CN108630326A - 具有非能动导热功能的钢-砼组合结构及核安全壳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有非能动导热功能的钢‑砼组合结构及核安全壳，由内钢壳所在的弧面、外钢壳所在的弧面、上端面、下端面、前端面和后端面构成的六面体，钢‑砼组合结构的组成包括填充砼、内钢壳、外钢壳、填充水柱、球形安全塞，填充砼中布置有填充水柱，填充水柱一端与内钢壳连接、另一端穿出外钢壳，球形安全塞设置在填充水柱穿出外钢壳的端部内，所述钢‑砼组合结构上端面和下端面分别设置有凸起和凹槽，前端面和后端面分别设置有凸起和凹槽，凸起和凹槽壁均设置有通孔。本发明进一步提高核电站在事故工况下的安全储备、通过组合模块的设计实现核电站屏蔽厂房的模块化施工、大大地缩短了屏蔽厂房的施工周期、降低核电站的建设成本。

Description

具有非能动导热功能的钢-砼组合结构及核安全壳

技术领域

本发明涉及一种钢-砼组合结构，特别是一种具有非能动导热功能的钢-砼组合结构以及核安全壳。

背景技术

能源是人类生存和发展的基础，核能作为一种干净的新兴能源，它可以有效地减小传统化石能源供应部门的压力，并有利于减轻传统化石能源对环境的污染。在我国“积极发展核电”的战略方针的支持下，核电产业在我国进入了一个新的快速发展阶段，而核电站的巨大的建设成本是制约其进一步发展的关键因素。

对于核电站来说，其前期建设成本主要来自两个方面，一方面是为了提高核电站安全性所增加的各方面设计；另一方面是核电站建设相比一般建筑结构需要很长的施工工期。因此，造价低廉的安全设施储备设计和模块化的施工技术可以显著降低核电站的设计和建设成本，从而提高核电的竞争力。

填充水柱余热导出功能技术中填充水柱的作用是在安全壳发生事故时，内部温度升高，产生大量热量，通过内钢壳良好的导热性填充水柱可以很好地吸收安全壳中的热量，当温度达到安全塞临界点时，安全塞会自动打开，同时将填充水柱中已经吸收了热量的填充水排出从而达到余热导出的功能。体外预应力技术无论是在设计理论还是材料设备、施工工艺上都已经比较成熟，其应用范围包括混凝土结构、钢结构、木结构、砖石结构等各类结构。将体外预应力技术应用于核安全壳结构，组成阻拦索功能，可以抵御大飞机撞击等外部事故，保护安全壳主体结构。相对于在构件截面内布置钢筋的一般预应力结构而言，体外预应力结构具有预应力损失小，施工操作简化，便于检查受力筋腐蚀状况，便于调整张拉力和更换受力筋等优点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以进一步提高核电站在事故工况下的安全储备、通过组合模块的设计实现核电站屏蔽厂房的模块化施工、大大地缩短了屏蔽厂房的施工周期、降低核电站的建设成本的具有非能动导热功能的钢-砼组合结构及核安全壳。

为解决上述技术问题，本发明一种具有非能动导热功能的钢-砼组合结构，钢-砼组合结构的形状为由内钢壳所在的弧面、外钢壳所在的弧面、上端面、下端面、前端面和后端面构成的六面体，钢-砼组合结构的组成包括填充砼、内钢壳、外钢壳、填充水柱、球形安全塞，填充砼中布置有填充水柱，填充水柱一端与内钢壳连接、另一端穿出外钢壳，球形安全塞设置在填充水柱穿出外钢壳的端部内，钢-砼组合结构上端面和下端面分别设置有凸起和凹槽，前端面和后端面分别设置有凸起和凹槽，凸起和凹槽壁均设置有通孔。

本发明还包括一种由上述具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳，核安全壳由钢-砼组合结构组装而成、包括圆柱形壳体和圆弧形穹顶，每个钢-砼组合结构的上端面凸起和连接的另一钢-砼组合结构的下端面凹槽相适应且连接的两端面形状相适应，每个钢-砼组合结构的前端面凸起和连接的另一钢-砼组合结构的后端面凹槽相适应且连接的两端面形状相适应；螺栓穿过相连的凸起和凹槽壁上设置的通孔，将两个钢-砼组合结构连接在一起，连接缝隙焊有接密封焊接钢板，组成核安全壳的钢-砼组合结构包括两种类型，一种类型为截面为梯形或扇形环状、用于组成安全壳圆弧形穹顶，一种类型为截面为方形、用于组装圆柱形壳体。

作为本发明一种由上述具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳的一种改进，梯形截面为等腰梯形。

作为本发明一种具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳的另一种改进，核安全壳外被十字交叉的预应力筋组成的网状结构包络，网状结构与核安全壳之间设置有钢压杆。

本发明有益效果：本发明提出的具有非能动导热功能的钢-砼组合结构及核安全壳，改变了混凝土筒体屏蔽厂房的结构形式，通过内外钢壳间填充混凝土的钢-砼组合安全壳结构，并采用组合模块设计，组合模块结构通过栓接和焊接进行连接，可以实现模块化施工的功能。

