核电厂消防水系统抗震设计改进

杨云斐 赵永明 严斌鹏 刘洪群

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

0 引言

日本福岛核事故后，核电厂消防水系统在超设计基准下发挥其安全功能已成为世界核电面临的新课题。消防水系统与核安全有关建筑物、构筑物、系统和设施设备的设计必须能经受住诸如地震、龙卷风、飓风、洪水、海啸等自然灾害的袭击。与核安全有关的设施设备必须具有足够的安全裕度，以保证在假想的、单一故障情况下，整个安全系统仍能保障其安全功能，在该系统内的单个子系统或设施设备故障不会妨碍安全系统执行其安全功能。为此，秦山核电厂（以下简称“电厂”）根据福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求针对性开展消防水系统抗震改进研究。

1 抗震设计改进

1.1 总体思路

对照核电厂防火准则总则要求：“用来保护安全相关系统和设备的消防水系统和设备应按可承受SSE（安全停堆地震）引起的载荷进行设计”[1]。而消防水系统从原设计文件来看，消防水泵和其总管以及设在核岛和汽轮机厂房周围的环状管网均按抗震Ⅰ类设计，即满足SSE抗震要求外，安全相关系统和设备所在的厂房或房间内的部分消防设施需抗震设计优化。

总体改造思路如下：首先，在原有水池基础上扩建会影响机组安全运行，只能采取重新选址，建设新的抗震水池；其次，厂外电源丧失工况下增设柴油机驱动消防泵组，原泵房场地不足，只能采取建设新的抗震消防泵房；再次，通过系统设备更新，安全相关的消防设施全面抗震设计；最后，通过新系统接入消防主环路管线，进行管道力学评定，抗震改造。

1.2 地质勘探

新建消防泵房基础埋深3.1m，基底为粉质粘土混角砾层，地基承载力偏弱；消防水池基础埋深2.1m，基底为人工填土层，因此，新建建筑物不能使用天然地基。需采用复合地基或者桩基础。采用桩基础可选择强风化或中等风化英安流纹质熔结凝灰岩作为持力层。

1.3 系统管道分析评定

（1）新建系统管道分析评定根据ASME BPVC III NC-3600中的应力评定准则，对新建泵房设备管道支吊架展开应力计算，使用计算机程序PIPESTRESS对管道进行静力和动力分析，输入载荷、载荷组合和应力评定准则进行管道分析评定。载荷工况包含自重、水压、热胀、OBE地震载荷、SSE地震载荷、设计压力、风载、腐蚀。其中，水压试验作为单独载荷工况分析，仅使用水压试验载荷。工艺流体采用环境温度下的水。试验压力取设计压力的1.5倍。在环境温度21℃下确定物理特性和材料特性以及许用应力值。管道系统的热分析由线弹性静力学分析组织，运行温度范围为10～49℃。地震反应谱取自消防泵房地震响应谱。室外管线考虑65m/s的风载。所有管道考虑2mm的内部腐蚀减薄。应力计算结果和比值满足规范要求；

（2）室内系统管道分析评定

将安全相关厂房内的消防管、人工消防水系统管道以及管道上对应的阀门和消火栓等设备按安全II级、抗震I类要求设计，使之满足规范要求。为了保证原系统可用性，且充分考虑可实施性，需尽量利用原有消防管道，通过更换阀门、消火栓为抗震级设备和重新设置抗震支吊架来满足系统抗震功能要求。抗震分析计算和评定依据2007版ASME BPVC III NC规范进行，分析考虑管线的自重、热胀和SSE地震等工况。地震输入采取秦山核电厂0.15g加速度对应各厂房和楼层的响应谱。通过计算复核，改造后安全厂房室内消防水系统设备满足抗震要求。以主控楼消防水系统设备管道应力计算为例。使用计算机程序PIPESTRESS对管道进行静力和动力分析，输入载荷、载荷组合和应力评定准则进行管道分析评定。经过对安全厂房的消防管道系统分析评定，按ASME规范要求验证，在原有管系布置的基础上，对管线布置进行抗震改造，包括移动支撑、增设支撑和删除支撑，管道的抗震能力是可以接受的。

1.4 室外管道抗震分析

根据敷设管道区域的地质资料及埋地管道的敷设情况，进行室外直埋管道抗震分析计算。分析考虑管线的自重、热胀和地震工况。自重和热胀的分析采用软件PIPESTRESS参考ASME B31.1规范非强制附录VII进行，自重评定遵循ASME B31.1规范 公式：

其中：SL为自重状态下的应力：P为设计压力；Do为管道外径，tn为管道壁厚；i为应力强度因子；MA为自重引起的力矩；Z为抗弯模量；Sh为管道材料的许用应力。

热胀评定遵循ASME B31.1规范公式：

其中：MC为管道热胀引起的力矩范围。

地震计算采用软件 PIPE99，通过厂区0.15g加速度下对应位移时程计算，并按照2007版ASME BPVC III NC-3600公式进行评定。

其中：MB为管道地震工况下的力矩。

在埋地消防主环管力学评定满足要求的情况下，考虑消防支管的压力边界完整性。在分析中考虑了现有地下消防管道的腐蚀情况。对现有埋地消防管线进行全面抽样检查和评估。选取典型断面取样分析，来确定消防管线腐蚀量。对于管道应力评定无法通过的情况，考虑在阀门井处增设固定点，其中优先考虑在已有阀门井处增设，并将阀门井改造成抗震阀门井。阀门井实在无法满足降低管道载荷要求，考虑在管线合适位置增设固定点或调整管道和更换管道弯头、三通部件等措施来满足系统抗震功能要求。

1.5 设施设备抗震改造

为保证安全相关厂房内消防主管和消火栓系统管道的压力边界完整性，应在压力边界点采取隔离措施。通过原有雨淋阀与主管接入点之间设置手动抗震隔离阀并增设抗震固定支架来实现压力边界完整。在安全停堆地震后，消防快速行动组和核电厂消防队迅速达到厂房内抗震手动隔离阀所在地，快速关闭手动隔离阀，保证在安全停堆地震工况下抗震消防管道边界的完整性[2]。在厂区内消防车可达的安全厂房外墙处，增设室外抗震消防快速接口，同厂房抗震消防进水管连接，在SSE后室外埋地消防环管万一破坏的情况下，通过移动消防设施来供给安全厂房内消防应急供水，进一步提高抗震消防水系统安全性和可靠性。根据力学计算结果，在主控楼厂房内消防水系统立管上增设抗震金属膨胀节，补偿因温度和地震工况下引起的应力和位移，保证系统安全运行。

2 抗震改造后试验

抗震改造实施完成后，对新消防水系统进行了一系列功能验证试验。消防水系统自动连锁控制试验、消防水池液位自动控制试验、消防稳压系统联合试验以及主要消防水泵运行试验。试验结果表明消防水系统自动连锁控制正常，改造后消防水系统设备运行性能较改造前显著提高[2]。

3 结语

新消防水系统功能测试验证了系统灭火能力和系统功能状态，通过技术改进不仅提升了消防水系统设施设备运行可靠性，抗震设计改进还对机组运行许可证延续（OLE）做出了显著贡献。