高温气冷堆核电示范工程机械管道孔洞封堵设计研究

2021-08-06余文生高旭刘思光

新型工业化 2021年4期

余文生，高旭，刘思光

（中核能源科技有限公司，北京 100084）

0 引言

山东石岛湾高温气冷堆示范工程核岛厂房需要封堵的孔洞数量众多，分布在核岛各个厂房中（反应堆厂房UJA，核辅助厂房UKA，电气厂房UCB，乏燃料厂房UFC等），包括机械管道孔洞（贯穿物为工艺管道或风管）、电气孔洞（贯穿物为电缆和仪表管）和混合孔洞（贯穿物既有机械管道，又有电气贯穿物）。高温气冷堆相对于压水堆，工艺系统少，管线穿墙或楼板孔洞也相对较少。核岛机械管道孔洞封堵结构是防火边界上的一道重要屏障。

我国核岛机械管道封堵技术是不断发展的。早期核电项目缺乏相应的封堵材料，偏向于直接用混凝土封堵。该方法限制了管道的径向位移。后期容易出现开裂剥离的现象(尤其是外墙孔洞封堵出现大雨天渗水的情况)。随着核电要求的提高、国外产品的引入及国内相应的封堵材料的开发，现在核岛机械管道封堵普遍采用专用的封堵材料。

本文从高温气冷堆示范工程核岛机械管道开孔封堵实践，对封堵材料选择，材料验收准则、高温堆机械管道封堵做法进行了解析，并提出高温堆后续项目机械管道孔洞封堵的建议和改进方法。

1 机械管道孔洞封堵的功能要求

1.1 技术要求

机械管道开孔封堵是为了保证土建结构的连续性、完整性。根据不同的封堵要求，示范工程标准封堵结构具有下述一种功能或多种功能：气密（A）、水密（W）、耐火极限要求（F）、生物屏蔽（B）[1]等。

气密（A）：在50mm水压头差下，无气体泄漏；

水密（W）：保证2.0m水压头下不泄露；

耐火极限（F）：根据防火分区耐火极限要求，防火封堵应保证相应的耐火极限要求。燃烧时，封堵材料应无有毒性气体或烟排出；在确定防火屏障所需耐火极限时，需要考虑火灾危害性分析的结果。对于防火区边界，推荐的额定耐火极限为最少一小时，除非国家标准另有要求[2]。示范工程防火屏障的耐火极限有1.5h和3h两种。

生物防护屏蔽（B）：封堵对γ射线的屏蔽作用应于开孔所在墙体同等厚度混凝土相当。

除此之外封堵结构应具备可去除放射性物质玷污：封堵外表面应可去除放射性玷污，以保证可去污表面的连续性；对于不要求去除放射性物质玷污的封堵表面，应保证其表面的可清洗。

1.2 封堵原则

通常情况，管道穿过孔洞的封堵应允许管道在各个方向有5mm的位移自由度，封堵材料的功能要求在0℃至100℃的范围内保持稳定（不同材料的适用范围可能不同，对于超出上述要求范围的管道孔洞封堵应出具专项封堵方案）。

（1）直接封堵。如果在浇筑混凝土时预埋了套管或芯模，则在管道穿过后在管道与其周围的空间用封堵材料进行封堵。

（2）缩孔处理。如果管道已经穿过了预留的大孔洞，则应先浇筑二次混凝土缩小预留孔洞空间。在浇筑二次混凝土时，在管道周围预埋由两个半圆型壳体组成的套管或模板。二次混凝土中应加入适当的钢筋。最后对二次浇筑后管道周围的空间用封堵材料进行封堵。

2 示范工程机械管道封堵问题

2.1 示范工程机械管道封堵设计过程

高温气冷堆示范工程机械管道孔洞封堵最初是由各设计项负责，但是封堵作业过程中发现封堵做法不统一，封堵材料类型、用量、验收等问题导致采购、施工困难。因此在2016年提出统一封堵技术要求和材料采购。在此背景下开展了高温气冷堆机械管道孔洞封堵的设计工作。

2.2 示范工程机械管道封堵原则

对于高温气冷堆示范工程核岛建筑的所有机械管道孔洞做防火封堵，采用的封堵结构主要为1.5小时耐火极限的（或生物屏蔽）封堵结构、耐辐照3小时耐火极限的（或生物屏蔽）封堵结构。通风管道孔洞封堵采用细石混凝土封堵。

