防火屏障有效性分析方法研究

李肇華，宋 磊，李 琳，顏 珍

防火屏障有效性分析方法研究

李肇華，宋 磊，李 琳，顏 珍

（上海核工程研究設計院，上海200233）

該論文的目的是對當前的各類核電廠防火屏障有效性分析方法進行對比研究，為工程實踐提供參考。文中對用于評估核電廠防火屏障耐火能力的等效火災持續時間評估法（包括等效面積法、等效溫度法）以及計算機模擬法分別進行了闡述，并利用這些方法對核電廠中兩種比較典型的防火隔間（液壓機組間和電氣設備間）的防火屏障耐火能力進行了評估，通過比較各種方法的分析結果，對這些方法的優缺點及其在工程應用中的適用范圍進行了評估，指出了在評估防火屏障有效性時應結合具體的情況，選取合適的方法開展評估，在實際工程應用中建議優先采用等效面積法對耐火極限進行估算，與此同時，還應盡可能地應用計算機模擬法，進行更現實的估算或進一步了解特定隔間的火災特性，后續還應從法規、標準、規范以及方法等方面進一步完善數值評估法，推動數值評估法在國內核電廠防火設計中的使用。

防火屏障；等效火災持續時間；等效面積，等效溫度；計算機模擬

核電廠被防火屏障劃分成不同的防火區，根據核動力廠設計安全規定（HAF 102）［1］，必須對核電廠進行火災危害性分析，以確定所需的防火屏障耐火能力。目前普遍采用評估等效火災持續時間（Equivalent Fire Duration）的方法，該方法又可分為基于等效面積與基于等效溫度的兩種計算方法，此外，采用基于計算機模擬進行評估的方式也在逐漸興起。本文對這些方法進行了研究并結合具體實例對這些方法在工程中的應用進行了探討。

1 分析方法簡述

1.1 關于耐火極限與標準溫度—時間曲線的說明

耐火極限與標準溫度—時間曲線是等效火災持續時間評估法的基礎。耐火極限是指“建筑結構構件、部件或構筑物在規定的時間范圍內在標準耐火試驗條件下承受所要求荷載、保持完整性和（或）熱絕緣和（或）所規定的其他預計功能的能力［2］”。在設計時，通常使用標準耐火試驗來驗證相應構件的耐火極限是否達到設計要求。標準耐火試驗是按照一定的試驗要求，將建筑構件、部件或構筑物放入試驗爐中加熱，爐內的溫度隨時間按照標準溫度—時間曲線變化，如圖1所示。如果測試件在一段時間內能持續滿足設計要求，則認為測試件具備相應時間的耐火極限。我國標準耐火試驗是按照GB／T 9978—2008［3］進行的，該標準是在ISO 834—1999（E）［4］（下文簡稱ISO 834）的基礎上制定發布的。在法國，標準耐火試驗也是基于ISO 834進行的。而在美國，標準耐火試驗則是按照ASTM E119-12a［5］（下文簡稱ASTM 119）進行。

ISO 834和ASTM 119所依據的標準溫

圖1 常用的標準溫度—時間曲線Fig．1 Normally used standard temperature-time curve

度—時間曲線有一定差異，從圖1可以看出，ISO 834溫度—時間曲線和ASTM 119溫度—時間曲線在試驗開始30 min之后有一定的差別。ISO試驗的溫度比ASTM高。這種差別是由于溫度測量方式的不同而產生的。在ASTM試驗中，測量試驗爐溫度的熱電偶是包裹在保護管中的，而在ISO試驗中，熱電偶是裸露的，因此在同樣的溫度環境中，ISO測量的溫度會比ASTM高一些。詳細的驗證試驗和分析過程見參考文獻［6］。

1.2 基于等效面積的計算方法

1922年美國標準署的Ingberg［7］等人在一系列火災事件調研和火災試驗的基礎上，首先提出了等效面積計算方法的概念：如果隔間內實際火災溫度—時間曲線下的面積和標準溫度—時間曲線下的某個時間的面積相等，則此時間即為等效火災持續時間。如圖2所示，如果A 2的面積等于A 1的面積，則實際火災的等效持續時間是te。她同時指出火災的持續時間主要由隔間內單位面積內可燃物質量決定。Ingberg給出了等效火災持續時間和單位面積內可燃物質量的關系式，如式（1）所示。

