核電廠用大型屏蔽門設計與應用

卞向南

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

核電廠的核島廠房內設備密集，房間眾多，較多數量的設備及管道由于存在輻射劑量較高的特性，需要對廠房內部進行劃分，設立不同的輻射分區，以保證人員活動區域處于低劑量狀態[1]。為滿足屏蔽及其它功能的要求，輻射分區分界的墻體和門扇需要進行特殊設計。本文以在建的三代核電廠(CAP系列)需求的大型屏蔽門為例，介紹核電廠用屏蔽門的功能需求及設計過程。

1 背景

核島廠房內部分房間需要通行大型設備或車輛，導致門洞尺寸較大。以某典型屏蔽門為例：(1)門洞尺寸約為4877mm×5791mm(寬X高)，屏蔽門須能夠覆蓋整個門洞；(2)門扇須滿足抗震要求，保證地震工況下，門扇不傾覆；(3)門扇須具有滿足A3.0的防火功能；(4)由于屏蔽門位于核島廠房與外部分界處，須滿足龍卷風飛射物防護設計準則的要求。

2 方案設計

核島廠房外壁墻體較厚，約為762mm,屏蔽門有安裝在門洞內(門比洞口小)和安裝在門洞外(門比洞口大)兩種方案。根據以往工程經驗，"門洞內"方案的優劣點對比如下：

(1) “門洞內”方案安裝后，門的外表面與墻體齊平，整齊美觀，但由于門體較大，導致洞內空間不足，施工時容易磕碰，門體調整較為苦難。

(2)屏蔽門需要對門洞進行整體屏蔽，因此屏蔽門的生根埋件設計成長條形結構，門框與預埋件整體焊接，保證門框與埋件之間無縫隙，以滿足屏蔽要求(無可供射線貫穿的間隙)。但廠房施工時保證精度較為困難，會造成預埋板部分變形，導致門框與埋板不能完成吻合，焊接后部分連接部位達不到屏蔽厚度的要求。

(3)門扇的鉸鏈軸是影響門扇使用壽命的關鍵因素，當門扇長期關閉時，如鉸鏈軸發生形變，門扇將卡死，無法移動，此時難以拆卸門扇與門框之間的合頁式鉸鏈，增加了維修的困難度。

綜合考慮后采取了“門洞外”的設計方案，如圖1所示。屏蔽門的主體由鉸鏈、門板、鎖緊組件、啟閉組件、電機、立式門框等組成[2]。門扇的尺寸大于門洞尺寸，使得門洞的左、右、上三遍與門板形成搭接，避免了與門洞平行方向的貫穿縫隙存在，提升了屏蔽性能。門洞上方只有電機和上擋板，當門的鉸鏈軸損壞需要進行更換時，可拆除上方擋板和電機，并在其上焊接鋼梁與吊耳，利用手拉葫蘆[3]將門板吊起，卸去鉸鏈的受力，方便拆除鉸鏈，更換鉸鏈軸。

圖1 屏蔽門結構示意圖

2.1 材料選擇

屏蔽門的核心功能是屏蔽功能，鉛的優點是防護性較好，所占空間小，用鉛做門板的主體材料使得門扇厚度較小，但其機械性能差，不易加工，且價格昂貴。混凝土價格低但防護性能差，占用空間大，邊角易損壞。鋼材強度較高，不易變形。如門體采用鋼為骨架焊成箱式結構，內部灌鉛，其屏蔽性能較佳，但灌鉛過程困難，難以保證質量且成本很高，故本設計采用了較為經濟且能滿足屏蔽要求的150mm厚度的Q235B鋼板作為門扇的主體。

屏蔽門需滿足A3.0的防火要求，鋼板可以起到耐火作用，但由于鋼材的導熱性，無法達到隔熱的性能，故門扇上需另外安裝防火材料。防火芯板是門扇防火的關鍵部件，其質量好壞直接決定門扇的防火性能。芯板的強度和容重成正比，強度越高容重越大，經常開啟運動的屏蔽防火門是一個復合結構，強度靠金屬框架和屏蔽鋼板及金屬外殼完成，重量較大，不能片面地為追求門芯板的強度而提高密度指標，應發揮其輕質、防火的優勢。質量越輕，保溫、隔熱的性能越高，越有利于減輕門的整體重量。

