非能动实体防火保护结构的国产化研制

韩雨　袁炜　刘蔚　关晓波　门书卉　姜振良

【摘 要】自岭澳二期核电站起，非能动实体防火保护结构的供货一直由国外厂商独家垄断，采购费用昂贵，为降低建造成本，打破技术壁垒，急需对该防火结构进行国产化。通过对该防火结构技术要求的分析，并考虑核电站特殊的使用环境，对组成该防火结构的材料进行了选型，制作了样件，并对样件进行了耐火极限的测试。最终，研制出满足M310二代加核电站设计要求的非能动实体防火保护结构，实现了国产化，填补了国内空白。

【关键词】核电站；非能动实体防火保护结构；国产化

0 前言

核电站非能动实体防火保护结构是一种由热绝缘材料构成的、具有耐火性能的实体隔离结构，确保位于防火区内被保护设备在规定时间内其功能的有效性。该防火结构长期依赖进口，国外厂商对关键参数保密，国产化难度非常大。

自岭澳二期核电站起，该装置的供货均由国外某厂商独家垄断，采购费用昂贵。同时，国外供应商在我国没有设立技术服务中心，某项目出现安装问题后，其技术工程师从国外派遣，中方需承担交通、食宿、现场服务费，增补的货物海运至现场的时间至少为一个月，严重滞后了工程进度，增加了建造成本。

随着国内需求量的增长，无论从造价还是安装技术指导，都需要打破国外供应商垄断，研制国产的具有自主知识产权的非能动实体防火保护类产品。

1 非能动实体防火保护结构的型式和组成

1.1 非能动实体防火保护结构的形式

根据所保护设备的不同，非能动实体防火保护结构分为三种结构形式，防火屏障（图1所示）、防火包覆（图2所示）和防火箱体（图3所示）。

1.2 非能动实体防火保护结构的组成

非能动实体防火保护结构包括以下组成部分：

（1）防火纤维棉毯：非能动实体防火保护中执行防火功能的主材，采用矿物岩制成的纤维棉毯，其耐辐照性好，使用寿命长。

（2）胶粘剂：主要用于防火纤维棉毯、玻璃纤维橡胶布、混凝土、金属基底之间的粘结。

（3）玻璃纤维橡胶布：一种以玻璃纤维布为基底，表面涂覆橡胶层的防水布。防止陶瓷纤维毯散落，保护其不受外部环境影响，发生失水事故时不破裂，不堵塞安全壳喷淋系统的地坑过滤器。

（4）密封胶：用于玻璃纤维橡胶布接缝处的密封，形成完整的防渗漏整体。

（5）通风膨胀模块：该模块既要保证低压动力电缆正常运行时（最高正常运行温度90℃）的通风，又要保证发生火灾时能迅速闭合。

（6）耐火板：用于制作防火箱体的防火门，以保证可以对被保护设备进行检修。

（7）支撑体系：保证非能动实体防火保护结构在正常条件下的稳定性以及地震载荷作用下的完整性。其他防火材料通过铆接以及粘接的方式固定在支撑体系上。

2 材料的选型和研发

2.1 防火纤维棉毯的选择

防火纤维棉毯是非能动实体防火保护结构的核心材料，它直接决定了整个防火保护装置是否能满足1.5h耐火等级的要求。

防火纤维棉毯密封在防火装置内部，不与环境直接接触，不需要具有抗DBA（设计基准事故）、放射性核素去污的能力。不同材质的防火纤维棉毯的物理性能对比见表1：

根据耐火试验标准温升曲线的方程，1.5h耐火极限的最高温度为1027℃，从上表可见只有陶瓷纤维棉的使用温度满足该条件。采用陶瓷纤维棉毯作为优选方案。

2.2 耐火板的确定

对于防火箱体这种保护形式是将所保护的设备进行实体隔离，以避免受到火灾事故的影响，但是这种保护方式也不可避免的将相关设备置于封闭的空间，导致其无法在核电厂正常运行条件下进行检查或维护，如图3所示，这种情况下必须把防火箱体的其中一面设计成为可以反复打开和关闭而不破坏其结构的保护形式，满足受保护的设备进行检修维护的需要，因此将防火箱体的其中一面设计成为可以使人员正常进出的防火门，其通过机械锚固在支撑体系上，由具有耐火极限要求的耐火板组成。

耐火板作为防火箱体结构的一个外露表面，与环境直接接触，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。同时，作为该防火结构的一个支撑面，要求其具有一定的刚性，可以经受一定程度的碰撞。另外，作为防火箱体结构的一个防火面，要求耐火板具有一定较高的使用温度和较低的导热系数。

根据上述的要求，选定了在核电站内常用的硅酸钙耐火板。

2.3 胶粘剂的选择

由于非能动防火保护结构的主体材料是由两层防火纤维毯组成，因此两层主体材料之间就必须有相应的材料进行黏结，以防止主体材料之间脱落或出现空隙。同时，为了保证整个玻璃纤维橡胶布与纤维棉毯形成一整体，防止硅布与陶瓷棉之间发生纵向窜动，在支撑体系的不锈钢护板和内层纤维毯之间也要涂刷胶粘剂进行粘结。

