核島內(nèi)部水淹分析方法

趙萌　高文迦

【摘 要】核島內(nèi)部水淹可以導(dǎo)致核島內(nèi)多系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生共模故障，對(duì)電站的安全運(yùn)行存在潛在的威脅。本文介紹了核島內(nèi)部水淹的分析方法，通過(guò)定義核島內(nèi)部水淹源、水淹分區(qū)與漫延路徑來(lái)確定水淹高度，從而為水淹對(duì)核安全系統(tǒng)設(shè)備的影響程度提供具體依據(jù)，以便后續(xù)在設(shè)計(jì)上采取措施，避免或消除內(nèi)部水淹對(duì)核島的影響。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)部水淹

中圖分類號(hào)： TM623.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0228-002

Analytical Way For Internal Flooding In Nuclear Island

ZHAO Meng GAO Wen-jia

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd， Beijing）

【Abstract】Water flooding occurred in nuclear island threatens safe operation of the power plant by causing common-mode faults in many systems and equipments.This paper introduces way of analysis for internal flooding in nuclear island：to calculating of flooding height by considering the flooding source，flooding area and spread route，which determine the degree of flooding influence on safety-related SSCs in nuclear island.As a result，the protective measures can be taken in the design to avoid or eliminate the potential hazard from the internal flooding in nuclear island.

【Key words】Internal Flooding

0 前言

內(nèi)部水淹是可以導(dǎo)致多系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生共模故障的一種危害。本文介紹了一種內(nèi)部水淹的分析方法，通過(guò)對(duì)核島內(nèi)部某一區(qū)域內(nèi)水淹源、水淹漫延過(guò)程的分析與計(jì)算，得到該區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)的淹水累積。后續(xù)可據(jù)此采取必要的設(shè)計(jì)措施降低水淹危害程度，避免核安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備受到水淹影響。

任何區(qū)域的水淹水位都是通過(guò)評(píng)價(jià)流體的流入量、流出量和蓄積量來(lái)確定的[1]。為了確定這幾個(gè)量，需要對(duì)內(nèi)部水淹的過(guò)程做一些簡(jiǎn)單的規(guī)劃，然后引入計(jì)算。

1 內(nèi)部水淹分析的過(guò)程量

內(nèi)部水淹在確定水淹源、漫延路徑以及計(jì)算水淹高度時(shí)通常要針對(duì)某一區(qū)域來(lái)進(jìn)行。水淹分區(qū)的劃分與漫延路徑的選取是水淹分析中兩個(gè)比較重要的環(huán)節(jié)，其選取與水淹高度計(jì)算結(jié)果直接相關(guān)。

劃分水淹分區(qū)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，水淹分區(qū)就是把結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜的核島廠房?jī)?nèi)部，按照一定的規(guī)則，分成若干小區(qū)域，以便分別進(jìn)行分析，各個(gè)小區(qū)域之間通過(guò)水的漫延建立相互關(guān)系。劃分水淹分區(qū)最簡(jiǎn)單易行的方法是先將各個(gè)房間作為最小單元，再根據(jù)以下方法進(jìn)行合并：

△同一層高之間，沒(méi)有邊界分隔的房間合并在一個(gè)分區(qū)。這種情況常見(jiàn)于各廠房底層。

△相鄰層高之間，上下連通或有開(kāi)敞大洞的房間合并在一個(gè)分區(qū)。例如樓梯間或以鋼平臺(tái)作為地面的上下兩層房間。

確定漫延路徑

漫延路徑的起點(diǎn)是水淹源所在區(qū)域，且水淹源的泄漏率能達(dá)到水淹流量（100gpm以上，參照EPRI導(dǎo)則1.3.3）。

漫延路徑的終點(diǎn)通常為下列中的一種：

△室外；

△底層地下室；

△封閉房間。

2 內(nèi)部水淹計(jì)算思路

分區(qū)內(nèi)水淹水位通過(guò)分區(qū)內(nèi)流體的流入量、流出量和蓄積量來(lái)確定。對(duì)始發(fā)水淹的分區(qū)，流入量主要來(lái)自容器破口、管道破口、消防啟動(dòng)或密封件泄漏的泄漏率，流出量則是通過(guò)門、孔洞、地漏和地坑等排出分區(qū)的水量總和。對(duì)位于漫延路徑上的分區(qū)，一邊是經(jīng)由門、洞等進(jìn)入分區(qū)的水，一邊是經(jīng)由門、洞、地漏、地坑等排出的水。

