CN107123447A - 一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置。本装置包括如下组成部分：固定封堵在安全壳顶部的泄压口处的活塞以及封盖在活塞外侧的保护罩，保护罩与安全壳牢固的连接在一起；本装置还包括用于吸收存储当活塞破裂或受压弹出时由所述泄压口喷出的放射性气体的安全气囊；所述安全气囊包覆在所述泄压口的周侧，或者所述安全气囊设置在所述保护罩上。本发明解决了核电厂钢筋混凝土安全壳在发生内部爆炸或是高内压时的压力释放难题，避免安全壳发生整体破坏而可能造成的严重的核泄漏，为核电厂的安全运行提供了可靠的、易拆卸、可更换的泄压装置，可广泛地应用于传统的压水堆核电厂的设计中，具有广阔的市场前景。

Description

一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置

技术领域

本发明本属于核电工程技术领域，具体涉及一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置。

背景技术

核能作为稳定、清洁的能源，近几十年得到了飞速的发展。我国《核电中长期发展规划(2011-2020年)》及《能源发展战略行动计划(2014-2020)》提出，到2020年，核电装机容量达到5800万千瓦。当前我国在建核电机组规模居世界首位，约占世界在建规模的40％以上，是世界上核电发展最快的国家。但是，核电厂的安全运行仍然是核电发展中重点关注的内容，2011年福岛核事故表明，加强核电厂的纵深防御，尤其是极端外部事件的设防要求，通过多层防御，预防和缓解极端外部事件导致的严重事故对保障核电厂的安全至关重要。

核电厂中的安全壳是压水堆最外围的建筑，安全壳是由钢筋混凝土或是预应力钢筋混凝土建造，用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，保护公众免遭放射性物质的伤害，同时抵御外来物的袭击，具有承受内压并不出现裂缝，被誉为核电厂的最后一道防线。安全壳多数都设计成由椭球形或半球形弯顶、圆柱形筒壁和底板组成的形状。2011福岛核事故是由内部爆炸引起的核电厂房破坏，造成核物质泄漏。虽然，目前在建的核电厂的安全性很高，能承受一般的外来物和地震的侵袭。但是，核电厂安全壳内部一旦发生氢气爆炸，安全壳承受爆炸和内部压力突然升高，内部压力无法及时释放导致安全壳开裂破坏，造成放射性物质的泄露，其后果不堪设想。

发明内容

为了克服和避免现有核电厂安全壳发生内部爆炸高压力无法释放的不足，本发明提出一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，本装置能够有效地防止氢气在安全壳内部累积，阻止了氢气浓度过高引起爆燃或爆炸而威胁安全壳的安全事故发生。本发明中的防爆泄压装置原理简单、制作方便、密封性好、安全可靠，有效地提升了核电厂安全壳的抗爆性能，减少放射性物质的泄露。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，本装置包括如下组成部分：

活塞，所述活塞固定封堵在安全壳顶部的泄压口处，且所述活塞为橡胶材质；

保护罩，所述保护罩封盖在所述活塞的外侧，且所述保护罩与所述安全壳牢固的连接在一起；

安全气囊，所述安全气囊用于吸收存储当活塞破裂或受压弹出时由所述泄压口喷出的放射性气体；所述安全气囊包覆在所述泄压口的周侧，或者所述安全气囊设置在所述保护罩上；当所述安全气囊设置在所述保护罩上时，所述保护罩与所述安全壳之间围成封闭的空间，且连接所述保护罩与所述安全气囊之间的通道上设置有切断阀门。

优选的，所述活塞由直径较大的封盖段和直径较小的封堵段构成，所述封堵段插设在所述泄压口处；所述活塞通过锁销结构锁定在所述泄压口处。

优选的，所述锁销结构包括均布在封堵段的周侧的多个插孔，所述插孔的孔轴线沿封堵段的径向延伸设置；所述泄压口处的管身上设置有与所述插孔相适配的通孔；所述锁销结构还包括销轴，所述销轴依次穿过通孔和插孔而将所述活塞紧紧地固定在所述泄压口处；所述销轴的许用剪切应力值小于安全壳的破坏应力值，且销轴的许用剪切应力值大于1.15倍设计内压作用下活塞侧向承受的剪力值。

