浮动核电厂的海浪灾害设计基准探讨

2020-01-06冯丙辰

核安全 2019年6期

王照，冯丙辰

（苏州热工研究院有限公司，深圳 518000）

随着我国海洋经济的逐步发展及国家海权维护的需要，我国对海上能源供给的需求日渐强烈。浮动核电厂的浮动平台具有灵活性、机动性以及核能的清洁高效性，可广泛用于岛礁开发和海洋资源开采，是为海洋开发提供能源保障的一种优良的解决方案。目前，国内已有多家研究机构和企业开始设计多种型号的浮动核电厂[1，2]。

近年来，严重威胁核电厂安全稳定运行的外部灾害时有发生，引发了核电业界的强烈关注。世界核电运营者和组织在福岛核事故后也为了适应国际核安全形势，在同行评估活动中增加了一项设计信息审查科目，重点审查核电厂外部灾害设计的应对能力。浮动核电厂的设计研发通常以陆上核电厂为基础，对其进行小型化、船载化和海洋环境适应性改进，应用的外部灾害设计方法通常也参考了陆上核电厂的方法。但是，浮动核电厂面临的外部环境与陆上核电厂有很大的不同。浮动核电厂虽然可以有效规避地震等外部灾害，但是也存在一些影响安全稳定运行的特有外部灾害。海水是浮动核电厂的载体，海浪是浮动核电厂最为重要的海洋环境条件，海浪灾害也是对浮动核电厂影响最为重要的外部灾害之一。

国内已就浮动核电厂海浪灾害安全设计开展了一些研究。文献[3]对比了陆上核电厂和海洋船舶工程的外部灾害安全目标、概率重现期的区别；文献[4]调研了国外海上浮动核电站政策和标准规范；文献[5]分析了海上核电平台标准的现状及标准的建设；文献[6]调研了大型核动力船舶外部环境参数设计标准。以上研究未就浮动核电厂海浪灾害的具体设计基准及设计方法展开系统、深入的探讨。国家核安全局印发了《浮动核动力装置设计中所选择的外部灾害（试行）》，给出了对浮动核电厂16类外部灾害的监管要求，对海浪灾害提出了具体的最低设计基准[7]，但是没有给出在工程项目中贯彻实施设计基准的技术指导。

浮动核电厂的设计研发是海洋船舶工程和核动力工程的结合，两大学科相互耦合，因安全设计目标、方法、标准和特点的不同在衔接中尚存在较多问题。目前，国内对浮动核电厂海浪灾害的设计方法缺乏深入研究，现有的相关法规和标准的适用性也存在局限性。本文从分析海浪灾害的特点出发，从多个角度分析海浪灾害对浮动平台和核蒸汽供应系统的影响，探讨海洋船舶工程和核动力工程在浮动核电厂海浪灾害安全设计中的衔接方法，并分析设计监管中潜在的问题，为监管政策的制订和完善提供参考。

1 海浪灾害的类型和特点

海浪是发生在海洋中的一种海水波动现象，其周期为0.5 s 到几十秒，波长为几十厘米到几百米，波高为几厘米到二十多米，极端情况下可能达到30 m。海浪主要分为风浪、涌浪和近岸浪3种。风浪是海平面在风的直接作用下产生的不规则海浪，通常是用统计规律和特征参数对这种不规则波进行近似描述；涌浪是从其他区域传来的海水波动，或由于当地风浪下降、风向改变或风平息之后形成的海浪，涌浪的形态和排列比较规则，波及的区域也比较大，近似于规则波；近岸浪是指由于外海的风浪或涌浪传到海岸或浅滩附近，受地形作用而改变波动性质的海浪。

本文的“海浪灾害”不是指浮动核电厂长期所处的海洋环境，而是指瞬时或短时间内可能对浮动核电厂的安全稳定运行造成干扰或破坏的海浪。通常，波高较大的灾害性海浪都属于风浪。中国近海位于欧亚大陆，面向太平洋，受世界上最大的海洋和最大陆地的影响，冷暖空气交换活跃，具备大风浪的形成条件。中国近海灾害性海浪通常可按照产生途径分为3类：热带气旋浪（包含热带低压、热带风暴、台风引发的海浪）、温带气旋浪和寒潮浪。表1给出了3类风浪在中国近海及邻近海域引发的浪高在6 m以上海浪的统计数据[8]，由表可知，在南海地区，6 m以上的灾害性海浪平均每年都会出现14 次以上；在东海地区，6 m 以上的海浪平均每年会出现15 次以上。