核島內(nèi)部水淹計(jì)算主要遇到的是孔口流和堰流兩種流體模型，分別采用孔口流模型與堰流模型進(jìn)行計(jì)算，這兩種模型計(jì)算的原理均來(lái)自伯努利方程。經(jīng)其推導(dǎo)出的孔口流量公式和堰流流量公式分別為：

2.1 流入量

所有包容流體系統(tǒng)的管道與容器都可以看作是水淹源。因此，對(duì)于任一水淹分區(qū)，水淹源就是布置在該分區(qū)內(nèi)的流體管道與容器。

流體系統(tǒng)成為水淹源主要由以下幾種原因造成：容器破口、管道破口、消防啟動(dòng)或密封件泄漏。通常，對(duì)于某一個(gè)水淹分區(qū)，往往存在不止一處潛在水淹源，根據(jù)確定論單一故障準(zhǔn)則，不考慮同時(shí)發(fā)生兩處以上始發(fā)水淹事件。因此在分析中，通過(guò)對(duì)分區(qū)中各水淹源的泄漏率進(jìn)行計(jì)算并比較，取其中泄漏率最大值作為該分區(qū)中水淹源的包絡(luò)值。水淹持續(xù)時(shí)間通常取30分鐘[3]。

箱罐槽破口

破口容器釋放的流體總量與破口位置有關(guān)，最大值應(yīng)等于容器的有效容積，同時(shí)考慮自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的影響。破口流量用公式3-1孔口流量方程進(jìn)行計(jì)算。

管道破口

管道破口的流量依照高能管道和中能管道的不同流體模型，采用不同的計(jì)算公式。高能管道破口流量應(yīng)按照臨界流的流量公式進(jìn)行計(jì)算[4]。其中，環(huán)向斷裂的破口面積等于管道流通面積的兩倍[5]。縱向破裂的破口面積等于管道的橫截面流通面積[5]。中能管道破口形式為穿壁裂縫。破口面積等于管道的內(nèi)徑的一半與管壁厚度的一半的乘積[5]。采用公式3-1破口流量公式進(jìn)行計(jì)算。

消防系統(tǒng)動(dòng)作

消防系統(tǒng)啟動(dòng)產(chǎn)生的水量依據(jù)消防設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。

泵閥密封件泄漏

密封件泄漏主要指閥桿密封泄漏或泵軸封裝置泄漏，參照RCCP對(duì)非能動(dòng)故障的要求，這類水淹水量通常按6m3考慮。

2.2 流出量

在與漫延路徑相關(guān)的計(jì)算中，一個(gè)分區(qū)邊界如果存在多個(gè)門和孔洞，則這些門和孔洞既可能是流入途徑，也可能是流出途徑，具體流向要看門及孔洞在漫延路徑中的位置，分區(qū)中設(shè)置的翻邊、堰墻起到在時(shí)間上阻礙水流的作用，不對(duì)最終的水淹高度計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響；地漏及疏排水系統(tǒng)如地坑與地坑泵則單純起到排水的作用。

門與門縫

門在水的流動(dòng)過(guò)程中起到阻隔作用。除了水密門和氣密門，核島中其它的通行門都或大或小存在門縫，這是水流突破分區(qū)邊界的早期途徑。

核島中不設(shè)置門檻的門，水流經(jīng)門縫主要有三種情形：一開(kāi)始水從門縫中自由流出不受限制；當(dāng)分區(qū)內(nèi)水累積高過(guò)門縫的高度，分區(qū)外的水位在門縫高度之下，此時(shí)水的流動(dòng)類似孔口自由出流模式，其流量用公式3-1進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)分區(qū)內(nèi)外的水位均高于門縫高度，此時(shí)水的流動(dòng)類似孔口淹沒(méi)出流模式。公式中的h在此為分區(qū)內(nèi)外兩液面的高度差△h。

