　姜振良

【摘 要】自嶺澳二期核電站起，非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的供貨一直由國外廠商獨(dú)家壟斷，采購費(fèi)用昂貴，為降低建造成本，打破技術(shù)壁壘，急需對該防火結(jié)構(gòu)進(jìn)行國產(chǎn)化。通過對該防火結(jié)構(gòu)技術(shù)要求的分析，并考慮核電站特殊的使用環(huán)境，對組成該防火結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行了選型，制作了樣件，并對樣件進(jìn)行了耐火極限的測試。最終，研制出滿足M310二代加核電站設(shè)計(jì)要求的非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

【關(guān)鍵詞】核電站；非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)；國產(chǎn)化

0 前言

核電站非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)是一種由熱絕緣材料構(gòu)成的、具有耐火性能的實(shí)體隔離結(jié)構(gòu)，確保位于防火區(qū)內(nèi)被保護(hù)設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)其功能的有效性。該防火結(jié)構(gòu)長期依賴進(jìn)口，國外廠商對關(guān)鍵參數(shù)保密，國產(chǎn)化難度非常大。

自嶺澳二期核電站起，該裝置的供貨均由國外某廠商獨(dú)家壟斷，采購費(fèi)用昂貴。同時(shí)，國外供應(yīng)商在我國沒有設(shè)立技術(shù)服務(wù)中心，某項(xiàng)目出現(xiàn)安裝問題后，其技術(shù)工程師從國外派遣，中方需承擔(dān)交通、食宿、現(xiàn)場服務(wù)費(fèi)，增補(bǔ)的貨物海運(yùn)至現(xiàn)場的時(shí)間至少為一個(gè)月，嚴(yán)重滯后了工程進(jìn)度，增加了建造成本。

隨著國內(nèi)需求量的增長，無論從造價(jià)還是安裝技術(shù)指導(dǎo)，都需要打破國外供應(yīng)商壟斷，研制國產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)類產(chǎn)品。

1 非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的型式和組成

1.1 非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的形式

根據(jù)所保護(hù)設(shè)備的不同，非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)分為三種結(jié)構(gòu)形式，防火屏障（圖1所示）、防火包覆（圖2所示）和防火箱體（圖3所示）。

1.2 非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的組成

非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)包括以下組成部分：

（1）防火纖維棉毯：非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)中執(zhí)行防火功能的主材，采用礦物巖制成的纖維棉毯，其耐輻照性好，使用壽命長。

（2）膠粘劑：主要用于防火纖維棉毯、玻璃纖維橡膠布、混凝土、金屬基底之間的粘結(jié)。

（3）玻璃纖維橡膠布：一種以玻璃纖維布為基底，表面涂覆橡膠層的防水布。防止陶瓷纖維毯散落，保護(hù)其不受外部環(huán)境影響，發(fā)生失水事故時(shí)不破裂，不堵塞安全殼噴淋系統(tǒng)的地坑過濾器。

（4）密封膠：用于玻璃纖維橡膠布接縫處的密封，形成完整的防滲漏整體。

（5）通風(fēng)膨脹模塊：該模塊既要保證低壓動(dòng)力電纜正常運(yùn)行時(shí)（最高正常運(yùn)行溫度90℃）的通風(fēng)，又要保證發(fā)生火災(zāi)時(shí)能迅速閉合。

（6）耐火板：用于制作防火箱體的防火門，以保證可以對被保護(hù)設(shè)備進(jìn)行檢修。

（7）支撐體系：保證非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)在正常條件下的穩(wěn)定性以及地震載荷作用下的完整性。其他防火材料通過鉚接以及粘接的方式固定在支撐體系上。

2 材料的選型和研發(fā)

2.1 防火纖維棉毯的選擇

防火纖維棉毯是非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的核心材料，它直接決定了整個(gè)防火保護(hù)裝置是否能滿足1.5h耐火等級(jí)的要求。