优选的，所述封堵段上套设有弹性密封圈，所述密封圈的外侧设置有用于增强密封功能的螺纹状的褶皱；所述密封圈上设置有用于供所述销轴穿过的孔。

优选的，所述封堵段的下侧设置有压力传感器，所述压力传感器与外界计算机通信连接。

优选的，所述保护罩为轻质高强铝合金材质，且保护罩上设有用于增强结构强度的框架柱，所述保护罩上设有防火涂层和防腐涂层。

优选的，所述安全气囊上设置有若干加强带，所述加强带沿着环向和竖向布置在安全气囊的表面并形成整体状的加强箍。

优选的，当所述安全气囊设置在所述保护罩上时，所述安全气囊设置在保护罩的外侧，且安全气囊通过管道与所述保护罩的排出口相连接，所述切断阀门设置在所述管道上；所述切断阀门与所述安全气囊之间的连接管段上还设有与抽气设备相连接的排气管，所述排气管上设有排气阀门。

优选的，每一个安全气囊以及与其相连的连接管段、排气管、排气阀门共同构成一个安全泄压单元，所述安全泄压单元设置有多个，且所有安全泄压单元均单独或共同设置在防护结构中。

优选的，本装置还在泄压口处设置有用于分隔活塞和安全壳内腔的防护网，所述防护网包括用于将防护网与安全壳穹顶固定连接的连接孔，还包括横设在泄压口中的网格状的格栅。

本发明的有益效果在于：

1)目前核电厂设防标准要求核电厂可以抵御一般爆炸荷载和飞机撞击的侵袭，但对于核电厂钢筋混凝土安全壳内部发生爆炸的超设计事件未给出具体要求。尽管核电厂安全壳内部一般不发生爆炸，但是，由于人为因素和自然灾害的不可预测和不确定性，核电厂安全壳不能完全保证不发生内部爆炸事件，如福岛核事故。

针对上述问题，本发明设计了一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，本装置为由活塞、销轴、安全气囊、保护罩、密封圈、防护网和压力传感器构成的组合体，具有工作原理简单、安全有效、密封性好、可更换、不泄露放射性物质等优点。本发明解决了核电厂钢筋混凝土安全壳在发生内部爆炸或是高内压时的压力释放难题，避免安全壳发生整体破坏而可能造成的严重的核泄漏，为核电厂的安全运行提供了可靠的、易拆卸、可更换的泄压装置，可广泛地应用于传统的压水堆核电厂的设计中，具有广阔的市场前景。

2)本发明中的安全气囊采用耐候高性能橡胶制成，可以承受一般气体迅速膨胀产生的压力，且与泄压口连接紧密，具有良好的密封性。本发明中的安全气囊可以收集放射性物质，从而有效地避免了发生核泄漏的风险。

3)本发明在活塞封堵段的外部设置耐候高性能橡胶制成的密封圈，这种密封圈可以有效地增强活塞与泄压口的咬合力，从而大大提高了活塞和泄压口的密封性和耐久性。

4)本发明中的活塞通过锁销结构固定在泄压口处，具体的，本装置沿活塞和泄压口的环向均匀的布设有若干个销轴，销轴自外向内依次穿过泄压口的管壁和活塞，从而将活塞牢固的固定在泄压口处。本发明一方面将销轴的许用应力值设计为能够抵抗大于1.15倍设计内压作用下活塞侧向承受的剪力，避免在超设计内压作用下活塞的自动开启，增强了泄压系统的安全性和可靠性，另一方面将销轴的许用剪切应力值设计为小于安全壳的破坏应力值，从而当安全壳内部发生爆炸或是内压突然升高，超出临界压力后，销轴所承受的剪切应力达到许用值后自动断裂，确保活塞能够及时开启，实现防爆泄压功能。