2 海浪灾害的数学模型

海浪可以被视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的波组成，这些波构成了海浪谱。通常用经验公式化描述海浪能量相对于频率和方向的分布，典型海浪谱有ITTC双参数谱、JONSWAP谱、P-M谱等。

表1 1966—1990年中国近海及邻近海域浪高6 m以上海浪次数统计Table 1 Statistics on the number of waves with wave height over 6m in China's offshore waters and adjacent waters from 1966 to 1990

若某一随机过程是由大量的相互独立的随机因素形成的，其中，每个因素在总影响中所起的作用都是微小的，这种随机过程通常近似服从正态分布。风浪基本满足上述条件，因此，波幅、波浪引起船体运动的瞬时值都服从正态分布。瞬时值服从正态分布的平稳随机过程，其幅值服从瑞利分布。因此，风浪的波幅、船体的摇荡幅值、应力幅值等都近似服从瑞利分布。

通常用波高来度量海浪灾害破坏力和灾害强度。风浪不是规则波，波幅呈统计分布形态。在衡量海浪的强度时，通常会使用一些特征波幅，如平均波幅、三一波幅（又称有义波幅）、十一波幅等。使用最多的是有义波幅。有义波幅接近于目测的波幅，是在海浪灾害的所有波中，有1/3波的波高是平均波高的1.6倍。

如图1所示，图中给出了两个呈瑞利分布的海浪灾害的波高概率分布曲线，分别标记为海浪灾害A 和海浪灾害B，h31 和H31 分别是两个海浪灾害的有义波高值，曲线代表海浪灾害的波高的概率密度分布。

图1 海浪灾害的波高概率分布Fig.1 Distribution of hazard wave

由图1可见，海浪灾害A的有义波高的波幅低于海浪灾害B的有义波高，因此，海浪灾害A的灾害强度低于海浪灾害B。

海浪灾害的特点导致了浮动核电厂设计中出现一些潜在的没有被法规和标准明确规定的重大问题，比如，国家核安全局印发的《浮动核动力装置设计中所选择的外部事件（试行）》要求浮动核电厂关于风浪流组合灾害的设计基准为500年一遇[7]，但是在100 年一遇甚至50 年一遇的这些灾害强度更低的海浪灾害中，也可能出现比500年一遇的海浪灾害中出现的最大波高更大的波，这是一个概率问题。因此，建议监管机构通过概率论的方式充分细化对风浪流组合的设计基准要求，更明确地给出浮动核电厂的海浪灾害设计抵抗能力限值。

3 浮动平台对海浪灾害的响应

浮动平台是浮动核电厂的基础和载体，海浪灾害通过浮动平台对核蒸汽供应系统产生影响。海浪灾害主要挑战浮动平台的结构强度和稳定性，目前，船舶工业可以比较容易地确保平台的结构强度安全，因而稳性是海浪灾害对核安全挑战较大的方面。浮动平台在海浪灾害的作用下会发生6 种不同的运动形式，包括横摇、纵摇、艏摇3种转动运动形式以及纵荡、横荡、垂荡3种直线往复运动形式。

目前，国内设计的浮动核电厂都为自航式，浮动平台也是单体船样式的。浮动平台在海浪灾害作用下的6种运动形式的运动强度会受到诸多因素的影响，在浮动平台的几何形状和质量分布确定后，最主要的影响因素包括浮动平台的航速、浪向和船向夹角、海浪波高和频率。表2～表4 以美国企业号航空母舰为例，给出了其耐波性数值计算结果[9]。需要注意的是，表中的每一个数据都是有义值，其代表了一个运动幅值的分布，而不是一个固定值或者最大值。

参考表2～表4，通常来说，波高越大，浮动平台在海浪的作用下的运动幅度也会越大；在浪向接近90°时，平台横摇幅度较大；在船向与浪向接近180°时，平台纵摇幅度较大。

表2 企业号垂荡运动响应Table 2 "Enterprise"sagging motion response

表3 企业号纵摇运动响应Table 3 "Enterprise"shaking motion response

表4 企业号横摇运动响应Table 4 "Enterprise"swing motion response

根据表4，在有义波高为8.9 m的情况下，航母的航速为0，对海浪入射角为90°时的义值横摇角度4.73°进行概率分布计算，可以得到图2，由图2可以看出，企业号航空母舰在该海浪入射情况下，横摇角度超过了5.08°的概率为10%，横摇角度超过7.18°的概率为1%。可以继续推算横摇角度超过8.79°的概率为0.1%，横摇角度超过10.15°的概率为0.01%。越大的横摇角对应更低的超越概率。