防火纖維棉毯密封在防火裝置內(nèi)部，不與環(huán)境直接接觸，不需要具有抗DBA（設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故）、放射性核素去污的能力。不同材質(zhì)的防火纖維棉毯的物理性能對比見表1：

根據(jù)耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線的方程，1.5h耐火極限的最高溫度為1027℃，從上表可見只有陶瓷纖維棉的使用溫度滿足該條件。采用陶瓷纖維棉毯作為優(yōu)選方案。

2.2 耐火板的確定

對于防火箱體這種保護(hù)形式是將所保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)體隔離，以避免受到火災(zāi)事故的影響，但是這種保護(hù)方式也不可避免的將相關(guān)設(shè)備置于封閉的空間，導(dǎo)致其無法在核電廠正常運(yùn)行條件下進(jìn)行檢查或維護(hù)，如圖3所示，這種情況下必須把防火箱體的其中一面設(shè)計(jì)成為可以反復(fù)打開和關(guān)閉而不破壞其結(jié)構(gòu)的保護(hù)形式，滿足受保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)的需要，因此將防火箱體的其中一面設(shè)計(jì)成為可以使人員正常進(jìn)出的防火門，其通過機(jī)械錨固在支撐體系上，由具有耐火極限要求的耐火板組成。

耐火板作為防火箱體結(jié)構(gòu)的一個(gè)外露表面，與環(huán)境直接接觸，因此要求具有抗DBA性能以及可以去除表面放射性核素沾污的性能。同時(shí)，作為該防火結(jié)構(gòu)的一個(gè)支撐面，要求其具有一定的剛性，可以經(jīng)受一定程度的碰撞。另外，作為防火箱體結(jié)構(gòu)的一個(gè)防火面，要求耐火板具有一定較高的使用溫度和較低的導(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)上述的要求，選定了在核電站內(nèi)常用的硅酸鈣耐火板。

2.3 膠粘劑的選擇

由于非能動(dòng)防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的主體材料是由兩層防火纖維毯組成，因此兩層主體材料之間就必須有相應(yīng)的材料進(jìn)行黏結(jié)，以防止主體材料之間脫落或出現(xiàn)空隙。同時(shí)，為了保證整個(gè)玻璃纖維橡膠布與纖維棉毯形成一整體，防止硅布與陶瓷棉之間發(fā)生縱向竄動(dòng)，在支撐體系的不銹鋼護(hù)板和內(nèi)層纖維毯之間也要涂刷膠粘劑進(jìn)行粘結(jié)。

膠粘劑在裝置內(nèi)部使用，不與環(huán)境直接接觸，不需要具有抗DBA、放射性核素去污的能力。各類膠粘劑的性能對比見表2：

環(huán)氧樹脂類和酚醛樹脂類最高使用溫度不能滿足1100℃的設(shè)計(jì)要求。磷酸鹽類和硅酸鹽類耐輻照性好，最高使用溫度滿足設(shè)計(jì)要求，但磷酸鹽類pH值呈酸性，不能用于混凝土或金屬基底上。選擇偏堿性的無機(jī)硅酸鹽膠粘劑作為優(yōu)選方案。

2.4 玻璃纖維橡膠布的選則

玻璃纖維橡膠布位于整個(gè)防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的最外層，應(yīng)具有良好的韌性、耐輻照性能和可去污性，能承受DBA試驗(yàn)。對JC/T171《涂覆玻璃纖維布》標(biāo)準(zhǔn)中涉及的橡膠涂覆層進(jìn)行了以下對比，如表3所示：

抗DBA試驗(yàn)最高溫度會(huì)達(dá)到156℃。天然橡膠、丁腈橡膠的使用溫度較低，在DBA試驗(yàn)時(shí)易脫落、粉化；乙丙橡膠的耐輻照性能差，長時(shí)間處于輻照環(huán)境下，易脆化；硅橡膠具有良好的耐酸、耐水和耐輻照性，壽命較長，使用溫度較高。選用硅橡膠涂覆玻璃纖維布（簡稱硅布）作為優(yōu)選方案。