2.3 示范工程封堵间距过小问题

参考压水堆，管道与套筒之间的距离示意见图1，距离要求详见表1。

图1 管道与套筒之间的距离

表1 管道与套筒之间的距离

现场实际情况往往是管道与套筒不同心，因此管道与套筒之间的距离（以下简称“间隙”）是理论上的计算平均值。

对于管道穿过预留的大孔洞，不存在小间隙的问题，对于预埋了套管的穿管孔洞，管道和套筒之间的距离过小对封堵的影响主要体现在以下几个方面：

（1）管道各向5mm位移自由度不能满足；（2）封堵材料无法填充或者不能保证填充密实。在厚楼板或者墙体孔洞封堵时问题更为严重，该问题主要影响封堵结构的气密、水密及防火。（3）不能保证规定的耐火极限要求。填充的封堵材料因为小间隙导致结构释热能力变差，影响封堵结构的防火能力。

调研高温气冷堆示范工程预留的孔洞，发现部分预留间隙比表1规定要求小。

2.4 示范工程厚墙体孔洞封堵孔洞封堵问题

相对于压水堆，高温气冷堆存在超厚墙体（例如2.4m厚的堆舱室壁）的机械管道孔洞封堵问题。这类孔洞封堵需要耐辐照，防火等要求。

3 示范工程机械管道封堵做法

3.1 材料选择

核岛封堵材料一般有专用材料，国内外都有相关产品的供应。表2为国内外代表性产品及主要性能参数。

表2 代表性封堵产品

3.2 材料验收准则

结合已有的压水堆良好实践和近些年封堵标准规范的发布，高温气冷堆示范工程各种不同类型封堵系统所使用的材料、封堵结构的试验项目、试验标准和验收准则见表3。

表3 材料验收准则

虽然2015年发布的NB-T20341《压水堆核电厂核岛厂房用孔洞封堵材料和嵌缝材料技术要求》晚于高温气冷堆示范工程出版的《管道孔洞和电缆开孔封堵技术要求》，但是该标准规范很好总结了之前核电封堵材料验收标准不清，程序不明的问题，对核电封堵材料试验验收起到很好的指导作用。耐火极限的试验标准采用GB23864[5]（国内某些核电厂采用HN-18-S-01）。

3.3 典型管道穿墙（楼板）的封堵结构

对于1.5h耐火极限的非生物屏蔽封堵，硅酮泡沫做主要封堵材料，防火密封胶做饰面材料即可。结构形式见图2。

图2 单根非保温管道穿楼板的孔洞封堵

对于生物屏蔽封堵，要求对γ射线的屏蔽作用应与开孔所在墙体同等厚度混凝土相当。核岛生物屏蔽封堵材料普遍采用高密度硅酮橡胶（密度大于2.3g/cm3），封堵厚度与墙或楼板等同，单根非保温管道的生物屏蔽封堵见图3。

图3 单根非保温管道穿楼板的生物屏蔽封堵

3.4 典型多根管道密集穿孔洞的封堵结构

对有机械管道、通风管道和电缆的混合洞的封堵，应用钢板分隔并分别封堵。对多根机械管道密集布置的情况，封堵形式见图4。这一类的孔洞封堵需要缩孔并设置套筒。

图4 多根管道密集穿楼板孔洞的封堵

3.5 厚墙体的孔洞封堵

反应堆厂房、乏燃料中间贮存房间存在超厚（2.4m）墙体/楼板的孔洞封堵。因为需要生物屏蔽，材料需要选用高密度的硅酮橡胶。在其他核电并无这类超厚墙体的生物屏蔽封堵，通过辐射专业评估后，确定封堵厚度只要做到1m就能满足生物屏蔽要求。厚墙体的孔洞封堵的结构形式见图5。

图5 单根管道穿楼板（超过1m）的生物屏蔽封堵

4 小间隙封堵试验

高温气冷堆示范工程出现的小间隙孔洞，发现管道尺寸都不大，小间隙普遍在10mm～25mm之间，部份具有小间隙问题的穿孔洞管道带保温层。为确保该类孔洞封堵结构能达到规定的耐火极限，和材料厂家沟通后确定了封堵试验结构如图6，图7。并委托国家防火建筑材料质量监督检验中心做了耐火试验。管道外径采用示范工程中穿小间隙孔洞的最大管径，管道材料为碳钢，两端的保温层长度为500mm。