胶粘剂在装置内部使用，不与环境直接接触，不需要具有抗DBA、放射性核素去污的能力。各类胶粘剂的性能对比见表2：

环氧树脂类和酚醛树脂类最高使用温度不能满足1100℃的设计要求。磷酸盐类和硅酸盐类耐辐照性好，最高使用温度满足设计要求，但磷酸盐类pH值呈酸性，不能用于混凝土或金属基底上。选择偏碱性的无机硅酸盐胶粘剂作为优选方案。

2.4 玻璃纤维橡胶布的选则

玻璃纤维橡胶布位于整个防火保护结构的最外层，应具有良好的韧性、耐辐照性能和可去污性，能承受DBA试验。对JC/T171《涂覆玻璃纤维布》标准中涉及的橡胶涂覆层进行了以下对比，如表3所示：

抗DBA试验最高温度会达到156℃。天然橡胶、丁腈橡胶的使用温度较低，在DBA试验时易脱落、粉化；乙丙橡胶的耐辐照性能差，长时间处于辐照环境下，易脆化；硅橡胶具有良好的耐酸、耐水和耐辐照性，寿命较长，使用温度较高。选用硅橡胶涂覆玻璃纤维布（简称硅布）作为优选方案。

2.5 密封胶的选择

密封胶在防火保护结构中主要用于外层硅布间的搭接、硅布与混凝土、金属支撑、电缆管道贯穿件等缝隙处的密封，从而形成一个连续的光滑可去污表面，形成完整的防渗漏整体，将主体防火材料陶瓷纤维毯完全包覆在硅布内部。

目前，国内所使用的密封胶种类繁多，在选型时主要考虑目前在国内外应用比较广泛的聚丙烯酸酯类密封胶、聚氨酯类密封胶和硅酮类密封胶，其优点和缺点分析见表4：

硅酮密封胶工作温度为-50～200℃，能承受DBA试验时的最高温度，且耐辐射性好，使用寿命可达20年以上。最终采用核电站反应堆厂房已使用的硅酮密封胶作为优选方案。

2.6 通风膨胀模块密封条的选择

膨胀模块采用刚性防火板为基底框架，复合遇热膨胀密封条。膨胀密封条的起始膨胀温度应在大于90℃（电缆最高正常运行温度）的基础上越低越好（遇热及时膨胀），此外还要求耐辐照性能好。通过对具有遇热膨胀特性的材料进行如下对比（图5）。

膨胀硅酮橡胶属于耐辐照性好、使用寿命长的橡胶类产品，经常用于航空航天系统，其低温膨胀性能优越，满足防火包覆通风散热部件的功能要求。选择膨胀硅酮橡胶作为优选方案。

2.7 支撑结构的设计

选用60*60*6的方钢作为支撑体系的主要组成部分（柱和梁），材质为Q235B，做热浸镀锌防腐处理，镀锌厚度不低于70微米。

由于安装非能动实体防火保护结构时现场各设备已经到位，因此，支撑结构的设计必须以现场测量的数据为基础，配合ANSYS软件，对非能动实体防火保护结构进行三维有限元模型抗震性能分析，地震荷载采用相关项目核岛厂房楼层反应谱，如不满足抗震要求则进行进一步的加固措施，直到满足抗震要求为止。

3 耐火极限测试

非能动实体防火保护结构的耐火极限测试按照GB/T9978.1中的标准温升曲线及试验条件进行，所使用的测试试件的尺寸为2000mm×2000mm×1200mm，并设置有管道、电缆和电缆桥架等贯穿物，贯穿物采用陶瓷纤维毯包裹，试件结构如图4所示。

测试时，将测试用构件整体放入试验炉中，用炉盖板封闭炉膛口。用于测量箱体内部温度的热电偶，主要布置在箱体的中心、箱体上部四个顶角、防火门的缝隙处以及贯穿物项上，共布置热电偶21个。

耐火极限的测试时间为1.5h，试验结束后，应对试件的完整性进行评价并记录内部热电偶的温度。

4 试验结果

非能动实体防火保护结构的耐火极限测试及核电站特殊使用环境测试的结果见表6，经测试，非能动实体防火保护结构的国产化产品满足相关技术规格的要求，完成了核电站非能动实体防火保护结构的自主研制任务，实现了国产化。

5 重要意义

核电站非能动实体防火保护结构的国产化产品，报价至少比国外同类产品低40%，且具有全部自主知识产权，可用于中核、中广核集团在建的M310机组，具有较大的商业价值。

核电站非能动实体防火保护结构的成功研制，增加了相关人员的设计经验，实现了该产品的国产化，打破了该产品长期依赖进口的历史，对于我国核电站被动防火装置的研发工作具有重要意义。

[责任编辑：王楠]