防火屏障有效性分析方法研究

李肇华，宋 磊，李 琳，颜 珍

防火屏障有效性分析方法研究

李肇华，宋 磊，李 琳，颜 珍

（上海核工程研究设计院，上海200233）

该论文的目的是对当前的各类核电厂防火屏障有效性分析方法进行对比研究，为工程实践提供参考。文中对用于评估核电厂防火屏障耐火能力的等效火灾持续时间评估法（包括等效面积法、等效温度法）以及计算机模拟法分别进行了阐述，并利用这些方法对核电厂中两种比较典型的防火隔间（液压机组间和电气设备间）的防火屏障耐火能力进行了评估，通过比较各种方法的分析结果，对这些方法的优缺点及其在工程应用中的适用范围进行了评估，指出了在评估防火屏障有效性时应结合具体的情况，选取合适的方法开展评估，在实际工程应用中建议优先采用等效面积法对耐火极限进行估算，与此同时，还应尽可能地应用计算机模拟法，进行更现实的估算或进一步了解特定隔间的火灾特性，后续还应从法规、标准、规范以及方法等方面进一步完善数值评估法，推动数值评估法在国内核电厂防火设计中的使用。

防火屏障；等效火灾持续时间；等效面积，等效温度；计算机模拟

核电厂被防火屏障划分成不同的防火区，根据核动力厂设计安全规定（HAF 102）［1］，必须对核电厂进行火灾危害性分析，以确定所需的防火屏障耐火能力。目前普遍采用评估等效火灾持续时间（Equivalent Fire Duration）的方法，该方法又可分为基于等效面积与基于等效温度的两种计算方法，此外，采用基于计算机模拟进行评估的方式也在逐渐兴起。本文对这些方法进行了研究并结合具体实例对这些方法在工程中的应用进行了探讨。

1 分析方法简述

1.1 关于耐火极限与标准温度—时间曲线的说明

耐火极限与标准温度—时间曲线是等效火灾持续时间评估法的基础。耐火极限是指“建筑结构构件、部件或构筑物在规定的时间范围内在标准耐火试验条件下承受所要求荷载、保持完整性和（或）热绝缘和（或）所规定的其他预计功能的能力［2］”。在设计时，通常使用标准耐火试验来验证相应构件的耐火极限是否达到设计要求。标准耐火试验是按照一定的试验要求，将建筑构件、部件或构筑物放入试验炉中加热，炉内的温度随时间按照标准温度—时间曲线变化，如图1所示。如果测试件在一段时间内能持续满足设计要求，则认为测试件具备相应时间的耐火极限。我国标准耐火试验是按照GB／T 9978—2008［3］进行的，该标准是在ISO 834—1999（E）［4］（下文简称ISO 834）的基础上制定发布的。在法国，标准耐火试验也是基于ISO 834进行的。而在美国，标准耐火试验则是按照ASTM E119-12a［5］（下文简称ASTM 119）进行。

ISO 834和ASTM 119所依据的标准温

图1 常用的标准温度—时间曲线Fig．1 Normally used standard temperature-time curve

度—时间曲线有一定差异，从图1可以看出，ISO 834温度—时间曲线和ASTM 119温度—时间曲线在试验开始30 min之后有一定的差别。ISO试验的温度比ASTM高。这种差别是由于温度测量方式的不同而产生的。在ASTM试验中，测量试验炉温度的热电偶是包裹在保护管中的，而在ISO试验中，热电偶是裸露的，因此在同样的温度环境中，ISO测量的温度会比ASTM高一些。详细的验证试验和分析过程见参考文献［6］。

1.2 基于等效面积的计算方法

1922年美国标准署的Ingberg［7］等人在一系列火灾事件调研和火灾试验的基础上，首先提出了等效面积计算方法的概念：如果隔间内实际火灾温度—时间曲线下的面积和标准温度—时间曲线下的某个时间的面积相等，则此时间即为等效火灾持续时间。如图2所示，如果A 2的面积等于A 1的面积，则实际火灾的等效持续时间是te。她同时指出火灾的持续时间主要由隔间内单位面积内可燃物质量决定。Ingberg给出了等效火灾持续时间和单位面积内可燃物质量的关系式，如式（1）所示。