圖2 等效面積法示意圖Fig．2 Equal area method sketch map

式中：te——等效火災持續時間，min；

L——單位面積內可燃物質量，kg／m2；

k——線性系數，min·m2／kg。

式（1）只適用于普通可燃物（即木材），未考慮火災嚴重等級（Fire Severity）對等效火災持續時間的影響。NFPA（National Fire Protection Association）出版的防火手冊（Fire Protection Handbook）第16版［8］中指出不同種類的可燃物引起火災的嚴重等級不同，其溫度—時間曲線存在差別。為了區分不同可燃物對等效火災持續時間的影響，將可燃物按照燃燒時的時間-溫度曲線分成以下五類：

·A類可燃物，可引起輕度火災，在核電廠火災危害性分析中一般較少考慮

·B類可燃物，可引起中等火災，在核電廠火災危害性分析中，少量廢紙、木制品導致的火災為該類代表

·C類可燃物，可引起中等偏嚴重的火災，在核電廠火災危害性分析中，電纜火災為該類代表

·D類可燃物，可引起嚴重的火災，在核電廠火災危害性分析中，大量塑料、橡膠導致的火災為該類代表

·E類可燃物，可引起最嚴重的火災（等同于標準火災），在核電廠火災危害性分析中，典型的如可燃液體導致的火災

在實際應用中基于可燃物類型、數量、布置情況結合工程經驗綜合確定火災嚴重性。

上述五類可燃物引起的火災的溫度—時間曲線如圖3所示［8］，從圖中可以看出，A類可燃物燃燒的溫度上升最慢，E類上升的最快。所以，要燃燒釋放出相同的熱量，則A類可燃物需要的燃燒時間最長，E類最短。而燃燒相同的時間，A類可燃物的等效面積最小，E類最大。

圖3 不同類別可燃物的溫度—時間曲線及燃燒時間Fig．3 Temperature-time curves and combustion duration of different combustible material

同時，圖3給出了各類可燃物的燃燒時間與單位面積內可燃物質量的線性關系，可用式（2）表示。需要指出的是單位面積內可燃物質量是針對普通可燃物的（即木材，8 000 btu／lb），其他可燃物則需要根據釋放的熱量進行換算。

式（2）中：Td——可燃物燃燒時間，min；

L——單位面積內可燃物質量，psf（lb／ft2）；

k——線性系數，與可燃物分類有關，min／psf，取值如表1所示。

表1 燃燒時間與單位面積內可燃物質量的線性系數Table1 linear coefficient of combustion duration and combustible material per square area

可燃物燃燒時間Td不是等效火災持續時間，還需要通過等效面積計算得到等效火災持續時間。

在實際計算中，因為大多數可燃物都不是普通可燃物，為了降低計算量，統一使用單位面積內的可燃物完全燃燒釋放的熱量（即火災荷載密度，簡寫為L′）作為計算輸入。因為1 lb的木材完全燃燒釋放的熱量是8 000 btu，因此火災荷載密度（MJ／m2）與單位面積內可燃物質量（lb／ft2）之間換算關系如式（3）所示。

此時，表1可換算成表2。

表2 燃燒時間與火災荷載密度的線性系數Table 2 linear coefficient of combustionduration and fire loading

式（3）則轉換成式（4）。

式中：Td——可燃物燃燒時間，min；

L′——火災荷載密度，MJ／m2；

k′——線性系數，min·m2／MJ。

如圖3所示，可燃物的溫度—時間變化曲線是不規則的，不方便直接用于工程計算。在工程應用中，為了便于使用，可將各類可燃物在不同時間的等效面積計算出來，并計算出各類可燃物相應的燃燒時間，列成表格，直接查表就可以方便地得到等效火災持續時間。

法國法瑪通公司在M310核電廠的《核動力廠設計和建造規范》中也采用類似的等效面積法［9］，并歸納給出了等效時間和火災荷載密度的關系曲線，如圖4所示。與美國NFPA所使用的方法不同，法國所使用的方法不區分可燃物的類型，通過查圖表可以直接得到等效火災持續時間。

