核岛内部水淹分析方法

赵萌　高文迦

【摘 要】核岛内部水淹可以导致核岛内多系统设备产生共模故障，对电站的安全运行存在潜在的威胁。本文介绍了核岛内部水淹的分析方法，通过定义核岛内部水淹源、水淹分区与漫延路径来确定水淹高度，从而为水淹对核安全系统设备的影响程度提供具体依据，以便后续在设计上采取措施，避免或消除内部水淹对核岛的影响。

【关键词】内部水淹

中图分类号： TM623.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0228-002

Analytical Way For Internal Flooding In Nuclear Island

ZHAO Meng GAO Wen-jia

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd， Beijing）

【Abstract】Water flooding occurred in nuclear island threatens safe operation of the power plant by causing common-mode faults in many systems and equipments.This paper introduces way of analysis for internal flooding in nuclear island：to calculating of flooding height by considering the flooding source，flooding area and spread route，which determine the degree of flooding influence on safety-related SSCs in nuclear island.As a result，the protective measures can be taken in the design to avoid or eliminate the potential hazard from the internal flooding in nuclear island.

【Key words】Internal Flooding

0 前言

內部水淹是可以导致多系统设备产生共模故障的一种危害。本文介绍了一种内部水淹的分析方法，通过对核岛内部某一区域内水淹源、水淹漫延过程的分析与计算，得到该区域在一定时间内的淹水累积。后续可据此采取必要的设计措施降低水淹危害程度，避免核安全相关系统设备受到水淹影响。

任何区域的水淹水位都是通过评价流体的流入量、流出量和蓄积量来确定的[1]。为了确定这几个量，需要对内部水淹的过程做一些简单的规划，然后引入计算。

1 内部水淹分析的过程量

内部水淹在确定水淹源、漫延路径以及计算水淹高度时通常要针对某一区域来进行。水淹分区的划分与漫延路径的选取是水淹分析中两个比较重要的环节，其选取与水淹高度计算结果直接相关。

划分水淹分区

简单地说，水淹分区就是把结构错综复杂的核岛厂房内部，按照一定的规则，分成若干小区域，以便分别进行分析，各个小区域之间通过水的漫延建立相互关系。划分水淹分区最简单易行的方法是先将各个房间作为最小单元，再根据以下方法进行合并：

△同一层高之间，没有边界分隔的房间合并在一个分区。这种情况常见于各厂房底层。

△相邻层高之间，上下连通或有开敞大洞的房间合并在一个分区。例如楼梯间或以钢平台作为地面的上下两层房间。

确定漫延路径

漫延路径的起点是水淹源所在区域，且水淹源的泄漏率能达到水淹流量（100gpm以上，参照EPRI导则1.3.3）。

漫延路径的终点通常为下列中的一种：

△室外；

△底层地下室；

△封闭房间。

2 内部水淹计算思路

分区内水淹水位通过分区内流体的流入量、流出量和蓄积量来确定。对始发水淹的分区，流入量主要来自容器破口、管道破口、消防启动或密封件泄漏的泄漏率，流出量则是通过门、孔洞、地漏和地坑等排出分区的水量总和。对位于漫延路径上的分区，一边是经由门、洞等进入分区的水，一边是经由门、洞、地漏、地坑等排出的水。

核岛内部水淹计算主要遇到的是孔口流和堰流两种流体模型，分别采用孔口流模型与堰流模型进行计算，这两种模型计算的原理均来自伯努利方程。经其推导出的孔口流量公式和堰流流量公式分别为：

2.1 流入量

所有包容流体系统的管道与容器都可以看作是水淹源。因此，对于任一水淹分区，水淹源就是布置在该分区内的流体管道与容器。

流体系统成为水淹源主要由以下几种原因造成：容器破口、管道破口、消防启动或密封件泄漏。通常，对于某一个水淹分区，往往存在不止一处潜在水淹源，根据确定论单一故障准则，不考虑同时发生两处以上始发水淹事件。因此在分析中，通过对分区中各水淹源的泄漏率进行计算并比较，取其中泄漏率最大值作为该分区中水淹源的包络值。水淹持续时间通常取30分钟[3]。

箱罐槽破口

破口容器释放的流体总量与破口位置有关，最大值应等于容器的有效容积，同时考虑自动补水系统的影响。破口流量用公式3-1孔口流量方程进行计算。

管道破口

管道破口的流量依照高能管道和中能管道的不同流体模型，采用不同的计算公式。高能管道破口流量应按照临界流的流量公式进行计算[4]。其中，环向断裂的破口面积等于管道流通面积的两倍[5]。纵向破裂的破口面积等于管道的横截面流通面积[5]。中能管道破口形式为穿壁裂缝。破口面积等于管道的内径的一半与管壁厚度的一半的乘积[5]。采用公式3-1破口流量公式进行计算。