图2 等效面积法示意图Fig．2 Equal area method sketch map

式中：te——等效火灾持续时间，min；

L——单位面积内可燃物质量，kg／m2；

k——线性系数，min·m2／kg。

式（1）只适用于普通可燃物（即木材），未考虑火灾严重等级（Fire Severity）对等效火灾持续时间的影响。NFPA（National Fire Protection Association）出版的防火手册（Fire Protection Handbook）第16版［8］中指出不同种类的可燃物引起火灾的严重等级不同，其温度—时间曲线存在差别。为了区分不同可燃物对等效火灾持续时间的影响，将可燃物按照燃烧时的时间-温度曲线分成以下五类：

·A类可燃物，可引起轻度火灾，在核电厂火灾危害性分析中一般较少考虑

·B类可燃物，可引起中等火灾，在核电厂火灾危害性分析中，少量废纸、木制品导致的火灾为该类代表

·C类可燃物，可引起中等偏严重的火灾，在核电厂火灾危害性分析中，电缆火灾为该类代表

·D类可燃物，可引起严重的火灾，在核电厂火灾危害性分析中，大量塑料、橡胶导致的火灾为该类代表

·E类可燃物，可引起最严重的火灾（等同于标准火灾），在核电厂火灾危害性分析中，典型的如可燃液体导致的火灾

在实际应用中基于可燃物类型、数量、布置情况结合工程经验综合确定火灾严重性。

上述五类可燃物引起的火灾的温度—时间曲线如图3所示［8］，从图中可以看出，A类可燃物燃烧的温度上升最慢，E类上升的最快。所以，要燃烧释放出相同的热量，则A类可燃物需要的燃烧时间最长，E类最短。而燃烧相同的时间，A类可燃物的等效面积最小，E类最大。

图3 不同类别可燃物的温度—时间曲线及燃烧时间Fig．3 Temperature-time curves and combustion duration of different combustible material

同时，图3给出了各类可燃物的燃烧时间与单位面积内可燃物质量的线性关系，可用式（2）表示。需要指出的是单位面积内可燃物质量是针对普通可燃物的（即木材，8 000 btu／lb），其他可燃物则需要根据释放的热量进行换算。

式（2）中：Td——可燃物燃烧时间，min；

L——单位面积内可燃物质量，psf（lb／ft2）；

k——线性系数，与可燃物分类有关，min／psf，取值如表1所示。

表1 燃烧时间与单位面积内可燃物质量的线性系数Table1 linear coefficient of combustion duration and combustible material per square area

可燃物燃烧时间Td不是等效火灾持续时间，还需要通过等效面积计算得到等效火灾持续时间。

在实际计算中，因为大多数可燃物都不是普通可燃物，为了降低计算量，统一使用单位面积内的可燃物完全燃烧释放的热量（即火灾荷载密度，简写为L′）作为计算输入。因为1 lb的木材完全燃烧释放的热量是8 000 btu，因此火灾荷载密度（MJ／m2）与单位面积内可燃物质量（lb／ft2）之间换算关系如式（3）所示。

此时，表1可换算成表2。

表2 燃烧时间与火灾荷载密度的线性系数Table 2 linear coefficient of combustionduration and fire loading

式（3）则转换成式（4）。

式中：Td——可燃物燃烧时间，min；

L′——火灾荷载密度，MJ／m2；

k′——线性系数，min·m2／MJ。

如图3所示，可燃物的温度—时间变化曲线是不规则的，不方便直接用于工程计算。在工程应用中，为了便于使用，可将各类可燃物在不同时间的等效面积计算出来，并计算出各类可燃物相应的燃烧时间，列成表格，直接查表就可以方便地得到等效火灾持续时间。

法国法玛通公司在M310核电厂的《核动力厂设计和建造规范》中也采用类似的等效面积法［9］，并归纳给出了等效时间和火灾荷载密度的关系曲线，如图4所示。与美国NFPA所使用的方法不同，法国所使用的方法不区分可燃物的类型，通过查图表可以直接得到等效火灾持续时间。

