海上浮動(dòng)核電站堆艙碰撞安全研究

譚 美，郭 健，郭 翔，張乃樑

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著小堆技術(shù)的不斷發(fā)展，將核反應(yīng)堆運(yùn)用在海上平臺(tái)為海洋石油開(kāi)采或偏遠(yuǎn)地區(qū)等領(lǐng)域提供電力或淡水等能源的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，海上浮動(dòng)核電站正成為工程研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。如何確保反應(yīng)堆及浮動(dòng)平臺(tái)的足夠安全，成為海上浮動(dòng)核電站技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)[1]。

反應(yīng)堆是海上浮動(dòng)核電站的心臟，而堆艙就是確保反應(yīng)堆安全的心房，是反應(yīng)堆抵抗外部事件和防止放射性物質(zhì)泄漏的重要安全屏障。類(lèi)似陸上核電站的地震事件，海上浮動(dòng)核電站最顯著的外部事件之一就是碰撞，因此堆艙的防碰撞問(wèn)題成為海上浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。核動(dòng)力商船安全分析認(rèn)為碰撞可造成人命安全、全船毀損或環(huán)境污染，以及對(duì)營(yíng)運(yùn)單位造成不良的社會(huì)影響及經(jīng)濟(jì)損失，并按后果嚴(yán)重程度將事故分為一般和嚴(yán)重2 種等級(jí)。一般事故通常不會(huì)造成船體永久性變形，不影響船舶正常營(yíng)運(yùn)。嚴(yán)重事故可造成船體結(jié)構(gòu)破損，甚至可能會(huì)造成放射性物質(zhì)泄漏，或穩(wěn)性喪失造成船舶傾覆和人命安全等，如圖1所示。

在國(guó)內(nèi)外均不具有成熟的海上浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)規(guī)范的背景下，由于海上浮動(dòng)核電站與核動(dòng)力商船具有類(lèi)似的海洋環(huán)境條件，國(guó)際海事組織制定的《核商船安全規(guī)則》成為海上浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)的重要參考，該規(guī)范對(duì)堆艙的防碰撞設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求[2]，對(duì)堆艙舷側(cè)距外殼板的防碰撞距離有相關(guān)規(guī)定。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于海上浮動(dòng)核電站為滿足連續(xù)供電需求而采用雙堆布置方案，完全按照《核商船安全規(guī)則》的堆艙碰撞距離要求設(shè)計(jì)存在挑戰(zhàn)。

圖 1 海上浮動(dòng)核電站碰撞事故后果Fig. 1 FNNP collision results

考慮到海上浮動(dòng)核電站長(zhǎng)期在海上處于系泊狀態(tài)作業(yè)，不具有核商船的航行特征，在碰撞發(fā)生概率水平上兩者具有一定區(qū)別。因此，本文還探索了具有類(lèi)似特殊安全要求的使用氣體或低閃點(diǎn)燃料船舶的燃料艙碰撞安全設(shè)計(jì)要求（后文簡(jiǎn)稱“IGF 規(guī)則”），以期能為海上浮動(dòng)核電站碰撞安全分析借鑒參考。

1 核商船安全規(guī)則要求

1.1 安全屏障要求

核商船安全規(guī)則要求核動(dòng)力船舶至少設(shè)置4 層安全屏障，這種縱深防御概念要求任何裝置工況下，經(jīng)過(guò)核燃料和環(huán)境之間的多層物理屏障保護(hù)，阻止或控制放射性物質(zhì)在允許的劑量當(dāng)量水平[2]。

第1 層：燃料包殼，其功能是滯留燃料產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物在包殼內(nèi)；

第2 層：一回路壓力邊界，其功能是阻止放射性物質(zhì)向一回路系統(tǒng)外非有意泄漏；

第3 層：安全殼結(jié)構(gòu)，其功能是完整包圍一回路壓力邊界，其重要作用是在任何裝置工況下，限制放射性產(chǎn)物從安全殼內(nèi)的任何設(shè)備向外泄漏；

第4 層：安全殼圍壁，包圍安全殼結(jié)構(gòu)和核動(dòng)力裝置的任何重要放射性源，其主要安全功能是阻止放射性物質(zhì)非有意釋放并限制其泄漏。