圖4 等效時間和火災荷載密度的關系Fig．4 Relation between equalduration and combustion loading

Ingberg的方法適用的情況很少，NFPA修訂之后的方法可應用于多種情況。法國的方法和NFPA的方法基本一致，只是確定火災荷載密度和等效持續時間的量化關系不一致。

等效火災持續時間計算方法是最先提出來用于評價防火區邊界有效性的方法，它只考慮單位面積內可燃物質量或者火災荷載密度和火災持續時間的關系，給出了簡單可行的經驗公式和操作流程，并經過火災試驗，具有一定保守性，因此該方法從提出之日開始得到了廣泛的使用。但該類方法沒有考慮可燃物具體的燃燒過程，不考慮通風情況、可燃物布局情況以及溫度和熱通量的變化情況。

1.3 基于等效溫度的計算方法

該方法是20世紀70年代由Law［10］等人最先提出的，將假想火災的溫度時間曲線和標準溫度時間曲線的溫度相比較，如果防火屏障達到相同的溫度，則把標準溫度時間曲線對應的時間作為假想火災的等效持續時間，如式（5）所示。該方法考慮火災荷載密度、通風、可燃物分布方式、可燃物幾何結構等多種因素對火災持續時間的影響；之后，Pettersson等人［11］在Law的基礎上提出了等效時間計算方法，如式（6）所示；歐洲和英國基于等效溫度方法制訂了國家標準［12］，其中使用的等效持續時間如式（7）～式（9）所示，其中式（8）適用于有通風口的房間且只有當w的計算結果大于0．5時才有效，式（9）適用于無通風口的房間。

式中：te——等效火災持續時間，min；

Af——隔間地板面積，m2；

L——可燃物質量（與木材相比），kg；

Av——通風口面積，m2；

k1——1．3～1．5，根據可燃物之間的距離確定；

At——隔間內部表面總散熱面積，m2；

h——垂直通風口的高度，m；

k2——表示隔間內表面的散熱特性，與Pettersson“標準”隔間（k2＝1）的散熱特性相比進行判斷取值。

Av1——垂直通風口的面積，m2；

Ah——水平通風口的面積，m2；

Q——火災荷載密度，MJ／m2；

kb——轉換因子，和傳熱特性有關，一般取0．07，min·m2／MJ；

H——隔間高度，m；

av——Av／Af；

bv——1．25（1＋av－a2v）；

ah——Ah／Af；

w——通風效應因子；

O——Avh1／2／At；

kc——材料結構因子，鋼筋混凝土和有防護的混凝土取1，無保護的鋼板取13．7×O；

等效溫度方法考慮通風、可燃物布局和具體的燃燒過程對防火屏障的影響，理論上，這是一種更為貼近實際的計算方法。

1.4 基于計算機模擬的計算方法

根據EJ／T 1217［13］，采用計算機模擬（即火災數值模擬）是確定火災效應的一種重要手段，但國內核電領域應用得還比較少?；馂挠嬎銠C模擬是指基于能量守恒、動量守恒和質量守恒等原理將火災現象簡化為數學模型，結合實際火災試驗所得的半經驗公式，利用計算機程序對各類火災情景進行模擬，預測在該火災情景下各個參數的變化?；馂臄抵的Ｐ痛笾驴煞譃閰^域模擬和場模擬兩類。

在國內核電領域尚未有關于火災模擬的詳細指導性文件。但是，美國核管會（NRC）聯合美國電力研究院（EPRI）聯合發布了關于核電廠火災計算機模擬的一系列文獻如NUREG-1824［14］，這些文獻不同程度地給出了火災建模的描述及部分實例；除此之外，NUREG-1934［15］給出了核電廠火災建模的分析流程，NUREG／CR-7010［16］則針對電纜橋架的火災現象進行深入探討。