图4 等效时间和火灾荷载密度的关系Fig．4 Relation between equalduration and combustion loading

Ingberg的方法适用的情况很少，NFPA修订之后的方法可应用于多种情况。法国的方法和NFPA的方法基本一致，只是确定火灾荷载密度和等效持续时间的量化关系不一致。

等效火灾持续时间计算方法是最先提出来用于评价防火区边界有效性的方法，它只考虑单位面积内可燃物质量或者火灾荷载密度和火灾持续时间的关系，给出了简单可行的经验公式和操作流程，并经过火灾试验，具有一定保守性，因此该方法从提出之日开始得到了广泛的使用。但该类方法没有考虑可燃物具体的燃烧过程，不考虑通风情况、可燃物布局情况以及温度和热通量的变化情况。

1.3 基于等效温度的计算方法

该方法是20世纪70年代由Law［10］等人最先提出的，将假想火灾的温度时间曲线和标准温度时间曲线的温度相比较，如果防火屏障达到相同的温度，则把标准温度时间曲线对应的时间作为假想火灾的等效持续时间，如式（5）所示。该方法考虑火灾荷载密度、通风、可燃物分布方式、可燃物几何结构等多种因素对火灾持续时间的影响；之后，Pettersson等人［11］在Law的基础上提出了等效时间计算方法，如式（6）所示；欧洲和英国基于等效温度方法制订了国家标准［12］，其中使用的等效持续时间如式（7）～式（9）所示，其中式（8）适用于有通风口的房间且只有当w的计算结果大于0．5时才有效，式（9）适用于无通风口的房间。

式中：te——等效火灾持续时间，min；

Af——隔间地板面积，m2；

L——可燃物质量（与木材相比），kg；

Av——通风口面积，m2；

k1——1．3～1．5，根据可燃物之间的距离确定；

At——隔间内部表面总散热面积，m2；

h——垂直通风口的高度，m；

k2——表示隔间内表面的散热特性，与Pettersson“标准”隔间（k2＝1）的散热特性相比进行判断取值。

Av1——垂直通风口的面积，m2；

Ah——水平通风口的面积，m2；

Q——火灾荷载密度，MJ／m2；

kb——转换因子，和传热特性有关，一般取0．07，min·m2／MJ；

H——隔间高度，m；

av——Av／Af；

bv——1．25（1＋av－a2v）；

ah——Ah／Af；

w——通风效应因子；

O——Avh1／2／At；

kc——材料结构因子，钢筋混凝土和有防护的混凝土取1，无保护的钢板取13．7×O；

等效温度方法考虑通风、可燃物布局和具体的燃烧过程对防火屏障的影响，理论上，这是一种更为贴近实际的计算方法。

1.4 基于计算机模拟的计算方法

根据EJ／T 1217［13］，采用计算机模拟（即火灾数值模拟）是确定火灾效应的一种重要手段，但国内核电领域应用得还比较少。火灾计算机模拟是指基于能量守恒、动量守恒和质量守恒等原理将火灾现象简化为数学模型，结合实际火灾试验所得的半经验公式，利用计算机程序对各类火灾情景进行模拟，预测在该火灾情景下各个参数的变化。火灾数值模型大致可分为区域模拟和场模拟两类。

在国内核电领域尚未有关于火灾模拟的详细指导性文件。但是，美国核管会（NRC）联合美国电力研究院（EPRI）联合发布了关于核电厂火灾计算机模拟的一系列文献如NUREG-1824［14］，这些文献不同程度地给出了火灾建模的描述及部分实例；除此之外，NUREG-1934［15］给出了核电厂火灾建模的分析流程，NUREG／CR-7010［16］则针对电缆桥架的火灾现象进行深入探讨。

