核电厂有爆炸危险厂房设计探讨

李 荣 鹏

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

核电厂有爆炸危险厂房设计探讨

李 荣 鹏

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

结合核电厂有爆炸危险厂房的特点，分析了该类型厂房的设计方案，探讨了其在设计中的关键技术及抗爆分析计算方法，旨在确保有爆炸危险厂房设计的安全性及科学性。

核电厂，抗爆设计，结构性能，BOP

1 概述

结构设计最基本荷载是自重永久荷载与风荷载，地震荷载等可变荷载。对爆炸等偶然荷载，因其出现概率较小，一直没有得到重视。但其特点是，结构使用期间不一定出现，一旦出现，值很大且持续时间很短。

1968年英国RONAN POINT公寓发生燃气爆炸，导致结构坍塌造成重大伤亡。引起业界对抗爆设计的重视，进行了一系列研究工作。我国此方面事故每年层出不穷。2008年1月17日，吉林市龙潭区龙东小区天然气爆炸，3层～5层楼板完全炸通；2007年6月5日，温州乐清一幢5层楼房地下室燃气爆炸，底楼与地下室完全坍塌；2006年11月17日，大连市山日街一幢楼房2层发生强烈燃气爆炸，2层～3层楼板完全坍塌，墙体多处断裂外张，整栋楼面临倒塌危险。据统计，近几年我国每年平均发生燃气爆炸事故3 000多起，对结构破坏也在媒体报道屡见不鲜。因此这方面的设计需求较迫切。目前一些西方国家已出台相关规范，而我国规定较少，仅石油化工工业与国防工业做过类似研究。

核电厂也存在一些具有爆炸危险的建筑物，如制氢车间、制氯站、氢气储存站等，多属核电厂BOP建筑。这些建筑的结构设计参照民用规范，对抗爆，设配筋混凝土砌块砌体抗爆墙，构造与经验起主导作用。

爆炸等偶然荷载远远大于结构一般计算荷载。要求结构在爆炸时处于弹性不损坏很不经济。所以一般将结构设计成遭受爆炸后，个别构件损坏，整体可修的水平。这也带来一个问题，应保证结构整体不倒塌。鉴于核电厂对安全特殊要求，有必要对爆炸等偶然荷载下，结构性能进行详细计算。

2 技术方案

抗爆设计荷载与参数输入，可参照国外规范与国内外研究成果。目前，国外有针对于石油化工工业厂房抗蒸汽云爆炸的设计规范，国防工业对于普通炸药与核爆条件下，产生的冲击波超压研究也比较充分。对有爆炸危险厂房，可结合实际提出合适的压强与作用时间等参数。如有个别参数波动较大，基于工程设计的目的，可取最不利值包络设计。

爆炸荷载下结构响应主要采用有限元分析方法。除此之外，还存在理论分析法、简化单自由度等分析方法。但理论分析法受边界条件限制严重，且计算十分复杂，实际应用性不强；简化单自由度法受简化条件制约比较严重，且不能对结构整体进行分析。基于动力分线性数值分析的有限元法，可以综合考虑爆炸空气冲击波荷载的复杂时程曲线，材料的复杂本构，结构构件边界条件，可对结构进行整体动力分析。且在求解过程中，因为爆炸荷载作用时间一般都非常短，应采用显式积分法。这也是业内对于爆炸、碰撞分析常用的一种分析手段。参照石油化工行业的爆炸分类，主要可以分为蒸汽云爆炸(VCE)、压力容器爆炸(PVE)、粉尘爆炸(DE)、物质状态突变爆炸(CPE)这几种。在核电厂具有爆炸危险的建筑中，绝大多数属于蒸汽云爆炸。例如，氢气的生产储存车间、氯气的生产储存车间等等。美国土木工程师协会1996年颁布了民用建筑抗爆设计方法，还编写有《石油化工抗爆建筑设计》[1]。美国军方与我国国防工程设计规范对于不同类型炸药，与不同当量TNT爆炸时产生的冲击波峰值超压，作用时间做出了规定，具有很高的参考价值，可充分参考确定适于核电厂厂房的参数与荷载取值。

