核电厂的地震隔离装置和海啸防护装置及其制造方法

核电厂的地震隔离装置和海啸防护装置及其制造方法

技术领域

本专利属于核能安全领域。核电站的安全非常重要，它直接影响着国民经济的发展和人 心的稳定。本专利涉及到地震隔离装置(两个方案)的设计及制造、海啸防护装置的设计及 制造和专利实施方案。

背景技术

日本福岛核电站在9级特大地震中被严重破坏，接着又遭到海啸袭击，造成严重核泄漏， 酝成巨大经济损失和人心恐慌，一时，世界各大国纷纷对核电提出质疑，我国也暂停了核电 站的建设进程。核电是一种清洁、高效、安全的绿能源，这是肯定的，地震、海啸所以对 核电站造成破坏酝成严重后果，是因为防护不当、措施不利，是外因，并非核电自身存在问 题，在能源日趋匮乏的今天，积极地面对，是唯一选择。

发明内容

核能发电设施及其辅助设施(以下简称核电厂)是核电站的防护重点，本专利设计的地 震隔离装置和海啸防护装置立足于能够防止8级以上，震中烈度11度以上的特大地震和海啸 及其它次生灾害对核电厂造成破坏而设计的。

1.地震隔离装置的概述：

地震的破坏应力产生于地心，传至于地基，在地基和建在地基上的建筑物之间产生“剪 切力”，因此，建筑物在地震中被破坏的程度取决于剪切力的大小。在地基和建筑物之间安装 一系列装置，使剪切力及其它破坏应力消耗于其中，建筑物则免遭破坏，这就是我们要追求 的“隔离装置”。

地震波的传播，大多沿水平方向发生水平变形，也沿竖直方向发生弹性变形。因为地震 波的振动周期随时出现突变，振幅忽大忽小，加速度也具有非常突然的突发性，使人类束手 无策，防不胜防。近些年已经有用“叠层橡胶支座”作为地震隔离装置安装在地基和建筑物 之间的先例，对减小剪切力，减轻建筑物损坏是很有效的，但是，其弹性变形功能和弹性恢 复功能相对较差，尚不足于防御更大级别的地震和次生灾害的破坏，而且，震级不太大的地 震就可能对其造成层间龟裂。我们无法知道未来要发生的地震是多大级别，因此，建筑物的 抗震标准定位于8级未必能“无忧”，特别是对核电站及其它与核产品相关的机构，必须保证 在毁灭性特大地震中的安全，这就要求隔离装置不仅必须具备很强的载荷能力，还必须应对 随时可能发生的最大幅度、最复杂的水平变形和弹性变形，并留有充分余地。

2.隔离装置的设计：

(1)设计方案：

方案一：隔离装置的主体是由十几片弓形弹簧钢板组成的“弹簧垛”(如图2‑2)，该弹 簧垛参考重型矿用自卸汽车弹簧钢板设计的，它既具有强大载荷能力，又具有非常优良的弹 性变形功能和弹性恢复功能。弹簧垛的弓背被“紧固装置”(如图2‑4)固定在“载荷支架” 上(如图2‑1)，该支架与承载载荷的钢筋混凝土“承载托盘”(如图2‑3)浇注在一起，地震 发生时，凭借弹性功能和弹性恢复功能来化解“弹性变形”。弹簧垛的两个“弓脚”，各装一 部“承载滑车”(如图2‑7)，弓脚平稳安放在该滑车的主体上，并由紧固装置固定。承载滑车 主体下半部分是4只“虎腿”，其虎脚踩在圆形(或椭圆形)“铸铁底板”上(如图3‑4)，由 紧固螺栓固定。铸铁底板周边，是十几个上面带突沿的“万向脚轮中心轴通孔”(如图3‑7)， 每个通孔安装1个特制的“万向脚轮”(如图3‑5)，可在地基表面的“钢板平台”上(如图 3‑6)自由滾动，地震发生时，通过万向脚轮把水平变形的“直线”(或曲线)运动转变为原 地“旋转”运动，将地基传导的任何方向、任何长度、任何速度的水平变形予以化解。

方案二：该方案的主体是“双层圆柱形螺旋压缩弹簧”(如图4‑3)，压缩弹簧规格应大 于火车厢减振弹簧的规格。用来安装压缩弹簧的是直径不小于2000mm、厚度不低于30mm的 “空心圆铸铁圆盘”(如图4‑2)，铸铁圆盘上紧密的均布着两排不少于50个“弹簧坐”(如图 5‑4)，压缩弹簧安放在弹簧坐内，由压块固定。在铸铁圆盘内侧和周边均布50个上面带突沿 的“万向脚轮中心轴通孔”(如图5‑3)，用来安装“万向脚轮”，地震发生时，在“钢板平台” 上自由滾动。压缩弹簧的上面，是“倒置的铸铁圆盘”(如图4‑2)，该圆盘与承载核电厂的钢 筋混凝土“承载托盘”(如图4‑1)浇注在一起，需确保牢固可靠。在铸铁圆盘中间部位，是 “复合墩阻尼器”(如图5‑2)所处的位置，为了增加阻尼器高度，安装阻尼器的载荷支架被浇 注在承载托盘与隔离装置对应部位的中间凹陷处(如图4‑7)。