依據(jù)上述定義，海上浮動(dòng)核電站與核商船類(lèi)似，具有4 層防護(hù)屏障，如圖1 所示。

圖 2 海上浮動(dòng)核電站防護(hù)屏障示意圖Fig. 2 FNPP protective barrier schematic

1.2 破損范圍要求

為滿足第4 道安全屏障限制放射性物資泄漏的功能要求，核商船安全規(guī)則要求構(gòu)成第4 道屏障的安全圍壁具有水密及氣密性質(zhì)，其縱艙壁位置距船外殼板間距應(yīng)不小于如下要求[2]：

1）基于對(duì)國(guó)際海事組織對(duì)歷史上海損船舶的碰撞破損深度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，滿足破損范圍假定要求，如表1所示。

表 1 橫向破損范圍Tab. 1 The transverse damage extent

2）如果主管認(rèn)為存在任何可能造成更嚴(yán)重碰撞破損的工況，碰撞保護(hù)距離需不小于此類(lèi)事件下碰撞破損深度。

3）為了限制被撞船舶的破損穿透深度，如果在堆艙舷側(cè)設(shè)置特殊設(shè)計(jì)的碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)保護(hù)結(jié)構(gòu)能提供的抗浸水等效保護(hù)程度，主管機(jī)關(guān)可接受較第1 條規(guī)定的較小的橫向破損深度。

通過(guò)分析可知，其中第1 條規(guī)定堆艙外邊界距舷側(cè)外板距離為B/5，或者11.5 m，取小者（后文簡(jiǎn)稱“B/5”標(biāo)準(zhǔn)），作為堆艙橫向碰撞保護(hù)的要求，對(duì)浮動(dòng)核電站的總體設(shè)計(jì)提出了很高的要求。因此，核商船安全規(guī)則同時(shí)規(guī)定了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)保護(hù)設(shè)計(jì)，作為堆艙防碰撞措施的補(bǔ)充，

1.3 結(jié)構(gòu)保護(hù)設(shè)計(jì)要求

船舶碰撞的研究可以追溯到20 世紀(jì)50 年代后期，其開(kāi)創(chuàng)性工作是Minosrky 在1959 發(fā)表于《Journal of ship research》的研究論文，其工業(yè)背景是配合核動(dòng)力船舶的研制，防止其在碰撞或擱淺等事故中受到嚴(yán)重?fù)p傷而發(fā)生核泄漏。在船舶碰撞研究中，將其力學(xué)機(jī)理分為外部碰撞力學(xué)(或稱外部機(jī)理)和內(nèi)部碰撞力學(xué)(或稱內(nèi)部機(jī)理)兩部分[3]。外部碰撞力學(xué)主要描述船舶的剛體運(yùn)動(dòng)以及耗散于結(jié)構(gòu)損傷變形的碰撞能量，而內(nèi)部碰撞力學(xué)則著力于求解碰撞區(qū)域結(jié)構(gòu)的損傷變形與碰撞載荷之間的非線性關(guān)系，當(dāng)確定了內(nèi)外部機(jī)理及基準(zhǔn)之后，就可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)船舶的碰撞破損問(wèn)題。圖3 為一種典型的分析船舶碰撞的流程圖，輸入的數(shù)據(jù)包括被撞船舶及撞擊船舶的主尺度、排水量等參數(shù)，撞擊船舶首部特征，被撞船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，碰撞情景主要是碰撞位置、角度和相對(duì)航速等特征[4]。

圖 3 碰撞分析流程示意圖Fig. 3 The collision analysis diagram

核商船安全規(guī)則要求碰撞需包括與固定和浮動(dòng)物體的碰撞以及船舶之間的碰撞，即包含撞與被撞2 種情況。碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該能滿足經(jīng)主管機(jī)關(guān)認(rèn)可的碰撞設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，保障安全圍壁縱向水密和氣密邊界不被船舶或襲擊物體撞擊穿透。堆艙的保護(hù)區(qū)域應(yīng)合理沿船長(zhǎng)方向延伸至堆艙橫艙壁前后一定范圍，具體值取決于各船舶設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，同時(shí)必須提供足夠的船舶縱向過(guò)渡結(jié)構(gòu)[2]。

核商船安全規(guī)則要求核商船應(yīng)有碰撞保護(hù)分析，其結(jié)果應(yīng)體現(xiàn)在船舶的安全分析報(bào)告中。該分析應(yīng)考慮罕見(jiàn)事件發(fā)生的可能性，碰撞船舶或襲擊物體的類(lèi)型，以及公海、沿海、近海和港口的情況。其他還需考慮的因素如下：

