高溫氣冷堆核電示范工程機械管道孔洞封堵設計研究

余文生，高旭，劉思光

（中核能源科技有限公司，北京 100084）

0 引言

山東石島灣高溫氣冷堆示范工程核島廠房需要封堵的孔洞數(shù)量眾多，分布在核島各個廠房中（反應堆廠房UJA，核輔助廠房UKA，電氣廠房UCB，乏燃料廠房UFC等），包括機械管道孔洞（貫穿物為工藝管道或風管）、電氣孔洞（貫穿物為電纜和儀表管）和混合孔洞（貫穿物既有機械管道，又有電氣貫穿物）。高溫氣冷堆相對于壓水堆，工藝系統(tǒng)少，管線穿墻或樓板孔洞也相對較少。核島機械管道孔洞封堵結構是防火邊界上的一道重要屏障。

我國核島機械管道封堵技術是不斷發(fā)展的。早期核電項目缺乏相應的封堵材料，偏向于直接用混凝土封堵。該方法限制了管道的徑向位移。后期容易出現(xiàn)開裂剝離的現(xiàn)象(尤其是外墻孔洞封堵出現(xiàn)大雨天滲水的情況)。隨著核電要求的提高、國外產品的引入及國內相應的封堵材料的開發(fā)，現(xiàn)在核島機械管道封堵普遍采用專用的封堵材料。

本文從高溫氣冷堆示范工程核島機械管道開孔封堵實踐，對封堵材料選擇，材料驗收準則、高溫堆機械管道封堵做法進行了解析，并提出高溫堆后續(xù)項目機械管道孔洞封堵的建議和改進方法。

1 機械管道孔洞封堵的功能要求

1.1 技術要求

機械管道開孔封堵是為了保證土建結構的連續(xù)性、完整性。根據(jù)不同的封堵要求，示范工程標準封堵結構具有下述一種功能或多種功能：氣密（A）、水密（W）、耐火極限要求（F）、生物屏蔽（B）[1]等。

氣密（A）：在50mm水壓頭差下，無氣體泄漏；

水密（W）：保證2.0m水壓頭下不泄露；

耐火極限（F）：根據(jù)防火分區(qū)耐火極限要求，防火封堵應保證相應的耐火極限要求。燃燒時，封堵材料應無有毒性氣體或煙排出；在確定防火屏障所需耐火極限時，需要考慮火災危害性分析的結果。對于防火區(qū)邊界，推薦的額定耐火極限為最少一小時，除非國家標準另有要求[2]。示范工程防火屏障的耐火極限有1.5h和3h兩種。

生物防護屏蔽（B）：封堵對γ射線的屏蔽作用應于開孔所在墻體同等厚度混凝土相當。

除此之外封堵結構應具備可去除放射性物質玷污：封堵外表面應可去除放射性玷污，以保證可去污表面的連續(xù)性；對于不要求去除放射性物質玷污的封堵表面，應保證其表面的可清洗。

1.2 封堵原則

通常情況，管道穿過孔洞的封堵應允許管道在各個方向有5mm的位移自由度，封堵材料的功能要求在0℃至100℃的范圍內保持穩(wěn)定（不同材料的適用范圍可能不同，對于超出上述要求范圍的管道孔洞封堵應出具專項封堵方案）。

（1）直接封堵。如果在澆筑混凝土時預埋了套管或芯模，則在管道穿過后在管道與其周圍的空間用封堵材料進行封堵。

（2）縮孔處理。如果管道已經(jīng)穿過了預留的大孔洞，則應先澆筑二次混凝土縮小預留孔洞空間。在澆筑二次混凝土時，在管道周圍預埋由兩個半圓型殼體組成的套管或模板。二次混凝土中應加入適當?shù)匿摻?。最后對二次澆筑后管道周圍的空間用封堵材料進行封堵。

2 示范工程機械管道封堵問題

2.1 示范工程機械管道封堵設計過程

高溫氣冷堆示范工程機械管道孔洞封堵最初是由各設計項負責，但是封堵作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)封堵做法不統(tǒng)一，封堵材料類型、用量、驗收等問題導致采購、施工困難。因此在2016年提出統(tǒng)一封堵技術要求和材料采購。在此背景下開展了高溫氣冷堆機械管道孔洞封堵的設計工作。

2.2 示范工程機械管道封堵原則

對于高溫氣冷堆示范工程核島建筑的所有機械管道孔洞做防火封堵，采用的封堵結構主要為1.5小時耐火極限的（或生物屏蔽）封堵結構、耐輻照3小時耐火極限的（或生物屏蔽）封堵結構。通風管道孔洞封堵采用細石混凝土封堵。

2.3 示范工程封堵間距過小問題

參考壓水堆，管道與套筒之間的距離示意見圖1，距離要求詳見表1。

圖1 管道與套筒之間的距離

表1 管道與套筒之間的距離

現(xiàn)場實際情況往往是管道與套筒不同心，因此管道與套筒之間的距離（以下簡稱“間隙”）是理論上的計算平均值。

對于管道穿過預留的大孔洞，不存在小間隙的問題，對于預埋了套管的穿管孔洞，管道和套筒之間的距離過小對封堵的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）管道各向5mm位移自由度不能滿足；（2）封堵材料無法填充或者不能保證填充密實。在厚樓板或者墻體孔洞封堵時問題更為嚴重，該問題主要影響封堵結構的氣密、水密及防火。（3）不能保證規(guī)定的耐火極限要求。填充的封堵材料因為小間隙導致結構釋熱能力變差，影響封堵結構的防火能力。