為了能有效應對NFPA 805［17］中關于火災模型的規定，美國核管會（NRC）與美國電力研究院（EPRI）在2006年出版了NUREG-1824［14］——核電廠應用火災模型的校核和驗證。NUREG-1824遵循美國實驗和材料協會（ASTM）提出的方法論，對包括FDTS、FIVERev1、CFAST［18］、MAGIC和FDS在內的5個核電廠常用的火災建模軟件進行了校核和驗證，并且在結果中給出了各個火災模型的預測準確性范圍，其中FDTS和FIVE-Rev1屬于工程計算軟件，MAGIC和CFAST采用雙區模型進行預測，FDS則采用場模型進行預測，這三類模型都可用于火災建模。

在本文后續的案例分析中將采用CFAST進行計算。CFAST模型［18］全稱為“Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport”，是由美國NIST（National Institute of Standards and Technology）開發的區域式計算多隔間火災與煙氣蔓延的程序。CFAST可用于預測用戶設定火源條件下建筑內的火災環境，用戶需要輸入建筑內多個房間的幾何尺寸和連接各房間的門窗等開口情況、壁面結構的熱物性參數、火源的熱釋放速率或質量燃燒速率以及燃燒產物的生成速率。該模型可以預測各個房間內上部煙氣層和下部空氣層的溫度、煙氣層界面位置以及代表性氣體濃度隨時間的變化情況，同時可以計算房間壁面的溫度、通過壁面的傳熱以及通過開口的質量流率，CFAST還能處理存在機械通風和多個火源的情況。

2 案例分析

2.1 分析概述

在本節中針對核電廠中常見的兩類隔間，利用上述方法分進行防火屏障有效性評估：

例1：某核動力廠BOP廠房的液壓機組間，其長3 m，寬2．5 m，高5 m，門寬1．5 m，高2．1 m。天花板為鋼筋混凝土，厚度為0．2 m，耐火極限是90 min，四周鋼筋混凝土墻壁墻厚約為0．4 m，設計耐火極限是180 min。主要可燃物是700 L的潤滑油，燃燒熱值是4．21E＋7 J／L，E類可燃物。屬于可燃物相對集中（空間較?。┑姆阑鸶糸g，其示意圖如圖5所示。

圖5 液壓機組間示意圖Fig．5 Hydraulic machine compartment sketch map

例2：某核動力廠核島電氣設備間，其長20 m，寬15 m，高5．4 m，兩扇小門寬0．9 m，高2．1 m，一扇大門寬1．8 m，高2．1 m。鋼筋混凝土墻厚度約為0．6 m，整體設計耐火極限都為180 min，天花板無通風口。主要可燃物是電纜的絕緣層，約10 000 kg，燃燒熱值是2．37E＋7J／kg，C類可燃物。屬于核電廠中比較典型的防火隔間，其示意圖如圖6所示。

圖6 電氣設備間示意圖Fig．6 Electric equipment room sketch map

2.2 分析考慮

分析中的考慮如下所示：

·電氣設備間設置了三扇門，在分析開門工況時，僅考慮圖6所示的情況（僅一扇門開啟）。

·關于門縫通風，若考慮門縫通風，假設門縫的間隙為3 cm。

·液壓機組間的收集漏油的貯油槽，面積約1 m2。

·對于電氣設備間，按兩列，每列3層電纜橋架進行模擬，假設6個電纜橋架同時起火燃燒。

·采用CFAST進行火災計算機模擬（版本為6．0．10．61027），電纜橋架與油池火災的熱釋放率按照SFPE消防工程手冊［19］的第3～16頁和3～25頁的內容估算，模擬時長4 200 s。

·對于等效面積法和等效溫度法，將隔間各防火屏障的最低耐火極限作為驗收準則，通過所計算的火災等效持續時間與其比較進行判斷。

·以防火屏障的最低耐火極限90 min作為計算結果的驗收準則。

對于計算機模擬法，取溫度作為驗收參數，對此，在目前的各類規范中除了暴露的結構鋼在ASTM E119［5］中給出了具體的破壞溫度（538℃）以外，對于其他類型的防火屏障并未給出具體的破壞溫度，考慮到兩個示例中的防火屏障至少都有90 min的耐火極限，結合圖1，將破壞溫度定為800℃，通過計算隔間的峰值熱氣層溫度與破壞溫度比較進行判斷。