图2 企业号航母在8.9m有义波高的海浪灾害下的横摇角度概率分布（航速0，浪向角90°）Fig.2 Distribution of"Enterprise"swing angle at 8.9m wave height（speed 0，wave angle 90°）

浮动平台的形状特征使平台在不同的浪向角下对相同海浪波的运动响应不同，因此，浮动平台在不可避免地遭遇到较强的海浪灾害时，可通过采取科学调整航速和船向的手段，维持对浮动平台有利的状态。但是设计基准海浪灾害造成的浮动平台的响应是核蒸汽供应系统设计的基础参数，为了安全，应使用最不利的平台响应参数做包络。目前，船舶工程已经发展出众多船舶减摇技术，可以应用于浮动核电厂平台中。

目前，尚无核安全相关标准和规定对在海浪灾害作用下的浮动核电厂平台的横摇、纵摇、垂荡等运动的幅度许可值做出具体的、基准性的要求。

4 核蒸汽供应系统对海浪灾害的响应

核蒸汽供应系统在灾害性海浪的影响下可能有多种效应。

在倾斜、垂荡、摇摆、冲击等载荷的作用下，核蒸汽供应系统的设备、管道、支承结构的应力受到影响，可能导致的失效模式有：（1）设备及部件的本体锚固变形、断裂、疲劳失效；（2）设备转轴挠度过大而卡死；（3）润滑油液面变化导致润滑不足；（4）由于受力变化，导致运动部件不能动作。这些失效模式严重影响了核蒸汽供应系统的电气、仪控、机械设备的可靠性。

在倾斜、摇摆、垂荡、冲击等载荷的作用下，核蒸汽供应系统的工质流动、热量传递性能将改变，有一些效应对安全是有利的，有一些对安全是不利的，正常运行和事故响应均可能因此受到影响。通常在工质强迫循环的情况下，影响较轻，而在自然循环条件下可能由于高差变化和摇摆、垂荡产生的应力而受到影响。

5 海浪灾害的设计和监管

5.1 海浪灾害设计基准

核电厂的外部灾害的设计基准是核电厂设计可抵抗的强度最高的外部灾害的限值，是核电厂最重要的总体设计参数之一。超出设计基准限值的外部灾害可能对核电厂造成破坏性的影响，威胁工作人员和公众的人身安全。外部灾害设计基准常以概率方法推算而得，以确保超设计基准情况极不可能发生。

浮动核电厂的海浪灾害设计基准与船舶设计和核蒸汽供应系统的设计有如图3所示的关系。

图3 海浪灾害设计基准与船舶平台设计和核蒸汽供应系统设计的关系Fig.3 Relations among design basis of wave hazard and ship platform design&nuclear steam support system design

浮动平台设计和核蒸汽供应系统的设计通过海浪灾害的设计基准呈互相制约的关系。通常，根据海浪灾害的重现期标准和目标作业地点的海浪灾害重现期关系可以得到海浪灾害的强度设计基准；结合船舶的形状结构和质量分布，通过船舶的耐波性计算，可以得到平台在设计基准海浪灾害下的响应情况；平台在设计基准海浪灾害条件下的响应水平制约了核蒸汽供应系统的抗倾斜、摇摆能力。反之，核蒸汽供应系统的抗倾斜、摇摆能力将限制平台的运动响应，对浮动平台的耐波性优化提出要求。同时，核蒸汽供应系统的系统配置和布置将影响浮动平台的耐波能力，而浮动平台的结构形状系统配置等又影响核蒸汽供应系统的设计和布置。

在船舶工程和海洋工程设计中，海浪灾害的强度通常用有义值度量，但是，有义值是一个代表分布概率性质的量，无法通过有义值判断一次灾害性海况的波高的最大值，而核电工程设计的外部灾害强度通常使用灾害的峰值强度度量，如强风灾害的设计基准通常是考虑3 s最大阵风风速；地震灾害的设计基准是考虑最大峰值地面加速度。如何将有义值转变为最大值是浮动核电厂设计中船舶设计专业和核工程设计专业需要解决的重要问题。比较简便的方式是，以船舶设计中的有义值代表的某一具有较高超越概率的值作为核电工程的设计基准。例如，虽然图1中波高分布曲线向高波高的方向无限延伸，这通常只是理论上的波高分布，极高的波高发生的可信性很低，因此，可对某一较大重现期（如500年一遇）的海浪灾害的较高超越概率的波高（如0.01%）进行截断，作为核电工程的设计基准。

5.2 确定论安全分析

在倾斜、摇摆的环境中，浮动核电厂核蒸汽供应系统工质的流动和换热性能可能会发生一些改变，而这些改变可能是对安全不利的。

（1）流动和传热公式的适用性。在开展核蒸汽系统热工设计和安全分析计算时，首先应确认各类流动和传热关系式的设计基准以及海浪灾害造成的最不利的倾斜摇摆下的适用性，以确认流动和换热计算式中经验系数在设计中的适用性。