對(duì)于核島中有門檻的門，水流經(jīng)門縫也是三種情形：最初的情形與無(wú)門檻時(shí)不同，門檻的設(shè)置引起水流模型變化，在分區(qū)內(nèi)水位高度沒(méi)有高過(guò)門檻與門縫之和期間，水流模式為堰流模式，其流量用公式3-2進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)分區(qū)內(nèi)水累積高過(guò)門檻與門縫的高度后，水流動(dòng)模式就與前面無(wú)門檻時(shí)相同了。

當(dāng)水的積累高度不斷增加，達(dá)到門的破壞高度時(shí)，門失效打開(kāi)，此時(shí)分區(qū)內(nèi)外連通，水位在兩個(gè)分區(qū)之間將快速重新分布并達(dá)到平衡。

樓板或墻上未封堵的孔洞

核島中絕大部分墻上與樓板上的孔洞，在安裝相關(guān)物項(xiàng)后都將被封堵。不封堵的孔洞只是極少數(shù)，例如檢修吊裝留洞，這些孔洞上通常設(shè)有蓋板或鋼格柵。

不論孔洞是位于墻上還是樓板上，通過(guò)孔洞的水流動(dòng)模式歸納起來(lái)只有兩種類型：沿邊流和滿灌流。其中沿邊流采用堰流模型，用公式3-2進(jìn)行計(jì)算。滿灌流采用孔口流量模型，用公式3-1進(jìn)行計(jì)算。水經(jīng)過(guò)翻邊洞口溢流的流量按照堰流公式3-2進(jìn)行計(jì)算。水流經(jīng)鋼格柵洞口的模式及流量與鋼格柵上小格的邊長(zhǎng)與數(shù)量相關(guān)。

地漏

地漏排水與樓板孔洞中的圓洞排水形式類似，也分為沿邊流和滿灌流兩種形式。保守考慮時(shí)，分區(qū)內(nèi)的地漏個(gè)數(shù)取50%可用。

地坑

廠房底層的集水地坑內(nèi)設(shè)有地坑泵以排出積水。保守考慮時(shí)，地坑泵作為非核級(jí)能動(dòng)設(shè)備，其水淹緩解作用常不被計(jì)入。

2.3 水淹高度

某一時(shí)間段內(nèi)，分區(qū)水淹水位的高度由水在該區(qū)域的累積量來(lái)確定，累積量是流入量與流出量的差值，它與該區(qū)域的空余面積一起影響水淹水位的高低，即：

H=Qa·T/A=（Q1-Q2）·T/A公式3-3

其中H為水淹水位高度， Q1、Q2、和Qa分別代表流入量、流出量和累積流量，T為時(shí)間，A為分區(qū)內(nèi)的空余面積，指分區(qū)的面積扣除設(shè)備結(jié)構(gòu)等占用面積后所剩余的面積。

3 總結(jié)

核島內(nèi)部水淹防護(hù)，重點(diǎn)防護(hù)與核安全相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備及水淹緩解設(shè)備。內(nèi)部水淹分析主要包括確定水淹源及其水量、分析漫延路徑并確定積水最終去向、計(jì)算水淹高度并評(píng)價(jià)水淹后果。計(jì)算前，有必要先對(duì)此水淹做一個(gè)保守的簡(jiǎn)化分析，確認(rèn)有充足的水量和足夠快的泄漏率使水能夠累積到導(dǎo)致始發(fā)水淹事件發(fā)生或損壞水淹緩解設(shè)備，只有這樣的水淹才需要作近一步計(jì)算。水淹高度的計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，推薦通過(guò)計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ANSI/ANS 56.11-1988，輕水堆隔間淹沒(méi)效應(yīng)防護(hù)準(zhǔn)則.

[2]蔣寶軍，劉輝.流體力學(xué)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社2015：121-123，177-182.

[3]ANSI/ANS-58.8-1984，核安全相關(guān)操作員動(dòng)作時(shí)間響應(yīng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

[4]ANSI/ANS 56.10-1982，輕水堆隔間壓力與溫度瞬態(tài)分析

[5]ANSI/ANS 58.2-1988，輕水堆核電站假想管道破損事故防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.