調研高溫氣冷堆示范工程預留的孔洞，發(fā)現(xiàn)部分預留間隙比表1規(guī)定要求小。

2.4 示范工程厚墻體孔洞封堵孔洞封堵問題

相對于壓水堆，高溫氣冷堆存在超厚墻體（例如2.4m厚的堆艙室壁）的機械管道孔洞封堵問題。這類孔洞封堵需要耐輻照，防火等要求。

3 示范工程機械管道封堵做法

3.1 材料選擇

核島封堵材料一般有專用材料，國內外都有相關產品的供應。表2為國內外代表性產品及主要性能參數(shù)。

表2 代表性封堵產品

3.2 材料驗收準則

結合已有的壓水堆良好實踐和近些年封堵標準規(guī)范的發(fā)布，高溫氣冷堆示范工程各種不同類型封堵系統(tǒng)所使用的材料、封堵結構的試驗項目、試驗標準和驗收準則見表3。

表3 材料驗收準則

雖然2015年發(fā)布的NB-T20341《壓水堆核電廠核島廠房用孔洞封堵材料和嵌縫材料技術要求》晚于高溫氣冷堆示范工程出版的《管道孔洞和電纜開孔封堵技術要求》，但是該標準規(guī)范很好總結了之前核電封堵材料驗收標準不清，程序不明的問題，對核電封堵材料試驗驗收起到很好的指導作用。耐火極限的試驗標準采用GB23864[5]（國內某些核電廠采用HN-18-S-01）。

3.3 典型管道穿墻（樓板）的封堵結構

對于1.5h耐火極限的非生物屏蔽封堵，硅酮泡沫做主要封堵材料，防火密封膠做飾面材料即可。結構形式見圖2。

圖2 單根非保溫管道穿樓板的孔洞封堵

對于生物屏蔽封堵，要求對γ射線的屏蔽作用應與開孔所在墻體同等厚度混凝土相當。核島生物屏蔽封堵材料普遍采用高密度硅酮橡膠（密度大于2.3g/cm3），封堵厚度與墻或樓板等同，單根非保溫管道的生物屏蔽封堵見圖3。

圖3 單根非保溫管道穿樓板的生物屏蔽封堵

3.4 典型多根管道密集穿孔洞的封堵結構

對有機械管道、通風管道和電纜的混合洞的封堵，應用鋼板分隔并分別封堵。對多根機械管道密集布置的情況，封堵形式見圖4。這一類的孔洞封堵需要縮孔并設置套筒。

圖4 多根管道密集穿樓板孔洞的封堵

3.5 厚墻體的孔洞封堵

反應堆廠房、乏燃料中間貯存房間存在超厚（2.4m）墻體/樓板的孔洞封堵。因為需要生物屏蔽，材料需要選用高密度的硅酮橡膠。在其他核電并無這類超厚墻體的生物屏蔽封堵，通過輻射專業(yè)評估后，確定封堵厚度只要做到1m就能滿足生物屏蔽要求。厚墻體的孔洞封堵的結構形式見圖5。

圖5 單根管道穿樓板（超過1m）的生物屏蔽封堵

4 小間隙封堵試驗

高溫氣冷堆示范工程出現(xiàn)的小間隙孔洞，發(fā)現(xiàn)管道尺寸都不大，小間隙普遍在10mm～25mm之間，部份具有小間隙問題的穿孔洞管道帶保溫層。為確保該類孔洞封堵結構能達到規(guī)定的耐火極限，和材料廠家溝通后確定了封堵試驗結構如圖6，圖7。并委托國家防火建筑材料質量監(jiān)督檢驗中心做了耐火試驗。管道外徑采用示范工程中穿小間隙孔洞的最大管徑，管道材料為碳鋼，兩端的保溫層長度為500mm。

圖6 硅酮泡沫1.5h耐火實驗結構圖

圖7 高密度硅酮橡膠3h耐火實驗結構圖

試驗結果顯示上述封堵結構滿足規(guī)定的耐火極限要求。

5 結語

基于高溫氣冷堆示范工程機械管道開孔封堵實踐活動，本文總結了高溫氣冷堆核電廠機械管道孔洞封堵的技術要求、封堵原則、封堵材料選擇、材料驗收準則、封堵做法及高溫氣冷堆的特殊封堵。

為有利于后續(xù)同類型工程的開展，建議項目前期應統(tǒng)籌安排機械管道封堵工作，宣貫預埋套管尺寸技術要求。依據(jù)孔洞封堵的功能要求、防火區(qū)邊界，輻射屏蔽邊界等方面的考慮，選用適用的標準封堵方案。這樣既有利于統(tǒng)一要求施工，又有利于節(jié)約成本。