2.5 密封膠的選擇

密封膠在防火保護(hù)結(jié)構(gòu)中主要用于外層硅布間的搭接、硅布與混凝土、金屬支撐、電纜管道貫穿件等縫隙處的密封，從而形成一個(gè)連續(xù)的光滑可去污表面，形成完整的防滲漏整體，將主體防火材料陶瓷纖維毯完全包覆在硅布內(nèi)部。

目前，國內(nèi)所使用的密封膠種類繁多，在選型時(shí)主要考慮目前在國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的聚丙烯酸酯類密封膠、聚氨酯類密封膠和硅酮類密封膠，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分析見表4：

硅酮密封膠工作溫度為-50～200℃，能承受DBA試驗(yàn)時(shí)的最高溫度，且耐輻射性好，使用壽命可達(dá)20年以上。最終采用核電站反應(yīng)堆廠房已使用的硅酮密封膠作為優(yōu)選方案。

2.6 通風(fēng)膨脹模塊密封條的選擇

膨脹模塊采用剛性防火板為基底框架，復(fù)合遇熱膨脹密封條。膨脹密封條的起始膨脹溫度應(yīng)在大于90℃（電纜最高正常運(yùn)行溫度）的基礎(chǔ)上越低越好（遇熱及時(shí)膨脹），此外還要求耐輻照性能好。通過對具有遇熱膨脹特性的材料進(jìn)行如下對比（圖5）。

膨脹硅酮橡膠屬于耐輻照性好、使用壽命長的橡膠類產(chǎn)品，經(jīng)常用于航空航天系統(tǒng)，其低溫膨脹性能優(yōu)越，滿足防火包覆通風(fēng)散熱部件的功能要求。選擇膨脹硅酮橡膠作為優(yōu)選方案。

2.7 支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

選用60*60*6的方鋼作為支撐體系的主要組成部分（柱和梁），材質(zhì)為Q235B，做熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅厚度不低于70微米。

由于安裝非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)現(xiàn)場各設(shè)備已經(jīng)到位，因此，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須以現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，配合ANSYS軟件，對非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元模型抗震性能分析，地震荷載采用相關(guān)項(xiàng)目核島廠房樓層反應(yīng)譜，如不滿足抗震要求則進(jìn)行進(jìn)一步的加固措施，直到滿足抗震要求為止。

3 耐火極限測試

非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的耐火極限測試按照GB/T9978.1中的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線及試驗(yàn)條件進(jìn)行，所使用的測試試件的尺寸為2000mm×2000mm×1200mm，并設(shè)置有管道、電纜和電纜橋架等貫穿物，貫穿物采用陶瓷纖維毯包裹，試件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

測試時(shí)，將測試用構(gòu)件整體放入試驗(yàn)爐中，用爐蓋板封閉爐膛口。用于測量箱體內(nèi)部溫度的熱電偶，主要布置在箱體的中心、箱體上部四個(gè)頂角、防火門的縫隙處以及貫穿物項(xiàng)上，共布置熱電偶21個(gè)。

耐火極限的測試時(shí)間為1.5h，試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)對試件的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)并記錄內(nèi)部熱電偶的溫度。

4 試驗(yàn)結(jié)果

非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的耐火極限測試及核電站特殊使用環(huán)境測試的結(jié)果見表6，經(jīng)測試，非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)化產(chǎn)品滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)格的要求，完成了核電站非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的自主研制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

5 重要意義

核電站非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，報(bào)價(jià)至少比國外同類產(chǎn)品低40%，且具有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可用于中核、中廣核集團(tuán)在建的M310機(jī)組，具有較大的商業(yè)價(jià)值。

核電站非能動(dòng)實(shí)體防火保護(hù)結(jié)構(gòu)的成功研制，增加了相關(guān)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的國產(chǎn)化，打破了該產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口的歷史，對于我國核電站被動(dòng)防火裝置的研發(fā)工作具有重要意義。

[責(zé)任編輯：王楠]