以上两种方案相对各有长短，前者支撑力度强，稳定性好，但是，方向选择性和冲击韧 性不及后者。后者，因为压缩弹簧自身就具备任何方向的选择功能，能辅助万向脚轮进行方 向选择，避免地震初始期万向脚轮选择方向时出现的瞬间死角。

(2)在本专利中，“万向脚轮”是非常重要的组成部分，它不仅要承载核电厂、隔离装 置、海啸防护装置的所有重量，当地震发生时，还要直接面对强大的、随时发生突变的弹性 变形和水平变形，所以，在设计上必须以“承载能力强”、“牢固可靠”、“方向选择功能和辊 轮滚动功能必须灵活”为原则。专利所采用的是“倒立摆陀螺仪”式的万向脚轮(如图6)， 该万向脚轮承载能力强，而且可以沿“中心轴”(如图6‑1)作无限度地旋转。因为两个“行 星辊轮”(如图6‑8)被重力迫压在“钢板平台”上，当直线滾动时，行星辊轮与钢板平台之 间的摩擦力处于平衡，在地震发生的初始期，因为方向突变，致使摩擦力失衡，此时，在地 心力的驱动下，行星辊轮则沿中心轴转动至摩擦力平衡为止，并沿水平方向滚动，在强大的 地心力面前，这种转向和滚动是轻而易举的。在设计上，行星辊轮的最大转向角度为90°，一 但发生这种垂直的角度变化，将会产生中心轴轴心及两个行星辊轮轴轴心与垂线重合现象， 引发短暂的垂直于行星辊轮横向水平线的拖动，增加了对行星辊轮的破坏应力，为此，在设 计上，将两个行星辊轮轴分别向左、右错位不小于5°，以避免三个轴的轴心交会在同一条垂 线上。

为了提高中心轴的高度，确保万向脚轮中心轴具有更大敌抗水平变形破坏应力的能力， 在铸铁底板的中心轴通孔处设计了相应高度的“突沿”(图6‑3)；为减小万向脚轮选向时的阻 力，中心轴上半部分与突沿之间，有“中心轴铜套”(如图6‑4)，并长期保持润滑状态；在中 心轴“突肩”的上、下两个位置，分别安装相应规格的“压力轴承”(如图6‑11)和“平面推 力球轴承”(如图6‑10)；为提高万向脚轮在水平变形中的抗颠簸能力，在平面推力球轴承与 “万向脚轮主体”(如图6‑7)之间安放两个“弹簧垫圈”(如图6‑6)，以驱使万向脚轮沿中 心轴作小幅度轴向移动；在中心轴顶端有“限位卡簧”(如图6‑2)，用来将中心轴的轴向移动 幅度限制在弹簧垫圈的弹性距离之内。万向脚轮的主体结构和装配方法(如图7)。

万向脚轮具有特大型、大型、中型、小型四个型号，从载荷能力和灵活性考虑，专利选 择了中型，用增减万向脚轮的数量，将万向脚轮的载荷控制在350～450kg以内。

(3)固定在地基表面的“钢板平台”(图1‑7)，不仅为万向脚轮提供了灵活滾动的水平 平台，还御防强震后出现的一定幅度的地基开裂或小幅度错位下陷，以及喷水、冒沙的次生 灾害对核电厂造成的破坏。

(4)在弹簧垛弓背下面安装了直径为500～800mm的、“基体”为树脂塑料的圆柱形“复 合墩阻尼器”(图2‑6)，其“增强体”采用线型“三维整体编制结构”，成形工艺采用“RTM 成形技术”，其复合方式为“分散型”。阻尼器形状比较简单，但是，在地震中随时可能遭受 到巨大压力，所以，对编织技术必须强调“整体性”，以避免发生嘣裂。阻尼器的高度视弓背 高度、承载滑车高度和静态时的压缩极限高度来确定，其上端安装在弹簧垛的紧固装置(图 2‑4)或直接安装在承载托盘上，下端则沿垂直方向迫压在钢板平台上。该阻尼器的特点是： 凭借其内部结构的黏弹性，起到消能减震作用；其下端呈圆头形，中心部位有小半球形“凹 陷”，承压时因该处产生真空吸力而固定不动，起到固定和定位作用；在发生特大幅度弹性变 形时，会轻易克服真空吸力将阻尼器提起来，以避免损坏；发生特大水平变形时，能轻易被 拖动移位，亦避免损坏。