显式动力有限元软件如LS-DYNA中，有各种材料的本构模型与多种接触类型，可以考虑将现有抗爆墙在有限元软件中用不同单元进行模拟，加入钢筋模拟单元，进行抗爆墙的极限荷载分析。在整体结构抗爆分析，防止连续倒塌方面，可参考抗震设计进行性能化设计。即确定主要承力构件所发生极限弹塑性位移角的大小。根据控制这个值达到结构整体不倒塌的目的。目前针对于罕遇地震下的结构整体演算即是基于这个思路，保证结构弹塑性变形值不超过某一限值即可保证结构“大震不倒”。同时，还应参照结构损伤方面的研究，充分考虑到结构局部损伤对整体抗爆能力的影响。

3 关键技术

针对室外敞开式框架的蒸汽云爆炸压力计算,国外常采用方法有：TNT当量法，即将一定比例的物料释放(通常为1%～10%)爆炸转换为相当于TNT爆炸的当量值；TNO多能量法，这种方法需要输入较多数据，其中标准的TNO法只需采用半封闭框架体积来评估爆炸影响，唯一假设是装置框架多大范围内被可燃混合气体充满，此处可保守采用充满全部估计。BAKER 法基于大量数据的分析，简化了参数及相互关系，输入数据比TNO法少，但合理程度比TNT当量法要高。

爆炸冲击波的压力与相关参数取值，很多情况下取决于装置类型与工艺差别。在石油化工工业，这些参数(空气冲击波的峰值侧正向超压，相应正波阶段持续时间等)由设备专利、生产商或者业主提出，结构专业依据参数进行计算。但参考之前经验，在进行核电厂BOP结构设计时，往往提不出相关的参数与资料。此处应该各专业配合进行相关研究，确定合理输入。

另外一个较大的区别是石油化工行业的蒸汽云爆炸，往往是在建筑物外发生。其在设计时，通过地理隔绝规定主控室离爆炸源应在30 m距离之外。因此结构经受的爆炸荷载多是外界传来。例如上海某乙烯装置的控制室、变电站结构设计中[2]，很多为单层框架结构。但其抗爆设计要求侧向荷载较大，且地下持力层为欠固结土，承载力很小。不得不采用能承受很大水平力的预制钢筋混凝土斜桩，桩长达到了36 m，倾斜度为1∶12。

而在核电厂房抗爆设计中，很多情况下爆炸源是在厂房内。如制氢车间与制氯车间，其抗爆墙设置处于隔绝控制室与车间，防止爆炸伤害控制室内人员。此处可参考国防工业对于室内炸药爆破研究成果，并结合蒸汽云爆炸的相关规定，研究适合于核电厂房的荷载设计方法。

在数值模拟计算中，针对于混凝土砌体抗爆墙的模拟有几点值得注意。砌体结构式依靠砂浆的粘结力将砌块联结成整体抵抗外力。其中砂浆为薄弱环节，爆炸荷载下很容易发生砂浆层首先破坏引起墙体倒塌失效或者砌块飞出伤人，起不到防护目的。因此，砂浆层处理为数值模拟的关键。据文献报道主要有两种模拟方法，一是砌块砂浆分开建模，利用砂浆单元失效取得墙体倒塌；二是将砂浆层厚度并入砌块，利用厚度为零的接触面模拟砂浆。因为实际设计中砂浆层加入了配筋，两种方法都应在单元中考虑其影响。如LS-DYNA中BAR单元可与其他单元联合使用，反映钢筋的加强效果。

4 结语

针对目前对于有抗爆设计需求厂房，无成熟参考设计规范的情况下，可采用如下设计研究应对方法：

其一在文献调研，参阅国外规范研究的基础上，确定抗爆设计所需的荷载与参数输入；

其二对现有的抗爆墙设计与结构整体设计进行校核计算，确定其安全性并提出设计改进方法；

其三掌握抗爆设计方法。能对结构整体进行构造与计算上的抗爆设计，保证在爆炸荷载下不发生整体坍塌。

[1] Design of blast-resistant buildings in petrochemical facilities,ASCE,2014.

[2] 黄钟喜.石油化工装置建筑物抗爆设计[J].石油化工设计, 2004,21(3)：32.

The response discussion on nuclear power plant with explosion danger workshop design

Li Rongpeng

(ChinaNuclearPowerEngineeringLimitedCompany,Beijing100840,China)

Combining with the characteristics of nuclear power plant with explosion danger workshop, this paper analyzed the design scheme of the workshop, discussed its key technology and antiknock analysis calculation method in the design, to ensure safety and scientific of explosion danger workshop design.

nuclear power plant, antiknock design, structure property, BOP

1009-6825(2017)02-0059-02

2016-11-07

李荣鹏(1984- )，男，硕士,工程师

TU271

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