（2）计算程序。目前，国家核安全局已经开展了对计算程序的审查工作，在程序开发者提出申请后，对程序进行鉴定和认可。浮动核电厂设计工作中使用系统程序、子通道程序、严重事故分析程序在开展事故安全分析时，均应考虑最不利的海洋环境，以确保在事故工况下有足够的热工设计裕量。

（3）非能动系统。通常情况下，相较于能动系统，非能动系统的性能更容易受到海浪造成的摇摆的影响，因此，在对浮动核电厂在海浪灾害情况下的安全性进行评估时，需要考虑或证明非能动系统在海浪灾害条件下的功能可用性。

5.3 设备鉴定

浮动核电厂需要验证和确认与核安全相关的设备满足或超过在设计基准海浪灾害条件下的设计能力要求，因此，需要在设备鉴定中进行验证。浮动核电厂设备面临的机械环境较为复杂，可以表征机械环境恶劣程度的参数包括静倾角度，横摇、纵摇、艏摇最大倾角、角加速度、线速度、线加速度，纵荡、横荡、垂荡的加速度和速度等，给设备鉴定过程中极端环境条件下的设备工作条件的模拟增加了难度。

（1）鉴定参数。《海上浮式装置入级规范》《钢质海船入级规范》和国标GB/T 14092.4—2009、国军标GJB 10660.1—1991 对振动、倾斜摇摆、冲击等都做出了一些规定，主要对静倾倾角和横摇、纵摇幅值和角加速进行模拟和鉴定，还在标准中规定了试验摇摆的周期和时长。但是，这些标准和规范在制定时都没有考虑海上浮动核电厂的特殊性。

文献[10]指出，美、德、日、俄等国家目前已有的船舶核动力装置堆舱的位置都位于船舯或船舯附近，分析认为，反应堆堆舱布置的最优位置是船舶重心所在的中央区域，因为在相同的海洋条件下，船舯位置附近的机械环境更优。施建荣、施诗、张燕在文献[11]中指出，摇摆对具有旋转结构的装备来说，会对转轴和轴承产生附加力矩，对具有液体和不平衡运动系统的装备会产生离心力矩，因此，应将有转轴的设备尽量延艏艉线布置和安装。

陆上堆对设备的地震鉴定主要考虑水平和竖直向的加速度参数，在目前已有的一些标准中，针对极限海洋机械环境横摇进行鉴定时，只考虑横摇的角度幅值和横摇周期，没有考虑处于不同舱室不同位置的设备，其在相同横摇情况下，线加速度不同，而线加速度必定会对设备的锚固、功能和性能造成影响。由此可见，目前相关设备鉴定标准对鉴定参数的选择可能是不充分并且缺乏论证的，因此，鉴定参数的选择需要结合设备在浮动平台中的布置位置进行鉴定，这是应该考虑和论证的问题。

建议尽快组织制定核安全相关设备在海浪灾害条件下的功能鉴定标准，在鉴定参数的选择中，全面考虑各种海浪灾害导致的机械运动的影响，对核安全重要的设备制订更全面的鉴定标准，鉴定的标准不应低于设计基准。

（2）鉴定方法。在海浪灾害条件设计基准下，浮动核电厂的响应因海浪入射角和航速的不同而改变，鉴定应采用设计基准下的最不利响应状态。

设备鉴定方法主要分为两类：试验法和分析法。一些尺寸或质量较大的设备难以具备实验条件或实验成本较大，可以在分析功能失效模式的基础上综合使用两种方法开展鉴定。

各种类型的设备在鉴定时是否应保持在线，或后期再开展功能再鉴定，也是鉴定标准中应明确的问题。

5.4 运行策略

目前，我国已经具备很强的海洋预报能力，可以提前多日预报海域海况，因此，浮动核电厂具备很强的避离海浪灾害能力。浮动核电厂应在监管机构的监督下建立躲避海浪灾害的决策机制，明确在未来多长时间内将可能遇到多大的海浪灾害的前提下，进行避离，并确定在何处避浪以及避离的路线。同时，监管机构也应据此考虑是否可以放宽海浪灾害设计基准水平，以提高浮动核电厂经济性。

如果浮动核电厂不可抗地遭遇了海浪灾害，此时维持何种运行状态以及是否应提前停堆，应根据浮动核电厂的系统配置和安全分析结论得出最佳的策略，并获得监管机构的认可。