为了能有效应对NFPA 805［17］中关于火灾模型的规定，美国核管会（NRC）与美国电力研究院（EPRI）在2006年出版了NUREG-1824［14］——核电厂应用火灾模型的校核和验证。NUREG-1824遵循美国实验和材料协会（ASTM）提出的方法论，对包括FDTS、FIVERev1、CFAST［18］、MAGIC和FDS在内的5个核电厂常用的火灾建模软件进行了校核和验证，并且在结果中给出了各个火灾模型的预测准确性范围，其中FDTS和FIVE-Rev1属于工程计算软件，MAGIC和CFAST采用双区模型进行预测，FDS则采用场模型进行预测，这三类模型都可用于火灾建模。

在本文后续的案例分析中将采用CFAST进行计算。CFAST模型［18］全称为“Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport”，是由美国NIST（National Institute of Standards and Technology）开发的区域式计算多隔间火灾与烟气蔓延的程序。CFAST可用于预测用户设定火源条件下建筑内的火灾环境，用户需要输入建筑内多个房间的几何尺寸和连接各房间的门窗等开口情况、壁面结构的热物性参数、火源的热释放速率或质量燃烧速率以及燃烧产物的生成速率。该模型可以预测各个房间内上部烟气层和下部空气层的温度、烟气层界面位置以及代表性气体浓度随时间的变化情况，同时可以计算房间壁面的温度、通过壁面的传热以及通过开口的质量流率，CFAST还能处理存在机械通风和多个火源的情况。

2 案例分析

2.1 分析概述

在本节中针对核电厂中常见的两类隔间，利用上述方法分进行防火屏障有效性评估：

例1：某核动力厂BOP厂房的液压机组间，其长3 m，宽2．5 m，高5 m，门宽1．5 m，高2．1 m。天花板为钢筋混凝土，厚度为0．2 m，耐火极限是90 min，四周钢筋混凝土墙壁墙厚约为0．4 m，设计耐火极限是180 min。主要可燃物是700 L的润滑油，燃烧热值是4．21E＋7 J／L，E类可燃物。属于可燃物相对集中（空间较小）的防火隔间，其示意图如图5所示。

图5 液压机组间示意图Fig．5 Hydraulic machine compartment sketch map

例2：某核动力厂核岛电气设备间，其长20 m，宽15 m，高5．4 m，两扇小门宽0．9 m，高2．1 m，一扇大门宽1．8 m，高2．1 m。钢筋混凝土墙厚度约为0．6 m，整体设计耐火极限都为180 min，天花板无通风口。主要可燃物是电缆的绝缘层，约10 000 kg，燃烧热值是2．37E＋7J／kg，C类可燃物。属于核电厂中比较典型的防火隔间，其示意图如图6所示。

图6 电气设备间示意图Fig．6 Electric equipment room sketch map

2.2 分析考虑

分析中的考虑如下所示：

·电气设备间设置了三扇门，在分析开门工况时，仅考虑图6所示的情况（仅一扇门开启）。

·关于门缝通风，若考虑门缝通风，假设门缝的间隙为3 cm。

·液压机组间的收集漏油的贮油槽，面积约1 m2。

·对于电气设备间，按两列，每列3层电缆桥架进行模拟，假设6个电缆桥架同时起火燃烧。

·采用CFAST进行火灾计算机模拟（版本为6．0．10．61027），电缆桥架与油池火灾的热释放率按照SFPE消防工程手册［19］的第3～16页和3～25页的内容估算，模拟时长4 200 s。

·对于等效面积法和等效温度法，将隔间各防火屏障的最低耐火极限作为验收准则，通过所计算的火灾等效持续时间与其比较进行判断。

·以防火屏障的最低耐火极限90 min作为计算结果的验收准则。

对于计算机模拟法，取温度作为验收参数，对此，在目前的各类规范中除了暴露的结构钢在ASTM E119［5］中给出了具体的破坏温度（538℃）以外，对于其他类型的防火屏障并未给出具体的破坏温度，考虑到两个示例中的防火屏障至少都有90 min的耐火极限，结合图1，将破坏温度定为800℃，通过计算隔间的峰值热气层温度与破坏温度比较进行判断。