5)本发明在活塞的底部安装有压力传感器，压力传感器通过有线或无线连接到外部的计算机系统，此压力传感器用于监测安全壳内部压力的变化，为整个防爆泄压装置实现预警作用。

6)本发明中的保护罩采用耐久性好的轻质铝合金板制成，保护罩内部无尖角，其表面涂刷防火涂料和防腐涂料，保护安全气囊不受外界环境的侵蚀和腐蚀作用，且可更换。

7)本发明中的安全气囊有两种位置可以选择，其中一个位置是设置为包覆在泄压口的外侧，当然，此时安全气囊也将活塞包覆在其中，则当安全壳内部发生爆炸或是内压突然升高导致活塞开启后，由泄压口喷出的气体则进入安全气囊，收集后留待后置处理；另一个位置设置在保护罩的外侧，此时安全气囊通过连接管道与防护罩连接固定，连接管道上设置有切断阀门，同时连接管道上还与排气管道相连接。

当安全气囊设置在第二种位置处时，此时防护罩主要起过渡作用，即当高压气体由泄压口进入防护罩围成的空腔时，骤然变大的空间起到了缓冲作用，缓冲后的气体经由连接管道进入安全气囊；由于安全气囊设置在防护罩的外侧，因此安全气囊可以布设为多个，而多个安全气囊显然能够容纳更多的喷出气体，从而进一步提升了防爆泄压装置的安全性和可靠性。

切断阀门的设置可以使安全气囊能够方便的封口和转移，为安全气囊的拆除和转运提供了方便。

排气管道的作用则在于，如果不方便移动安全气囊，则可以通过排气管道将安全气囊以及防护罩中的放射性气体排走，进一步提高了本防爆泄压装置的便利性。

附图说明

图1是本发明中核电厂安全壳与防爆泄压装置的整体结构示意图。

图2是本发明中核电厂安全壳与防爆泄压装置的一种结构的局部示意图。

图3、4是本发明中核电厂安全壳与防爆泄压装置的另一种结构的局部示意图。

图5是核电厂安全壳的泄压口结构示意图。

图6、7是活塞的结构示意图。

图8是密封圈的结构示意图。

图9是安全气囊的结构示意图。

图10是保护罩的结构示意图。

图11是防护网的结构示意图。

图12是安全气囊与防护罩的连接结构放大图。

图中的标记含义如下：

10-安全壳 11-泄压口 12-通孔

20-活塞 21-封盖段 22-封堵段 221-插孔

30-安全气囊 31-加强带

40-防护罩 50-销轴 60-压力传感器 70-密封圈 71-孔

80-防护网 81-连接孔 82-格栅

90-计算机

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～4所示，一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，下面对本装置的组成部分进行分别说明：

泄压口11，如图5所示，泄压口11设置在安全壳10的顶部，所述的安全壳10的主体结构由钢筋混凝土制成，安全壳10的内径大小为40m左右，泄压口11的孔洞大小可以为2～3m。所述泄压口11处为销轴50预留的四个通孔12的直径可以为5cm左右，通孔12的设置位置可以在高于安全壳顶部0.5m左右处设置。

活塞20，所述活塞20固定封堵在安全壳10顶部的泄压口11处，且所述活塞20由高强度高韧性的耐性橡胶制成。如图6、7所示，所述活塞20由直径较大的封盖段21和直径较小的封堵段22构成，所述封堵段22插设在所述泄压口11处；所述活塞20通过锁销结构锁定在所述泄压口11处。

