冯颖
（中国能源建设集团广东省电力设计研究院 广州 510063）
摘要：核电防甩结构关系核电运行安全，本文主要研究以CPR1000技术路线为代表的二代核电和以AP1000技术路线为代表的三代核电常规岛结构中防甩结构的布置，以指导和优化防甩结构设计。
关键词：核电 防甩结构 CPR1000 AP1000
一 引言
核能发电厂是指利用核的裂变反应或者核的聚变反应产生能量，再由这些能量转化为电能的发电构筑物。一般核电站分为两部分，核岛部分——利用核裂变产生能量生产蒸汽；常规岛部分——利用蒸汽推动汽轮发电机产生电能。
核能发电厂运行相关事故对环境与人员安全有严重危害，在核电站设计中，与核安全相关的因素须进行科学深入的分析及评估，各专业需要通过合作构建综合安全措施以保证核电站的运行安全。高能管道的爆裂是核电站内部潜在的风险因素之一。高能管道是指管道内部介质最高正常运行温度超过93.33℃（200℉）或最高正常运行压力超过1.896Mpa（275psi）的管道。高能管道的爆裂引起的破管效应有隔间增压、管道甩击、喷汽冲击、飞射物产生、淹没等几种，这些效应都有可能造成设备损毁、人员伤亡的后果，严重的还有可能引起与核安全相关的事故，造成核泄漏的灾害。为防止靠近核岛山墙的高能管道爆裂问题，常规岛结构中会设置防甩结构，以抵抗这个位置的高能管道爆裂，对常规岛山墙产生的甩击荷载，避免常规岛厂房倒向核岛厂房，对核安全相关物项造成危害。
本文主要研究以CPR1000技术路线为代表的二代核电和以AP1000技术路线为代表的三代核电常规岛结构中防甩结构的布置，以指导和优化防甩结构设计。
二 CPR1000和AP1000常规岛防甩结构形式
2.1CPR1000常规岛防甩结构形式
CPR1000的常规岛中，有3条主蒸汽和3条主给水管道靠近核岛侧山墙布置，爆管时可能对核岛侧山墙产生甩击荷载。为防止此荷载将常规岛结构推向核岛结构而发生破坏，需要在此处设置防甩结构。此结构由几条限位钢梁抵抗甩击荷载，形式比较简单，但由于主蒸汽管道的甩击荷载很大，钢结构防甩装置体量庞大。
CPR1000常规岛防甩结构[1]
2.2AP1000常规岛防甩结构形式
AP1000常规岛的特殊布置方式，在常规岛靠近核岛的位置有一个与常规岛厂房上部结构用变形缝分开的单独的第一跨，2条主蒸汽和2条主给水管道从核岛出来后，先穿过第一跨，然后进入常规岛汽机房与常规岛内的设备相接。AP1000的常规岛防甩结构就布置在第一跨内，为框架+剪力墙结构，与常规岛主体结构设变形缝脱开[2]。
AP1000常规岛第一跨结构布置 [3]
三 防甩结构布置原则
3.1 高能管道的破裂方式
高能管道的破裂，根据破口位置介质喷射的几何特性，可以分为3种不同的破裂形式[4]：
有约束的环向断裂、无约束的环向断裂和纵向断裂。
3.2高能管道的假想破裂位置
由于管道在常规岛内的长度很长，理论上来说，破裂有可能在管道上的任意一个位置发生，那么就需要分析在任意位置发生管道破裂所产生的后果并据此进行设计，这实际上是不可行也做不到的。因此，需要对管道的破裂位置进行设计上的模拟简化。一般来说，我们假定管道破裂位置发生在地震工况或者正常运行工况中管道高应力区域或者易疲劳破坏位置[4]，如管端、直管段中部高应力位置、阀门法兰和附件的焊接部位等。
四 防甩结构设计
防甩击结构除考虑按常规岛主厂房正常运行、安装、检修、试水和地震作用荷 载组合进行验算外，还需对如下组合进行验算[1]：
a）电厂正常运行摇摆力（sway）工况
在防甩结构中，考虑到管道在厂房横向（东西方向）存在晃动，防甩结构框架 在该向柱间未设支撑。在防甩结构每个柱顶作用一个水平横向荷载，荷载大小为其对应柱底轴力（恒+ 活+设备+管道）的 2.5%。
b）电厂正常运行减振器荷载工况 防甩结构的阻尼减振器荷载（由主汽门突然关闭产生）按减振器荷载工况输入，并增加如下组合，进行补充验算：
1.2 恒+1.4 减振器荷载
1.2 恒+1.4 活+1.3 设备+1.4 减振器荷载
1.0 恒+1.4 减振器荷载
1.0 恒+1.4 活+1.3 设备+1.4 减振器荷载
c）主蒸汽管道破裂（偶然荷载工况组合）
1.0 防甩_管道 i+1.2 恒
1.0 防甩_管道 i+1.2 恒+1.4 活（楼面）+1.3 设备+1.4 吊（自重）
1.0 防甩_管道 i+1.0 恒
1.0 防甩_管道 i+1.0 恒+1.4 活（楼面）+1.3 设备+1.4 吊（自重）
五 结语与展望
从设计原理上来说，AP1000和CPR1000防甩结构的设计目的和思路是相似的，都是为了限制高能管道破裂产生甩击从而造成对核岛的不利影响。
两种防甩结构的不同之处在于，一是CPR1000的主蒸汽管和主给水管一进入到常规岛就开始弯折，而AP1000的主蒸汽管和主给水管笔直穿过第一跨后才开始弯折，因此CPR1000的防甩约束设置在第一和第二个弯头处及两个弯头的中间位置，而AP1000的防甩约束设置在第一跨的直管段和第一个弯头处。二是根据常规岛厂房的布置和结构特点，CPR1000的常规岛没有AP1000的独立的第一跨，采用的是三条固定在山墙上的大钢梁，并在山墙内侧设计了一个钢框架平台作为防甩大梁的侧向支撑；AP1000利用第一跨的混凝土结构，加设剪力墙并在墙上安装防甩件，结构上更为简洁。
这两种防甩结构均是利用结构抵抗甩击力，体量上比较大，不够经济。在今后的设计中可以引入耗能思维将甩击力利用被动或者主动耗能体系吸收，减小防甩结构体量；优化高能管道布置或在其中引入防爆预警等措施，在爆管前能及时减低爆管产生甩击力，使得防甩结构更经济。
参考文献：
[1]核电常规岛防甩击结构设计 张捷
[2]常规岛防甩击结构的设计优化结题报告 黄丹
[3] AP1000汽轮机厂房第一跨设计浅析 顾健
[4]常规岛防甩击结构设计关键技术研究 周玉
论文作者:冯颖
论文发表刊物:《河南电力》2018年10期
论文发表时间:2018/11/16
标签：结构论文; 管道论文; 常规论文; 荷载论文; 核电论文; 位置论文; 工况论文; 《河南电力》2018年10期论文;