(5)隔离装置在无地震发生，处于载荷平衡的静止状态时，其“载荷承力重心”所处 的位置，在弹簧垛(或者压缩弹簧)以及阻尼器的最大弹性变形量的1/2处，如果该位置出 现偏差，则通过增减弹簧钢板的量数、宽度、厚度，以及增减压缩弹簧的数量来调整。

(6)在总体设计上，每2副(或3副)弹簧垛和2个(或3个)阻尼器为一组，其所占 面积不小于4m2，各组之间留有不小于800mm宽的通道。使用方案2时，则每个铸铁圆盘为 一组，其它与方案1相同。

(7)核电厂房离周边挡土墙的距离为1000mm以上，在挡土墙上安装若干个“弹性止推 器”(如图1‑6)，其最小弹性伸缩量为1000mm，该止推器只有推力，不产生拉力。止推器作 用如下：

①在无地震发生时，与隔离装置里的阻尼器共同将核电厂定位於中间位置；

②地震发生时对水平变形产生制衡作用；

③海啸或强风暴发生时，借助止推器的弹性功能，为核电厂提供了一堵柔软的止动保 护墙，并驱动核电厂马上恢复原位。

3.海啸防护装置的设计：

核电站大都建在近海，以满足大量冷确水之需求。我们通过隔离装置来保证特大地震中 核电厂的安全，却不能避免因特大地震引发的海啸、强风暴潮以及水灾、风灾对核电厂造成 的破坏，因此，海啸防御工程同样是确保核电厂安全运行的重要环节。

海啸防护装置实际上就是用一个半球形无樑柱厂房(如图1‑1)，将核电厂罩在厂房里。 核电厂房是由韧性非常好、体轻、坚固无脆性、不龟裂、能够冷压造型不反弹的“加厚型塑 料夹铝复合板”制造而成，它具有特殊的连接方法，可以制造任何半径的无梁柱厂房。因该 厂房本身就具有非常优良的抗振性能，所以，它可以被固定在承载托盘上，也可以被固定在 周边的挡土墙上。

塑料夹铝复合板的基体采用PE作为基料(也可以采用其它树脂塑料)，首先将基料加 热至熔融态由挤出机挤出，与浸过胶的增强体进行复合，如此重复n次，经多次施压后，水 冷成形，因为其增强体采用打孔铝带，故使基体通过孔隙将增强体包裹於体内，产生相互制 衡的效果，所以，该复合方式为“分散型复合方式”，这是一种复合性能优良、不龟裂的新型 复合板材。该板的设计厚度为100～150mm，增强体8～12层，(增强体厚度为0.8～1mm)。尽管 塑料夹铝复合板本身具有多项隐形功能，能够抑制某些射线，但是，为了更有效地御防维修、 更换燃料棒、处理核废料及其它工作产生核泄漏造成的核辐射，再在该复合板的里侧，复合 1层厚度为0.2～1mm的“铅箔”，为核电厂增设第5层核安全保护壳。

将塑料夹铝复合板切成相对两边距离为2000mm的六边形(或四边形)“瓦片”(如图12)， 按照核电厂房设计的弧度冷压成弧形(也可以使用平板形瓦片)；根据核电厂房的半径(如图 8‑3)和瓦片相对两边的距离，得出“瓦片各边的切削角度”(如图8‑2)，按该角度切削以后， 以垂直于切削面为基准，对瓦片各边进行“槽口榫”加工(如图9)，涂胶拼接后，辅之以“锁 扣”(如图10‑2)。为强化锁扣与瓦片之间的连接，锁扣相对的两个端面被切成一定幅度的倒 角(如图11‑1)，并由“拉紧增力板”加固(如图11‑3)。

核电厂房瓦片的镶嵌方法如图12，对各连接部位需喷涂胶粘剂，每条接口安装不少于2 个锁扣。

附图说明

图1：核电厂总体剖面示意图。1.核电厂房；2.核电设施间；3.软体防水帘；4.承载托盘；5.隔 震装置间；6.弹性止推器；7.钢板平台8.挡土墙及地基。

图2：弹簧钢板式地震隔离装置总成示意图。1.载荷支架；2.弹簧垛；3.承载托盘；4.弹簧垛 紧固装置；5.橡胶垫；6.弹性墩阻尼器；7.承载滑车；8.钢板平台。

图3：承载滑车总成示意图。1.弹簧垛弓脚；2.紧固装置；3.滑车主体；4.铸铁底板；5. 万向脚轮；6.钢板平台；7.万向脚轮中心轴通孔。

图4：双层圆柱形螺旋压缩弹簧式地震隔离装置总成示意图。1.承载托盘；2.空心圆铸铁圆盘； 3.双层圆柱形螺旋压缩弹簧；4.弹簧坐；5万向脚轮；6.钢板平台；7.阻尼器。