消防系统动作

消防系统启动产生的水量依据消防设计要求来确定。

泵阀密封件泄漏

密封件泄漏主要指阀杆密封泄漏或泵轴封装置泄漏，参照RCCP对非能动故障的要求，这类水淹水量通常按6m3考虑。

2.2 流出量

在与漫延路径相关的计算中，一个分区边界如果存在多个门和孔洞，则这些门和孔洞既可能是流入途径，也可能是流出途径，具体流向要看门及孔洞在漫延路径中的位置，分区中设置的翻边、堰墙起到在时间上阻碍水流的作用，不对最终的水淹高度计算结果产生明显影响；地漏及疏排水系统如地坑与地坑泵则单纯起到排水的作用。

门与门缝

门在水的流动过程中起到阻隔作用。除了水密门和气密门，核岛中其它的通行门都或大或小存在门缝，这是水流突破分区边界的早期途径。

核岛中不设置门槛的门，水流经门缝主要有三种情形：一开始水从门缝中自由流出不受限制；当分区内水累积高过门缝的高度，分区外的水位在门缝高度之下，此时水的流动类似孔口自由出流模式，其流量用公式3-1进行计算。当分区内外的水位均高于门缝高度，此时水的流动类似孔口淹没出流模式。公式中的h在此为分区内外两液面的高度差△h。

对于核岛中有门槛的门，水流经门缝也是三种情形：最初的情形与无门槛时不同，门槛的设置引起水流模型变化，在分区内水位高度没有高过门槛与门缝之和期间，水流模式为堰流模式，其流量用公式3-2进行计算。当分区内水累积高过门槛与门缝的高度后，水流动模式就与前面無门槛时相同了。

当水的积累高度不断增加，达到门的破坏高度时，门失效打开，此时分区内外连通，水位在两个分区之间将快速重新分布并达到平衡。

楼板或墙上未封堵的孔洞

核岛中绝大部分墙上与楼板上的孔洞，在安装相关物项后都将被封堵。不封堵的孔洞只是极少数，例如检修吊装留洞，这些孔洞上通常设有盖板或钢格栅。

不论孔洞是位于墙上还是楼板上，通过孔洞的水流动模式归纳起来只有两种类型：沿边流和满灌流。其中沿边流采用堰流模型，用公式3-2进行计算。满灌流采用孔口流量模型，用公式3-1进行计算。水经过翻边洞口溢流的流量按照堰流公式3-2进行计算。水流经钢格栅洞口的模式及流量与钢格栅上小格的边长与数量相关。

地漏

地漏排水与楼板孔洞中的圆洞排水形式类似，也分为沿边流和满灌流两种形式。保守考虑时，分区内的地漏个数取50%可用。

地坑

厂房底层的集水地坑内设有地坑泵以排出积水。保守考虑时，地坑泵作为非核级能动设备，其水淹缓解作用常不被计入。

2.3 水淹高度

某一时间段内，分区水淹水位的高度由水在该区域的累积量来确定，累积量是流入量与流出量的差值，它与该区域的空余面积一起影响水淹水位的高低，即：

H=Qa·T/A=（Q1-Q2）·T/A公式3-3

其中H为水淹水位高度， Q1、Q2、和Qa分别代表流入量、流出量和累积流量，T为时间，A为分区内的空余面积，指分区的面积扣除设备结构等占用面积后所剩余的面积。

3 总结

核岛内部水淹防护，重点防护与核安全相关的系统设备及水淹缓解设备。内部水淹分析主要包括确定水淹源及其水量、分析漫延路径并确定积水最终去向、计算水淹高度并评价水淹后果。计算前，有必要先对此水淹做一个保守的简化分析，确认有充足的水量和足够快的泄漏率使水能够累积到导致始发水淹事件发生或损坏水淹缓解设备，只有这样的水淹才需要作近一步计算。水淹高度的计算过程比较繁琐，推荐通过计算机编程进行。

【参考文献】

[1]ANSI/ANS 56.11-1988，轻水堆隔间淹没效应防护准则.

[2]蒋宝军，刘辉.流体力学，北京：化学工业出版社2015：121-123，177-182.

[3]ANSI/ANS-58.8-1984，核安全相关操作员动作时间响应设计准则

[4]ANSI/ANS 56.10-1982，轻水堆隔间压力与温度瞬态分析

[5]ANSI/ANS 58.2-1988，轻水堆核电站假想管道破损事故防护设计准则.