在填充混凝土之间中布置填充水柱和安全塞，在安全壳发生事故时，内部温度升高并产生大量热量，通过内钢壳良好的导热性将内部热量传导至填充水柱，填充水柱可以很好地吸收安全壳中的热量；当温度达到安全塞临界点时，安全塞会自动打开，同时将填充水柱中已经吸收了热量的填充水排出，从而达到非能动余热导出的功能。

改变传统预应力钢筋布置形式，将预应力筋布置在安全壳外部，实现体外预应力技术在安全壳中的应用，体外预应力筋在安全壳外部形成阻拦索，在大飞机撞击等外部事件发生时，可以吸收大部分破坏的能量，可以抵御大飞机撞击等外部事件对安全壳的作用。

本发明实现了非能动导热功能、体外预应力技术和钢-砼组合结构在核电站安全壳结构中的应用。模块化设计缩短了核电站安全壳结构的施工工期。填充水柱的非能动导热功能可以作为事故下的安全储备，提高了安全壳结构的安全性。体外预应力筋组成的阻拦索进一步提高了结构的承载能力和抵御外部事故的安全性。本发明进一步提高了安全壳结构的安全性和经济性，具有很好的应用前景。

本新型安全壳结构舍弃了传统的现浇混凝土核安全壳结构形式，提出采用内外层采用钢板结构，中间填充混凝土的钢-砼组合结构，通过模块式结构组合，可以实现不同规格的安全壳结构。舍弃了传统方法在安全壳结构在内部布置预应力筋的结构形式，提出通过钢压杆、索具和预应力筋等与安全壳外层钢板的预留件连接组成的体外预应力筋布置形式，体外预应力筋形成阻拦索，可以实现体外预应力钢—砼组合核安全壳结构。根据三代+核安全非能动导热需要，扩展了传统安全壳结构功能。在组合结构内设置填充水柱，填充水柱在外钢壳端部布置了安全塞，应用钢结构良好的导热性能和水蒸气余热排放功能，使安全壳具有了余热导热功能。本发明提高了核安全壳的承载力和安全性：应用外置预应力筋阻拦索的功能，可以防止外部撞击事件；应用外钢安全壳和水柱，提高了安全壳余热导出功能；应用模块化工厂式预制，现场安装，提高了安全壳施工速度，节约了造价和工期。

附图说明

图1为整体安全壳结构竖向剖面图

图2为整体安全壳结构横向剖面图(穹顶以下位置)

图3为外预应力筋阻拦索立面图

图4为外预应力筋阻拦索俯视图

图5为安装模块及模块连接节点处详图

图6为钢压杆与预应力筋连接详图

图7为钢-砼组合结构模块示意图

具体实施方式

本发明的具体实施方案是在核岛厂房基础上进行组合模块的安装，单个模块在工厂预制完成，包括内钢壳3、外钢壳4和填充砼2的组合模块浇筑预制，填充水柱6的充注，安全塞7的设置，模块连接节点5连接所需型钢的焊接。各个模块之间通过连接螺栓10进行组装，并安装到基础1上，组装完成后在连接处进行密封焊接钢板11的焊接处理。

组合模块结构安装就位后，在结构的外部进行外预应力筋8的张拉和钢压杆9的安装，形成外预应力筋阻拦索，最终完成了具有非能动导热功能的体外预应力钢-砼组合安全壳结构。组合结构的层数和平面尺寸根据核电站安全壳的设计要求和单个模块的承载能力进行确定。

如图1和图2所示，构成圆柱形壳体部分的单个模块整体为扇形柱状，在工厂浇注时其边界形状需满足相邻模块安装时如图5所示的嵌套设计即上边界呈凸起状，下边界呈凹进状；左边界呈凸起状，右边界呈凹进状。单个模块由内外钢壳和填充混凝土组成，安装外部钢壳和填充混凝土时需要预留填充水柱的孔洞和安装螺栓的孔洞，以便后期组装。

如图7所示，组成核安全壳的钢-砼组合结构模块包括两种类型，一种类型为AA截面为梯形或等腰梯形或扇形环状，用于组成安全壳圆弧形穹顶，一种类型为AA截面为方形，用于组装穹顶以下圆柱形壳体。

浇注混凝土完成后，在填充混凝土之间中布置填充水柱和安全塞，每个模块布置2×2的圆柱形水柱可根据具体实际工程的情况增减水柱数量，水柱内侧与内钢壳直接相连接，外侧穿出外钢壳，在水柱端部设置球形安全塞。

如图5所示为模块之间连接节点示意图，在工厂预制阶段时，模块的边界连接处已经进行嵌套式的设计施工，并且预留螺栓孔。模块之间组装时只需在模块间通过连接螺栓进行紧固，模块组装完成后在模块连接间缝隙处的内外钢壳各增加一道密封焊接钢板的焊接，从而使组装后的整体结构能够保证其密封性。

事故发生时安全壳内部产生大量热量，温度升高，填充水柱通过内钢壳的热传导可以将安全壳内部的热量很好地吸收，从而使安全壳内部温度降低；当水柱的温度达到安全塞的临界点时，安全塞会自动打开，同时将填充水柱中已经吸收了热量的填充水排出，从而达到非能动余热导出的功能。