1）用計(jì)算、模型試驗(yàn)等方法驗(yàn)證碰撞防護(hù)結(jié)構(gòu)阻止穿透深度超過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)限值的有效性；2）反應(yīng)堆艙的位置；3）船舶分艙；4）破損穩(wěn)性；5）各破損工況下船體強(qiáng)度；6）碰撞船舶的排水量、航速和船首部形狀，這些撞擊船舶可能包含以下情況：設(shè)計(jì)航速下航行的同等尺度船舶、帶球鼻首的超大型油輪、帶尖首的高速軍艦、及核商船撞擊質(zhì)量無(wú)限大的固定物體；7）火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)；8）船舶操縱性喪失；9）對(duì)貨物的影響。

2 IGF 規(guī)則要求

2.1 背景概述

由于核商船規(guī)范制定時(shí)，概率分析法對(duì)船舶與海洋工程設(shè)計(jì)仍是一個(gè)比較陌生的領(lǐng)域，國(guó)際海事組織（IMO）對(duì)碰撞和擱淺的海損船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計(jì)分析工作處在研究階段，因此在核商船規(guī)范通過(guò)時(shí)，概率法分析沒(méi)有能成為規(guī)范推薦的碰撞破損問(wèn)題分析方法[5]。

分析現(xiàn)代船舶碰撞破損理論，主要包括傳統(tǒng)的確定性理論，或現(xiàn)代概率論。確定性方法假定碰撞位置沿整個(gè)船長(zhǎng)范圍的發(fā)生概率一樣，概率論在一定程度上解決確定性方法存在的概率分布問(wèn)題，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)海損船舶數(shù)據(jù)，建立船舶舷側(cè)和底部碰撞及破損位置、范圍和穿透深度的概率密度分布函數(shù)[6]。于是IMO（1971）通過(guò)了Res.A.265 決議，首次確立了船舶碰撞破損的概率分析法作為客船設(shè)計(jì)的依據(jù)。在1990 年召開(kāi)的第58 次IMO 海上安全委員會(huì)通過(guò)了MSC.19（58）決議，概率分析法推廣應(yīng)用到干貨船設(shè)計(jì)。在2015 年通過(guò)的《IGF 規(guī)則》（MSC.391（95））決議，推薦了具有概率特征的fCN值作為燃料艙可接受位置的等效設(shè)計(jì)[7]。

2.2 相似性比較

海上浮動(dòng)核電站堆艙與IGF 燃料艙性質(zhì)相似，堆艙是海上浮動(dòng)核電站的第4 層安全屏障，負(fù)責(zé)包容具有放射性物質(zhì)的反應(yīng)堆及一回路壓力系統(tǒng)，而IGF 燃料艙負(fù)責(zé)包容易燃易爆氣體或其它低閃點(diǎn)燃料，這2 種艙室一旦發(fā)生碰撞破損事故，后果極其嚴(yán)重（造成污染泄漏、爆炸等），均需要重點(diǎn)保護(hù)[8]。從碰撞安全角度考量，核商船安全規(guī)則和IGF 規(guī)則分別對(duì)核動(dòng)力船舶堆艙和IGF 燃料艙提出了相似的防碰撞安全要求，因此，海上浮動(dòng)核電站與運(yùn)輸易燃易爆氣體或其它低閃點(diǎn)燃料的船舶在防碰撞設(shè)計(jì)要求上具有相似性。

表 2 堆艙及IGF 燃料艙性質(zhì)對(duì)比Tab. 2 The character comparison of reactor compartment and IGF tank

2.3 確定性要求

IGF 規(guī)則規(guī)定，考慮到船舶的安全操作以及關(guān)于船舶的其他可能危險(xiǎn)，燃料艙應(yīng)布置成使得其在碰撞或擱淺后的損傷概率降到最低，燃料艙應(yīng)予以機(jī)械損傷防護(hù)。燃料艙應(yīng)能防止由于碰撞和擱淺導(dǎo)致的外部損傷，要求在夏季載重水線平面上，從舷側(cè)向舷內(nèi)垂直于中心線的方向量取B/5 或11.5 m（取小者，B 為型寬）作為燃料艙至舷側(cè)的最小距離。

