核电厂用大型屏蔽门设计与应用

2020-03-10卞向南

山东化工 2020年2期

卞向南

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233)

核电厂的核岛厂房内设备密集，房间众多，较多数量的设备及管道由于存在辐射剂量较高的特性，需要对厂房内部进行划分，设立不同的辐射分区，以保证人员活动区域处于低剂量状态[1]。为满足屏蔽及其它功能的要求，辐射分区分界的墙体和门扇需要进行特殊设计。本文以在建的三代核电厂(CAP系列)需求的大型屏蔽门为例，介绍核电厂用屏蔽门的功能需求及设计过程。

1 背景

核岛厂房内部分房间需要通行大型设备或车辆，导致门洞尺寸较大。以某典型屏蔽门为例：(1)门洞尺寸约为4877mm×5791mm(宽X高)，屏蔽门须能够覆盖整个门洞；(2)门扇须满足抗震要求，保证地震工况下，门扇不倾覆；(3)门扇须具有满足A3.0的防火功能；(4)由于屏蔽门位于核岛厂房与外部分界处，须满足龙卷风飞射物防护设计准则的要求。

2 方案设计

核岛厂房外壁墙体较厚，约为762mm,屏蔽门有安装在门洞内(门比洞口小)和安装在门洞外(门比洞口大)两种方案。根据以往工程经验，"门洞内"方案的优劣点对比如下：

(1) “门洞内”方案安装后，门的外表面与墙体齐平，整齐美观，但由于门体较大，导致洞内空间不足，施工时容易磕碰，门体调整较为苦难。

(2)屏蔽门需要对门洞进行整体屏蔽，因此屏蔽门的生根埋件设计成长条形结构，门框与预埋件整体焊接，保证门框与埋件之间无缝隙，以满足屏蔽要求(无可供射线贯穿的间隙)。但厂房施工时保证精度较为困难，会造成预埋板部分变形，导致门框与埋板不能完成吻合，焊接后部分连接部位达不到屏蔽厚度的要求。

(3)门扇的铰链轴是影响门扇使用寿命的关键因素，当门扇长期关闭时，如铰链轴发生形变，门扇将卡死，无法移动，此时难以拆卸门扇与门框之间的合页式铰链，增加了维修的困难度。

综合考虑后采取了“门洞外”的设计方案，如图1所示。屏蔽门的主体由铰链、门板、锁紧组件、启闭组件、电机、立式门框等组成[2]。门扇的尺寸大于门洞尺寸，使得门洞的左、右、上三遍与门板形成搭接，避免了与门洞平行方向的贯穿缝隙存在，提升了屏蔽性能。门洞上方只有电机和上挡板，当门的铰链轴损坏需要进行更换时，可拆除上方挡板和电机，并在其上焊接钢梁与吊耳，利用手拉葫芦[3]将门板吊起，卸去铰链的受力，方便拆除铰链，更换铰链轴。

图1 屏蔽门结构示意图

2.1 材料选择

屏蔽门的核心功能是屏蔽功能，铅的优点是防护性较好，所占空间小，用铅做门板的主体材料使得门扇厚度较小，但其机械性能差，不易加工，且价格昂贵。混凝土价格低但防护性能差，占用空间大，边角易损坏。钢材强度较高，不易变形。如门体采用钢为骨架焊成箱式结构，内部灌铅，其屏蔽性能较佳，但灌铅过程困难，难以保证质量且成本很高，故本设计采用了较为经济且能满足屏蔽要求的150mm厚度的Q235B钢板作为门扇的主体。

屏蔽门需满足A3.0的防火要求，钢板可以起到耐火作用，但由于钢材的导热性，无法达到隔热的性能，故门扇上需另外安装防火材料。防火芯板是门扇防火的关键部件，其质量好坏直接决定门扇的防火性能。芯板的强度和容重成正比，强度越高容重越大，经常开启运动的屏蔽防火门是一个复合结构，强度靠金属框架和屏蔽钢板及金属外壳完成，重量较大，不能片面地为追求门芯板的强度而提高密度指标，应发挥其轻质、防火的优势。质量越轻，保温、隔热的性能越高，越有利于减轻门的整体重量。

本屏蔽门选用了膨胀珍珠岩为防火芯板材料，膨胀珍珠岩是天然珍珠矿砂，经过1300℃以上的高温瞬间膨胀而成的结构中空蜂窝状颗粒球形体，具有①环保、天然、无污染；②防火(A级标准，不燃)，不易老化，耐腐蚀；③质轻、隔热、保温④施工方便、可切割、刨锯等特点。

2.2 门扇结构设计

结合门扇的屏蔽和防火两种功能，门扇的结构设计如图2所示。门扇共五层结构。中间为150mm厚Q235B屏蔽钢板层，钢板层两侧分别有50mm厚的珍珠岩防火层，门扇的最外面为2mm厚Q235B表面钢板层，表面层有保护防火层板材和平整门面的作用。

图2 门扇结构图

珍珠岩芯板通常为小块样式(500mm×600mm)，需要将多块防火板和钢板粘在一起。由于珍珠岩芯板强度低，粘结强度更低，而门扇尺寸较大(单扇门扇尺寸为4378mm×2519mm)，直接用防火芯板将门扇框架填满，容易造成，防火板之间相互挤压、开裂，故将门扇空间使用2mm钢板隔成多个空间，分别填充防火板，提高防火层的稳定性。

2.3 缝隙防火处理

门扇关闭时，双开门的两个门扇之间及门扇与门框之间都有缝隙，着火时，火焰和烟雾易通过缝隙蔓延到非着火面，因此在门扇的四个侧面都进行开槽处理，填入防火密封条，如图3所示。防火密封条在受火时，阻燃芯材能膨胀发泡，发泡后，门扇四周的防火密封条能够堵住门扇与门框、埋板之间的缝隙，起着很好的防火隔热效果和防火密封作用。

图3 门扇开槽处理及密封条示意图

2.4 铰链设计

屏蔽门扇与门框之间使用铰链连接，常见的门扇单边的上铰链与下铰链相同，多数为三页铰链，上下两页固定在门框上，中间页固定在门扇上。考虑到大型屏蔽门的重量较重，单扇门扇的质量达13000kg，理想条件下整个门扇的重量均匀分布在两个铰链上，但是这对安装的精度要求太高，通常情况下无法达到理想条件，故在设计时考虑让下铰链承担门扇的全部重量，因此下铰链采用三页铰链设计，上铰链采用两页铰链设计(如图4所示)，上铰链不承担门扇的重力，只起到对门扇产生侧面拉力的作用。同时由于屏蔽防火门的尺寸较大，在上下铰链中间增设一个与上铰链相同的中间铰链，其有以下几点作用:

(1)上铰链轴由于受到门扇的水平拉力，其剪切应力较大，最易磨损，增加中间铰链可以分担上铰链所受拉力，增加上铰链轴的寿命。

(2)_门扇高度较大，上下两个铰链之间的跨度达到2.8米，增加中间铰链可以减小门扇悬挂在门框时门体产生的变形量。

(3)当上部铰链轴磨损需更换时，中间铰链可以顶替上部铰链的功能，拉住门扇，方便更换检修。