2.3 計算結果

各種方法的計算結果表3所示。

表3 等效火災持續時間計算結果Table3 Equal fire duration calculation results

3 總結與建議

從評估結果看：

·當采用等效面積法評估時，液壓機組間未能滿足驗收準則的要求。

·當采用等效溫度法評估時，所有隔間都不能滿足驗收準則的要求，在關門的工況中的計算結果更是遠遠超出了限值，明顯過于保守。

·當采用計算機模擬法評估時，所有隔間都能滿足驗收準則。

將上述評價結果與實際的工程經驗相結合，一般認為這兩個隔間的防火屏障的性能已足以滿足要求（盡管采用等效面積法評估時，液壓機組間未能滿足驗收準則，但從工程經驗判斷，CFAST的分析結果更接近于實際情況，而且，一般而言防火屏障在設計時會留有相當的設計裕度，例如，參考GB 50016［20］，對于厚度為0．2 m的鋼筋混凝土墻，其實際耐火極限大于210 min）；盡管采用等效溫度法評估的結果過于保守，但其在評估液壓機組間開門工況時，評估結果比等效面積法更接近于現實情況，仍然有可取之處。

從分析方法看：

·等效面積法，簡單易行，適用范圍廣，一般而言，分析結果相對保守，但防火隔間的一些特性不能得到很好地體現，分析結果在現實性方面有所欠缺。

·等效溫度法，考慮了防火隔間的通風情況，盡管在應用時沒有指定適用范圍，但從分析結果可以看出，其分析更適用于一般的民用建筑，在分析大流量自然通風的防火隔間工況時，分析結果接近于現實情況；但不適用于相對密閉的環境，分析結果會出現嚴重的偏差。

·計算機模擬法，能夠對防火隔間的特性進行比較充分的考慮，分析結果更接近于現實情況，但是建模比較繁雜，所需的輸入參數較多，在工程應用中需要耗費相比前面兩種方法大得多的工作量。

綜合上述的分析，建議如下：

·在評估防火屏障有效性時，分析方法的不同，可能會帶來不同的分析結果，且分析結果的離散程度較高，存在較大的不確定性，在工程應用中，應結合具體的情況，選取合適的方法開展評估，以獲得更為現實的結果。

·核電廠的防火隔間一般都具有完整的防火屏障，當火災來臨時，隔間在短時間內將進入密閉隔離的狀態，再考慮到應用的便利性，在評估核電廠防火屏障有效性時，優先采用等效面積法對耐火極限進行估算（這也是國內業界目前的通用做法），與此同時，還應盡可能地應用計算機模擬法，進行更現實的估算或進一步了解特定隔間的火災特性，為后續的防火設計優化或火災風險評估奠定更加堅實的基礎。

·從法規、標準、規范以及方法等方面進一步完善數值評估法，推動計算機模擬評估法在國內核電防火設計中的使用，使得核電的防火設計能夠更加現實，這將在確保核電防火安全性的同時，有利于核電廠建造、運營等成本的控制。

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Study on the Analysis Method for Validity of Fire Barrier

Li Zhao-hua，Song Lei，Li Lin，Yan Zhen

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai，200233，China）

The analysis aims to research and compare different analysis methods for validity of fire barrier in nuclear power plants to provide reference for engineering application．The analysis method for validity of fire barrier in nuclear power plants is discussed including equivalent fire duration method（i．e．equal area method and equal temperature method）and computer simulation method．The fire barriers of two fire compartments（hydraulic machine compartment and electric equipment room）are analyzed by these methods．The advantages，disadvantages and scope of engineering application of these methods have been assessed according to the compare of the different evaluation results．The paper points out that the analysis method of validity of fire barrier in nuclear power plant should be selected according to practical conditions．It suggests that the preferred method is equal area method in the actual engineering designand at the same time，the computer simulation method should also be applied as far as possible to achieve more practical results or more detail fire protection features of the compartment．In the future，the computer simulation method should be improved in the aspects of code，standard，guideline and methodology to push forward the application of the method in fire protection design for nuclear power plant．

Fire barrier；Equivalent fire duration；Equal area；Equal temperature；Computer simulation

TL48

A

0258-0918（2016）01-0088-09

2015-11-27

李肇華（1979—），男，廣東羅定人，高級工程師，碩士，現從事核工程方向研究