图5：空心圆铸铁圆盘总成示意图。1.空心圆铸铁圆盘；2.阻尼器所处位置；3.万向脚轮中心 轴通孔；4.弹簧坐。

图6：万向脚轮总成局部剖面示意图。1.中心轴；2.中心轴限位卡簧；3.中心轴通孔突沿；4. 中心轴铜套；5.铸铁底板；6.弹簧垫圈；7.万向脚轮主体；8.行星辊轮；9.行星辊轮轴； 10.平面推力球轴承；11.压力轴承。

图7：万向脚轮主体局部剖面示意图：1.主体；2.行星辊轮；3.行星辊轮轴承；4.行星辊轮轴 紧固螺帽；5.行星辊轮轴。

图8：核电厂房瓦片及其加工方法剖面示意图：1.瓦片；2.切割线；3.核电厂房半径线。

图9：槽口榫加工剖面示意图。

图10：锁扣顶视示意图：1.瓦片；2.锁扣；3.瓦片拼接缝。

图11：锁扣主视剖面示意图：1.锁扣；2.瓦片；3.拉紧增力板；4.紧固螺丝。

图12：核电厂房瓦片镶嵌方法示意图。

实施方案

1.求算每组隔离装置和每只万向脚轮的负载：

演算步骤：

(1)根据设计规模，评估“核电厂重量”；

(2)参考核电设施的平面布局，设计“承载托盘面积”；

(3)根据核电厂重量和布局，设定承载托盘的断面形状和厚度；

(4)面积乘以厚度得出“承载托盘体积”；

(5)混凝土比重(2.4吨/m³)乘以承载托盘体积得出“承载托盘重量”；

(6)承载托盘重量加核电厂重量得出“隔离装置总负载”；

(7)承载托盘面积被除以每组隔离装置所占的面积得出“隔离装置组数”；

(8)隔离装置总负载被除以隔离装置组数得出“每组隔离装置负载”；

(9)求算每只万向脚轮的负载。

2.确定载荷承力重心位置：

(1)弹簧垛由12片、宽180mm、厚15mm、弓背高250mm、弓脚长250mm、弓身总长 2000mm的弹簧钢板组成。

(2)将两个弹簧垛安放在专用平台上，由紧固装置固定在专供组装和试验的载荷支架上， 并在支架上按实施方案1‑(8)进行负载，根据发明内容2‑(5)所述，将载荷承力重心调整 至最佳位置；

(3)根据弓脚长度和钢板宽度制作承载滑车主体；

(4)以500mm直径、30mm厚度制作铸铁底板，在底板上，按每组隔离装置负载被除以 400kg所得数值，来确定万向脚轮中心轴通孔数量，并安装万向脚轮。

(5)在弹簧垛紧固装置下面各安装一个阻尼器；

(6)建造或聘请拥有抗震试验台的大学或科研机构协助，对该组隔离装置进行抗振试 验，测取各种数据，出不足，改进后再行试验，直至最佳状态。

3.对压缩弹簧式隔离装置的载荷承力中心的选择方法与前述基本相同。

4.根据核电设施的布局，对与某些“体重设施”(如安全壳)相对应部位的地震隔离装 置，必须强化其承载能力，具体措施在设计中确定。

4.地基和承载托盘的建造方法：

(1)地基(如图1‑8)厚度按常规。钢板平台(如图1‑7)的焊接，可先将焊口用水刀 切成“V”形，焊接后打磨平整并适度设以麻面。钢板平台必须牢固固定在地基上，并严格 保持水平。

(2)承载托盘(如图1‑4)上面需根据核电设施布局和各部位负载来设定厚薄，下面与 通道对应位置呈拱形，拱顶至钢板平台距离为1900mm，供维修人员通行，拱形顶以外的位置 (预计4m2)，向下凸至安装隔离装置的高度(如图2‑3)。浇注钢筋混凝土承载托盘时，必须 同时进行一气呵成。

核电厂房被固定在承载托盘周边的端面上，并在围绕核电厂房底部的外侧，安装一圈软 玻璃防水帘(如图1‑3)，用来防止海水、洪水、雨水灌入隔离装置间内。

本专利也适用于核科技试验、核产品制作和保存、核废料处理、铀浓缩的厂房、仓库； 还适用于十层楼以下的科研机构、国防机构、政府机关、学校、医院、住宅。