如图6、7所示，所述封堵段22的周侧沿环向均匀地布设有四个插孔221，四个插孔221处于同一水平面上，且所述插孔221的孔轴线沿封堵段22的径向延伸设置。先在活塞20的封堵段22上套上密封圈70，然后将所述活塞20通过吊装安装到安全壳10的泄压口11处时，所述活塞20的封堵段22插入泄压口11处，活塞20的封盖段21压盖在泄压口11的上部。使泄压口11上的通孔12与封堵段22上的插孔221彼此对齐，然后将销轴50依次穿过泄压口11上的通孔12、密封圈上的孔和封堵段22上的插孔221而将所述活塞20紧紧地固定在所述泄压口11处。所述插孔221、通孔12以及销轴50共同构成将活塞20固定安装的锁销结构。

所述销轴50材质可以采用高新能塑料，如GPRF等。所述销轴50的直径可以通过核岛厂房安全壳的大小及设计内压的大小调整。销轴50的许用剪切应力值小于安全壳10的破坏应力值，且销轴50的许用剪切应力值大于1.15倍设计内压作用下活塞20侧向承受的剪力值。从而销轴50一方面可以承压一定的内压力而避免在超设计内压作用下自动开启，以有效地增强泄压装置的安全性和可靠性，另一方面当安全壳内部发生爆炸或是内压突然升高而超出临界压力后，销轴所承受的剪切应力达到许用值后自动断裂，确保活塞能够及时开启，实现防爆泄压功能。所述销轴50伸入到活塞内部的长度可以为40cm～50cm。

如图8所示，所述封堵段22上套设有弹性密封圈70，所述密封圈70的外侧设置有用于增强密封功能的螺纹状的褶皱；所述密封圈70由高韧性耐候橡胶制成，其主要作用是密封活塞20和泄压口11之间的缝隙，确保活塞20的密封性和耐久性。

如图1～4所示，所述封堵段22的下侧设置有压力传感器60，所述压力传感器60与外界计算机90通信连接。所述压力传感器60用来随时监测安全壳内部压力的大小，当安全壳10的内部压力达到1.15倍设计内压时在外界计算机90上发出报警，起到预警作用。

如图1～4所示，本装置还在泄压口11处设置有用于分隔活塞20和安全壳10内腔的防护网80，防护网的具体结构如图11所示，所述防护网8包括用于将防护网8与安全壳10穹顶固定连接的连接孔81，还包括横设在泄压口11中的网格状的格栅82。防护网80由高强度的GFRP材料或塑料制成，起到对活塞20的保护作用。

如图1～4、10所示，所述保护罩40封盖在所述活塞20的外侧，且所述保护罩40与所述安全壳10牢固的连接在一起。所述保护罩40由轻质高强的铝合金制成，并设有龙骨框架即框架柱，内部设置软体内膜，呈立方体空间，当安全气囊30设置在保护罩内部时，保护罩40的空间应当可以容纳安全气囊30完全膨胀的体积。所述防护罩40上喷涂防火材料和防腐材料，其角部采用倒角的方式，避免有尖锐的凸起刺穿膨胀的安全气囊30。所述防护罩40用于在各种外部环境(如雨雪，强风天气)下的防护，避免安全气囊30的毁坏，实现对安全气囊30的全天候以及全方位的防护；所述防护罩40还应设立进出的通道以便于对泄压装置的检查，且可以在服役期间进行更换。

如图1～4、9所示，所述安全气囊30用于吸收存储当活塞20破裂或受压弹出时由所述泄压口11喷出的放射性气体；所述安全气囊30包覆在所述泄压口11的周侧，或者所述安全气囊30设置在所述保护罩40上。

如图9所示，所述安全气囊30由高韧性耐候橡胶组成，安全气囊30的囊体上布置有多条加强带31，所述加强带31沿着环向和竖向布置在安全气囊30的表面并形成整体状的加强箍。安全气囊30用于活塞22开启时收集泄漏的放射性物质等。所述安全气囊30与安全壳泄压口11之间的连接处应固定紧密，或者所述安全气囊30与保护罩40之间的连接处应固定紧密，以达到密封的效果。