2.4 概率性要求

IGF 規(guī)則“5.3.4 款”規(guī)定，作為B/5 規(guī)則的橫向保護(hù)距離要求”的替代，可采用下面的計(jì)算方法來(lái)確定可接受的燃料艙布置位置：

1）按如下公式計(jì)算得出的fCN值，對(duì)于客船應(yīng)小于0.02，對(duì)于貨船應(yīng)小于0.04。

2）fCN值的計(jì)算方法借鑒《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）概率論方法，綜合考慮燃料艙沿船縱向（fl），橫向（ft）和高度（fv）方向?qū)ε鲎财茡p的貢獻(xiàn)概率(fCN=flx ftx fv)，解釋如下：

① fl是根據(jù)SOLAS 公約Ⅱ-1/7-1.1.1.1 推薦的計(jì)算方法，將艙室碰撞范圍沿船長(zhǎng)無(wú)因次化“J=(x2-x1)/L s”，在船舶縱向評(píng)估破損概率特征fl(J)=p(x1,x2)；其中x1，x2分別為艙室前后艙壁距尾垂線的縱向距離，Ls 為船舶的分艙長(zhǎng)度。

② ft是根據(jù)SOLAS 公約Ⅱ-1/7-1.1.2 推薦的計(jì)算方法，將艙室碰撞橫向破損范圍沿船寬無(wú)因次化“Jb=b/（15B）”，在船舶橫向評(píng)估破損概率特征ft(Jb)=1-r(x1,x2,b)。其中，b 為載重水下面處艙室外邊界距舷側(cè)外板距離，B 為型寬。

③ fv是根據(jù)SOLAS 公約Ⅱ-1/7-2.6.1.1 推薦的計(jì)算方法，考慮艙室距船底基線高度對(duì)滿載吃水相對(duì)差“H-d”，在船舶垂向評(píng)估破損概率特征，根據(jù)“Hd”與7.8 的相對(duì)大小，分別取fv=1.0-0.8（（H-d）/7.8）或0.2-0.2.（（（H-d）-7.8）/4.7），任何情況下不大于1 且不小于0。其中，H 為艙室最低點(diǎn)距基線的垂線距離，d 為船舶滿載吃水深度。

需要說(shuō)明的是，fCN值僅說(shuō)明可能發(fā)生在燃料艙縱向投影邊界所形成區(qū)域之內(nèi)的碰撞損傷，fCN不能被視為或被用作一次碰撞條件下燃料艙的損傷概率。當(dāng)考慮包括燃料艙向前和向后區(qū)域的更長(zhǎng)的損傷時(shí)，實(shí)際的概率會(huì)更高。

3 案例分析

國(guó)內(nèi)外在海上浮動(dòng)核電站領(lǐng)域開(kāi)展了大量應(yīng)用研究，其中俄羅斯KLT40S 海上浮動(dòng)核電站是目前世界首座且唯一在建的浮動(dòng)核動(dòng)站[9]，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)具有參考價(jià)值。KLT40S 主參數(shù)如表3 所示。

基于俄羅斯公開(kāi)的KLT40S 相關(guān)數(shù)據(jù)，分析其堆艙的碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)及安全水平：

1）在舷側(cè)保護(hù)距離方面，核商船安全規(guī)則對(duì)第4 層安全屏障的要求是距舷側(cè)距離為“B/5”，即6 m。通過(guò)對(duì)KLT40S 現(xiàn)場(chǎng)分段及其他照片資料分析，第4 層安全圍壁距舷側(cè)距離為5 m，遠(yuǎn)大于常規(guī)船舶的舷側(cè)保護(hù)距離，由此表明海上浮動(dòng)核電站對(duì)堆艙的保護(hù)具有很高的要求；另一方面，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，5 m舷側(cè)保護(hù)距離并不完全滿足橫向破損范圍的“B/5”要求，如果完全參照“B/5”要求，按照安全殼區(qū)域?qū)挾炔蛔兦艺肌?B/5”推算，KLT40S 的船寬需要達(dá)到31.7 m。因此需要增加船寬1.7 m，并需要按合適的長(zhǎng)寬比增加船長(zhǎng)，對(duì)主尺度和排水量改變較大。分析認(rèn)為，KLT40S在堆艙碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)方面，考慮了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)碰撞空間要求的貢獻(xiàn)，在盡量滿足“B/5”要求的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加結(jié)構(gòu)抗碰撞能力，滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)下浮動(dòng)核電站堆艙碰撞安全要求。