外预应力阻拦索的实现途径：在将各个模块组装为整体结构时，在其外围搭设脚手架，对预应力筋钢束进行后张法张拉，并将张拉好的预应力筋8在脚手架上分为水平和竖向两个方向分别固定位置。钢压杆9一端与外钢壳5连接，另一端与工字型连接件13连接，均采用焊接连接技术。通过索具12和螺母14将预应力筋8和工字型连接件13连接，详见图6。为防止预应力筋8和钢压杆9发生锈蚀，采用直接挤压PE材料包裹防护，可现场制作或直接购买成品使用。脚手架可随预应力钢筋网罩的施工进度拆除，或待施工结束后统一拆除。建成后的预应力筋阻拦索分为水平、竖向和穹顶三部分，水平方向360°全周长布置，详见图3和图4。

本发明适用于三代+核电站“华龙一号”、CAP1400等新型核电站，也适用于小型堆核电站。满足核电站安全壳结构的特殊要求和安全需要，实现了核电站安全壳结构的模块化施工，同时很大程度地提高了核电站抵御外部事件和内部余热导出的安全性。本发明同时也适用于各类大型储罐、防撞击结构、需要大量水源灭火的结构。

本发明具体实施方式还包括：

具有非能动导热功能的体外预应力核安全壳钢-砼组合结构，包括：基础1、填充砼2、内钢壳3、外钢壳4、模块连接节点5、填充水柱6、安全塞7、体外预应力筋8、钢压杆9。直接在基础上安装组合模块，每一个组合模块均由填充砼2、内钢壳3、外钢壳4、模块连接节点5、填充水柱6、安全塞7组成，各个组合模块通过模块连接节点5组装连接在一起。安全壳结构组装完毕后，安装体外预应力筋8和钢压杆9。

本发明改变传统核电站安全壳的预应力钢筋混凝土结构形式，通过模块化的组装形式进行施工。组装模块在内钢壳3和外钢壳4之间浇筑填充砼2，并在填充砼2中布置填充水柱6；填充水柱6在外钢壳4的端部增加安全塞7，在安全壳发生事故时，安全壳结构内部温度升高，通过内钢壳3良好的导热性，填充水柱6会吸收安全壳中的热量。当温度达到临界点时，安全塞7会自动打开，同时将填充水柱6中已经吸收了热量的填充水水蒸气排出，从而达到导热的功能，进一步提高了核电站事故工况下的安全保障。

安全壳结构通过多个模块组装而成。模块连接节点5处主要由组装螺栓10和密封焊接钢板11组成，组装模块间先通过组装螺栓10连接在一起后，然后在组装模块之间缝隙焊接密封焊接钢板11，可以达到在连接处密封的效果。本发明的新型结构通过模块组装完成后在结构外部施加外预应力筋8，并与钢压杆9的组合形成了外置预应力筋的阻拦索，可以防止外部撞击事件，进一步提高结构承载力和安全性。可以根据安全壳结构的设计要求，更改组装模块的数量和尺寸来更改安全壳结构的尺寸。

Claims (4)

1.一种具有非能动导热功能的钢-砼组合结构，其特征在于：所述钢-砼组合结构的形状为由内钢壳所在的弧面、外钢壳所在的弧面、上端面、下端面、前端面和后端面构成的六面体，钢-砼组合结构的组成包括填充砼、内钢壳、外钢壳、填充水柱、球形安全塞，填充砼中布置有填充水柱，填充水柱一端与内钢壳连接、另一端穿出外钢壳，球形安全塞设置在填充水柱穿出外钢壳的端部内，所述钢-砼组合结构上端面和下端面分别设置有凸起和凹槽，前端面和后端面分别设置有凸起和凹槽，凸起和凹槽壁均设置有通孔。

2.一种由权利要求1所述的具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳，其特征在于：核安全壳由钢-砼组合结构组装而成、包括圆柱形壳体和圆弧形穹顶，每个钢-砼组合结构的上端面凸起和连接的另一钢-砼组合结构的下端面凹槽相适应且连接的两端面形状相适应，每个钢-砼组合结构的前端面凸起和连接的另一钢-砼组合结构的后端面凹槽相适应且连接的两端面形状相适应；螺栓穿过相连的凸起和凹槽壁上设置的通孔，将两个钢-砼组合结构连接在一起，连接缝隙焊有接密封焊接钢板，组成核安全壳的钢-砼组合结构包括两种类型，一种类型为截面为梯形或扇形环状、用于组成安全壳圆弧形穹顶，一种类型为截面为方形、用于组装圆柱形壳体。

3.根据权利要求2所述的一种由权利要求1所述的具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳，其特征在于：所述梯形为等腰梯形。

4.根据权利要求2或3所述的一种由权利要求1的具有非能动导热功能的钢-砼组合结构组成的核安全壳，其特征在于：核安全壳外被十字交叉的预应力筋组成的网状结构包络，网状结构与核安全壳之间设置有钢压杆。