所述安全气囊30有两种安装位置可以选择，第一个安装位置是设置为包覆在泄压口的外侧。如图1、2所示，当然，此时安全气囊30将活塞22包覆在其中，则当安全壳10内部发生爆炸或是内压突然升高导致活塞20开启后，由泄压口11喷出的气体则进入安全气囊30，收集后留待后置处理。

第二个安装位置是设置在保护罩40的外侧，如图3、4所示，当所述安全气囊30设置在所述保护罩40上时，所述保护罩40与所述安全壳10之间围成封闭的空间，以防止放射性物质的逸出。所述安全气囊30设置在保护罩40的外侧，如图12所示，安全气囊30通过管道与所述保护罩40的排出口相连接，所述切断阀门41设置在所述管道上；所述切断阀门41与所述安全气囊30之间的连接管段32上还设有与抽气设备相连接的排气管33，所述排气管33上设有排气阀门34。所述排气管33与抽气设备相连接。

当安全气囊30设置在所述保护罩40上时，此时防护罩40主要起存储和过渡作用，即当高压气体由泄压口11进入防护罩40围成的空腔时，骤然变大的空间起到了缓冲作用，缓冲后的气体经由连接管道进入安全气囊30；由于安全气囊30设置在防护罩40的外侧，因此安全气囊可以布设为多个，而多个安全气囊30显然能够容纳更多的喷出气体，从而进一步提升了防爆泄压装置的安全性和可靠性。

切断阀门41的设置可以使安全气囊能够方便的封口和转移，为安全气囊的拆除和转运提供了方便。

排气管道33的作用则在于：如果不方便移动安全气囊30，则可以通过排气管道33将安全气囊30以及防护罩40中的放射性气体排走，进一步提高了本防爆泄压装置的便利性。

如图4、12所示，每一个安全气囊30以及与其相连的连接管段32、排气管33、排气阀门34共同构成一个安全泄压单元，所述安全泄压单元设置有多个，且所有安全泄压单元均单独或共同设置在防护结构中，所述防护结构对安全泄压单元同样起到全天候以及全方位的保护作用。

下面结合附图1、2对本发明的具体工作过程做进一步详细描述。

第一步，先将密封圈70套入活塞20的封堵段22上，将压力传感器60安装在封堵段22的下部，压力传感器60通过有线或无线的方式连接到外界的计算机90。通过吊具将连接好的活塞20吊装到位，将活塞20和密封圈70装入泄压口11内，外界施加压力将活塞20的封堵段22完全插入泄压口11内，并调整泄压口11处的通孔12和封堵段22上的插孔221的位置对应，保证活塞20的密封性；四个销轴5插入从四个方向由泄压口11的管壁插入活塞20的封堵段22中，将活塞20安装固定。安装完成后，检查活塞20的气密性，确保气密性完好。

第二步，将安全气囊30吊装到位，包住泄压口11，将安全气囊30边缘和泄压口11的外肩牢固连接，并将安全气囊30的加强带31和泄压口11的耳板连接牢固，保持良好的气密性的同时，保证安全气囊30可以承受内部气体释放带来的冲击压力，实现放射性气体的收集。

第三步，将保护罩40吊装到位并套住安全气囊30，所述保护罩40的下部与混凝土安全壳10的上部连接牢固，可以抵御外部风、雨、雪和一般外来荷载的侵蚀，实现保护安全气囊30的目的。

第四步，待保护罩40安装好后，通过升降机或是吊车将防护网80安装在泄压口11的卡口内，通过螺栓和连接孔81固定，保护活塞20免遭破坏。

第五步，当安全壳内部发生爆炸或是内压突然升高，超出临界压力后，压力传感器60将监测数据传到计算机10，并发生预警。之后，固定活塞20的销轴50的剪切应力达到许用值后自动断裂，活塞20开启，安全壳10的内部高压或放射性气体释放到安全气囊30中，安全气囊30将放射性气体收集在一起，专业人员将收集的放射性气体进行处理，避免了放射性物质的泄露。