表 3 KLT40S 主要參數(shù)Tab. 3 The principle characters of KLT40S

圖 4 KLT40S 海洋核動(dòng)力平臺(tái)Fig. 4 The profile of KLT40S

2）利用IGF 規(guī)則概率法分析KLT40S 堆艙防碰撞安全水平，應(yīng)用概率分析法，計(jì)算船長(zhǎng)140 m 時(shí)，fCN概率值隨舷側(cè)保護(hù)間距（b）的變化特征，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。數(shù)據(jù)顯示fCN概率隨b 值增加而降低，在b=4.5 m 時(shí)fCN＜0.04，具有貨船標(biāo)準(zhǔn)的安全水平。fCN概率分析法的另一個(gè)重點(diǎn)因素是ft，計(jì)入了艙室縱向范圍的船長(zhǎng)無(wú)因次參數(shù)對(duì)碰撞概率的影響。因此，文章計(jì)算了在b=5 時(shí)，fCN概率值隨船長(zhǎng)（L）的變化特征，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。數(shù)據(jù)顯示，fCN概率隨Ls 增加而降低，當(dāng)Ls=195 m 時(shí)fCN＜0.02，具有客船標(biāo)準(zhǔn)的安全水平。因此，從總體設(shè)計(jì)角度考慮，除通過(guò)增加舷側(cè)距離b 的維度提高防碰撞能力，還可以考慮船長(zhǎng)維度對(duì)碰撞概率的貢獻(xiàn)，綜合考慮船寬和船長(zhǎng)對(duì)防碰撞的影響，以達(dá)到總體綜合指標(biāo)最優(yōu)化。通過(guò)計(jì)算分析可知，KLT40S 方案（b=5 m，L=140 m）的fCN=0.034，具有貨船和客船之間的安全水平。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，增加舷側(cè)保護(hù)間距和增加船長(zhǎng)均能有效降低fCN概率，對(duì)提高艙室放碰撞性能有利。因此fCN概率分析法指導(dǎo)海上浮動(dòng)核電站防碰撞設(shè)計(jì)及安全性能評(píng)估具有一定參考價(jià)值。

圖 5 保護(hù)間距fCN 影響Fig. 5 Transverse protection distance′s effecting on fCN

圖 6 船長(zhǎng)對(duì)fCN 影響Fig. 6 Ship division length′s effecting on fCN

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上分析，本文得出以下結(jié)論并對(duì)海上浮動(dòng)核電站堆艙防碰撞設(shè)計(jì)提出建議：

1）《核商船安全規(guī)則》規(guī)定了橫向破損深度“B/5，或者11.5 m，取其中較小者”，以及主管機(jī)關(guān)認(rèn)為任何有效的其他因素可能導(dǎo)致更嚴(yán)重破損，作為指導(dǎo)核動(dòng)力船舶防碰撞設(shè)計(jì)的假設(shè)破損范圍。同時(shí)也規(guī)定，如果在堆艙側(cè)部設(shè)置特殊設(shè)計(jì)的碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)保護(hù)結(jié)構(gòu)能提供的抗浸水等效保護(hù)程度，經(jīng)主管機(jī)關(guān)認(rèn)可后可接受較小的橫向破損深度。在指導(dǎo)海上浮動(dòng)核電站堆艙結(jié)構(gòu)防碰撞設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先確定外部事件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，并制定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2）IGF 規(guī)則中基于概率論的fCN法作為對(duì)燃料艙防碰撞能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的思想，可作為一種評(píng)估海上浮動(dòng)核電站堆艙碰撞安全水平的理論方法。但是，本文未提出評(píng)判海上浮動(dòng)核電站堆艙碰撞安全的具體fCN概率分析法指標(biāo)，后續(xù)需要進(jìn)一步結(jié)合海上浮動(dòng)核電站船型、海洋環(huán)境、核安全要求和碰撞后事故嚴(yán)重性等特征，研究制定針對(duì)海上浮動(dòng)核電站堆艙碰撞安全可接受的概率指標(biāo)，建立一套海上浮動(dòng)核電站示范工程可推廣應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。