2.3 计算结果

各种方法的计算结果表3所示。

表3 等效火灾持续时间计算结果Table3 Equal fire duration calculation results

3 总结与建议

从评估结果看：

·当采用等效面积法评估时，液压机组间未能满足验收准则的要求。

·当采用等效温度法评估时，所有隔间都不能满足验收准则的要求，在关门的工况中的计算结果更是远远超出了限值，明显过于保守。

·当采用计算机模拟法评估时，所有隔间都能满足验收准则。

将上述评价结果与实际的工程经验相结合，一般认为这两个隔间的防火屏障的性能已足以满足要求（尽管采用等效面积法评估时，液压机组间未能满足验收准则，但从工程经验判断，CFAST的分析结果更接近于实际情况，而且，一般而言防火屏障在设计时会留有相当的设计裕度，例如，参考GB 50016［20］，对于厚度为0．2 m的钢筋混凝土墙，其实际耐火极限大于210 min）；尽管采用等效温度法评估的结果过于保守，但其在评估液压机组间开门工况时，评估结果比等效面积法更接近于现实情况，仍然有可取之处。

从分析方法看：

·等效面积法，简单易行，适用范围广，一般而言，分析结果相对保守，但防火隔间的一些特性不能得到很好地体现，分析结果在现实性方面有所欠缺。

·等效温度法，考虑了防火隔间的通风情况，尽管在应用时没有指定适用范围，但从分析结果可以看出，其分析更适用于一般的民用建筑，在分析大流量自然通风的防火隔间工况时，分析结果接近于现实情况；但不适用于相对密闭的环境，分析结果会出现严重的偏差。

·计算机模拟法，能够对防火隔间的特性进行比较充分的考虑，分析结果更接近于现实情况，但是建模比较繁杂，所需的输入参数较多，在工程应用中需要耗费相比前面两种方法大得多的工作量。

综合上述的分析，建议如下：

·在评估防火屏障有效性时，分析方法的不同，可能会带来不同的分析结果，且分析结果的离散程度较高，存在较大的不确定性，在工程应用中，应结合具体的情况，选取合适的方法开展评估，以获得更为现实的结果。

·核电厂的防火隔间一般都具有完整的防火屏障，当火灾来临时，隔间在短时间内将进入密闭隔离的状态，再考虑到应用的便利性，在评估核电厂防火屏障有效性时，优先采用等效面积法对耐火极限进行估算（这也是国内业界目前的通用做法），与此同时，还应尽可能地应用计算机模拟法，进行更现实的估算或进一步了解特定隔间的火灾特性，为后续的防火设计优化或火灾风险评估奠定更加坚实的基础。

·从法规、标准、规范以及方法等方面进一步完善数值评估法，推动计算机模拟评估法在国内核电防火设计中的使用，使得核电的防火设计能够更加现实，这将在确保核电防火安全性的同时，有利于核电厂建造、运营等成本的控制。

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［3］ 中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB／T 9978—2008建筑构件耐火试验方法［S］，北京：2009．

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Study on the Analysis Method for Validity of Fire Barrier

Li Zhao-hua，Song Lei，Li Lin，Yan Zhen

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai，200233，China）

The analysis aims to research and compare different analysis methods for validity of fire barrier in nuclear power plants to provide reference for engineering application．The analysis method for validity of fire barrier in nuclear power plants is discussed including equivalent fire duration method（i．e．equal area method and equal temperature method）and computer simulation method．The fire barriers of two fire compartments（hydraulic machine compartment and electric equipment room）are analyzed by these methods．The advantages，disadvantages and scope of engineering application of these methods have been assessed according to the compare of the different evaluation results．The paper points out that the analysis method of validity of fire barrier in nuclear power plant should be selected according to practical conditions．It suggests that the preferred method is equal area method in the actual engineering designand at the same time，the computer simulation method should also be applied as far as possible to achieve more practical results or more detail fire protection features of the compartment．In the future，the computer simulation method should be improved in the aspects of code，standard，guideline and methodology to push forward the application of the method in fire protection design for nuclear power plant．

Fire barrier；Equivalent fire duration；Equal area；Equal temperature；Computer simulation

TL48

A

0258-0918（2016）01-0088-09

2015-11-27

李肇华（1979—），男，广东罗定人，高级工程师，硕士，现从事核工程方向研究