Claims (10)

1.一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于，本装置包括如下组成部分：

活塞(20)，所述活塞(20)固定封堵在安全壳(10)顶部的泄压口(11)处，且所述活塞(20)为橡胶材质；

保护罩(40)，所述保护罩(40)封盖在所述活塞(20)的外侧，且所述保护罩(40)与所述安全壳(10)牢固的连接在一起；

安全气囊(30)，所述安全气囊(30)用于吸收存储当活塞(20)破裂或受压弹出时由所述泄压口(11)喷出的放射性气体；所述安全气囊(30)包覆在所述泄压口(11)的周侧，或者所述安全气囊(30)设置在所述保护罩(40)上；当所述安全气囊(30)设置在所述保护罩(40)上时，所述保护罩(40)与所述安全壳(10)之间围成封闭的空间，且连接所述保护罩(40)与所述安全气囊(30)之间的通道上设置有切断阀门(41)。

2.如权利要求1所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述活塞(20)由直径较大的封盖段(21)和直径较小的封堵段(22)构成，所述封堵段(22)插设在所述泄压口(11)处；所述活塞(20)通过锁销结构锁定在所述泄压口(11)处。

3.如权利要求2所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述锁销结构包括均布在封堵段(22)的周侧的多个插孔(221)，所述插孔(221)的孔轴线沿封堵段(22)的径向延伸设置；所述泄压口(11)处的管身上设置有与所述插孔(221)相适配的通孔(12)；所述锁销结构还包括销轴(50)，所述销轴(50)依次穿过通孔(12)和插孔(221)而将所述活塞(20)紧紧地固定在所述泄压口(11)处；所述销轴(50)的许用剪切应力值小于安全壳(10)的破坏应力值，且销轴(50)的许用剪切应力值大于1.15倍设计内压作用下活塞(20)侧向承受的剪力值。

4.如权利要求3所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述封堵段(22)上套设有弹性密封圈(70)，所述密封圈(70)的外侧设置有用于增强密封功能的螺纹状的褶皱；所述密封圈(70)上设置有用于供所述销轴(50)穿过的孔。

5.如权利要求3所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述封堵段(22)的下侧设置有压力传感器(60)，所述压力传感器(60)与外界计算机(90)通信连接。

6.如权利要求1所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述保护罩(40)为轻质高强铝合金材质，且保护罩(40)上设有用于增强结构强度的框架柱，所述保护罩(40)上设有防火涂层和防腐涂层。

7.如权利要求1所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：所述安全气囊(30)上设置有若干加强带(31)，所述加强带(31)沿着环向和竖向布置在安全气囊(30)的表面并形成整体状的加强箍。

8.如权利要求1所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：当所述安全气囊(30)设置在所述保护罩(40)上时，所述安全气囊(30)设置在保护罩(40)的外侧，且安全气囊(30)通过管道与所述保护罩(40)的排出口相连接，所述切断阀门(41)设置在所述管道上；所述切断阀门(41)与所述安全气囊(30)之间的连接管段(32)上还设有与抽气设备相连接的排气管(33)，所述排气管(33)上设有排气阀门(34)。

9.如权利要求8所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：每一个安全气囊(30)以及与其相连的连接管段(32)、排气管(33)、排气阀门(34)共同构成一个安全泄压单元，所述安全泄压单元设置有多个，且所有安全泄压单元均单独或共同设置在防护结构中。

10.如权利要求1～9所述的一种核电厂钢筋混凝土安全壳防爆泄压装置，其特征在于：本装置还在泄压口(11)处设置有用于分隔活塞(20)和安全壳(10)内腔的防护网(80)，所述防护网(8)包括用于将防护网(8)与安全壳(10)穹顶固定连接的连接孔(81)，还包括横设在泄压口(11)中的网格状的格栅(82)。