本屏蔽門選用了膨脹珍珠巖為防火芯板材料，膨脹珍珠巖是天然珍珠礦砂，經過1300℃以上的高溫瞬間膨脹而成的結構中空蜂窩狀顆粒球形體，具有①環保、天然、無污染；②防火(A級標準，不燃)，不易老化，耐腐蝕；③質輕、隔熱、保溫④施工方便、可切割、刨鋸等特點。

2.2 門扇結構設計

結合門扇的屏蔽和防火兩種功能，門扇的結構設計如圖2所示。門扇共五層結構。中間為150mm厚Q235B屏蔽鋼板層，鋼板層兩側分別有50mm厚的珍珠巖防火層，門扇的最外面為2mm厚Q235B表面鋼板層，表面層有保護防火層板材和平整門面的作用。

圖2 門扇結構圖

珍珠巖芯板通常為小塊樣式(500mm×600mm)，需要將多塊防火板和鋼板粘在一起。由于珍珠巖芯板強度低，粘結強度更低，而門扇尺寸較大(單扇門扇尺寸為4378mm×2519mm)，直接用防火芯板將門扇框架填滿，容易造成，防火板之間相互擠壓、開裂，故將門扇空間使用2mm鋼板隔成多個空間，分別填充防火板，提高防火層的穩定性。

2.3 縫隙防火處理

門扇關閉時，雙開門的兩個門扇之間及門扇與門框之間都有縫隙，著火時，火焰和煙霧易通過縫隙蔓延到非著火面，因此在門扇的四個側面都進行開槽處理，填入防火密封條，如圖3所示。防火密封條在受火時，阻燃芯材能膨脹發泡，發泡后，門扇四周的防火密封條能夠堵住門扇與門框、埋板之間的縫隙，起著很好的防火隔熱效果和防火密封作用。

圖3 門扇開槽處理及密封條示意圖

2.4 鉸鏈設計

屏蔽門扇與門框之間使用鉸鏈連接，常見的門扇單邊的上鉸鏈與下鉸鏈相同，多數為三頁鉸鏈，上下兩頁固定在門框上，中間頁固定在門扇上。考慮到大型屏蔽門的重量較重，單扇門扇的質量達13000kg，理想條件下整個門扇的重量均勻分布在兩個鉸鏈上，但是這對安裝的精度要求太高，通常情況下無法達到理想條件，故在設計時考慮讓下鉸鏈承擔門扇的全部重量，因此下鉸鏈采用三頁鉸鏈設計，上鉸鏈采用兩頁鉸鏈設計(如圖4所示)，上鉸鏈不承擔門扇的重力，只起到對門扇產生側面拉力的作用。同時由于屏蔽防火門的尺寸較大，在上下鉸鏈中間增設一個與上鉸鏈相同的中間鉸鏈，其有以下幾點作用:

(1)上鉸鏈軸由于受到門扇的水平拉力，其剪切應力較大，最易磨損，增加中間鉸鏈可以分擔上鉸鏈所受拉力，增加上鉸鏈軸的壽命。

(2)_門扇高度較大，上下兩個鉸鏈之間的跨度達到2.8米，增加中間鉸鏈可以減小門扇懸掛在門框時門體產生的變形量。

(3)當上部鉸鏈軸磨損需更換時，中間鉸鏈可以頂替上部鉸鏈的功能，拉住門扇，方便更換檢修。

圖4 鉸鏈結構示意圖

3 防火功能驗證

由于門扇較大，國內暫無標準試驗爐能夠對門體進行火燒試驗，屏蔽門采取在制造廠自建火燒爐、聘請第三方檢測機構進行見證的形式進行防火試驗，如圖5所示。

圖5 190min火燒試驗后背火面(左)、

根據GB/T7633-2008《門和卷簾的耐火試驗方法》進行鑒定，在190min內，時間背火面未見火焰，未點燃棉墊，未出現可見縫隙，試件未失去耐火完整性；試件背火面平均溫升59℃，試件未失去耐火隔熱性[4]。

4 結語

該屏蔽門從功能需求出發進行了材料選型和結構設計，并通過了功能驗證，具有較高的可實施性。三代核電廠每個機組的核島廠房對大型屏蔽門的需求數量較多，本文所設計的屏蔽門市場前景廣闊，且成本較低，具有較強的經濟性。