P1000蒸汽發(fā)生器開頂法吊裝方式與M310堆型吊裝方式的分析

黃新東 任 荷 洪 龍 甕松峰

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

AP1000 在傳統(tǒng)壓水堆的基礎(chǔ)上采用了非能動的技術(shù)，其設(shè)計思路和建造理念與常規(guī)的核電機組存在著很大的區(qū)別。AP1000 核電廠采用△125、立式、倒U 形管型蒸汽發(fā)生器，質(zhì)量較重、尺寸龐大，其吊裝方式與M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式有所不同。本文對AP1000核電廠蒸汽發(fā)生器吊裝方式與M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式的吊裝工藝及吊裝工具進行了詳細的說明，從主設(shè)備安裝的角度闡述了兩種吊裝方式的優(yōu)缺點，為后續(xù)核電廠主設(shè)備吊裝方式的選擇提供理論分析和現(xiàn)場經(jīng)驗。

1 蒸汽發(fā)生器吊裝方式概述

蒸汽發(fā)生器吊裝工藝主要由廠房土建結(jié)構(gòu)與空間布置、自身結(jié)構(gòu)重量、起吊設(shè)備等因素決定。目前針對壓水堆核電廠，蒸汽發(fā)生器的吊裝方式主要有兩種，一種是以M310 堆型為代表采用的吊裝方式，蒸汽發(fā)生器通過廠房外龍門吊吊運至廠房+20m 操作平臺上，經(jīng)廠房設(shè)備閘門口引入，再通過環(huán)吊將其在廠房內(nèi)翻轉(zhuǎn)豎立并吊裝就位。另一種是AP1000 核電廠采用的開頂法吊裝方式，蒸汽發(fā)生器由大型吊機在廠房外翻轉(zhuǎn)豎立，再從廠房頂部吊入并安裝就位。

圖1 M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝工具結(jié)構(gòu)示意圖

2 吊裝工具與吊裝工藝介紹

2.1 M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式

M310 堆型蒸汽發(fā)生器的吊裝工藝基本相同，吊裝工具的結(jié)構(gòu)也大致相似，本文以福清核電廠1、2# 機組蒸汽發(fā)生器吊裝為例介紹，蒸汽發(fā)生器重約345t，總高21115mm，直徑Φ4484/3440mm。

蒸汽發(fā)生器吊裝工具主要由提升裝置、運輸小車、翻轉(zhuǎn)抱環(huán)、吊梁、提吊耳軸、翻轉(zhuǎn)支架、翻轉(zhuǎn)抱環(huán)拆除平臺、鋼絲繩等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。首先在廠房+20m 平臺上安裝并固定運輸小車，使用提升裝置將蒸汽發(fā)生器從0m 提升至+20m 平臺并放置到運輸小車上，然后分三次牽引至廠房內(nèi)翻轉(zhuǎn)位置，最后水平移動環(huán)吊小車和提升吊鉤交替動作將其翻轉(zhuǎn)豎立并安裝就位，吊裝工藝見圖2。

圖2 M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式流程圖

2.2 開頂法吊裝方式

AP1000 核電廠蒸汽發(fā)生器重約591t，總高22461mm，直徑Φ5576/4382mm。由于蒸汽發(fā)生器在運輸過程中二次側(cè)人孔軸線與水平面呈45°，吊裝之前應(yīng)將其旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，因此吊裝分為水平吊裝、（沿蒸汽發(fā)生器軸線）旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)豎立吊裝三個階段，工藝如圖3。整個吊裝過程都在廠房外進行，首先使用2600t 吊機和400t 吊機將蒸汽發(fā)生器從存儲位置吊運至旋轉(zhuǎn)裝置上，然后操作旋轉(zhuǎn)裝置將蒸汽發(fā)生器二次側(cè)人孔旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，最后由2600t 吊機將其翻轉(zhuǎn)豎立并從廠房頂部吊入、安裝就位。吊裝工具由旋轉(zhuǎn)裝置、吊叉、翻轉(zhuǎn)支架、主吊耳及專用吊具等組成，結(jié)構(gòu)見圖4，其中，兩個主吊耳對稱安裝在二次側(cè)人孔凸臺上，通過專用吊具與2600t 吊車剛性連接，翻轉(zhuǎn)支架與吊叉固定在蒸汽發(fā)生器尾部，為翻轉(zhuǎn)提供支承。

3 M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式優(yōu)缺點分析

3.1 安全性高

圖3 開頂法吊裝方式流程圖

圖4 開頂法吊裝吊裝工具結(jié)構(gòu)示意圖

蒸汽發(fā)生器是安全一級設(shè)備，其上有管座、接管嘴、密封面等突出結(jié)構(gòu)和易損結(jié)構(gòu)，因此其吊裝工藝及吊裝工具的設(shè)計首先應(yīng)保證設(shè)備的安全性。在嶺澳二期、福清、方家山等M310 堆型核電項目中，我院已成功完成了蒸汽發(fā)生器吊裝工具的設(shè)計和供貨工作，積累了豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗和技術(shù)基礎(chǔ)。吊裝工藝已基本成熟、規(guī)范，即從0m～+20m 的起吊、+20m 運輸和翻轉(zhuǎn)、吊裝就位。吊裝工具也在逐步完善，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計到試驗、文件方面都進行了優(yōu)化和改進。實踐證明，M310堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式行之有效、工藝成熟、安全可靠。

3.2 進度不易受影響

吊裝蒸汽發(fā)生器的施工場地分為0m，+20m 平臺和廠房內(nèi)三處，滿足III 級工作區(qū)要求，施工條件要求無大雨大霧、最大風速不超過10.7m/s。而AP1000 核電廠開頂法吊裝的整個施工場地都在廠房外，對天氣的要求更苛刻，遇雨、霧、風（風速大于8.9m/s）天氣時將無法進行吊裝作業(yè)。因此M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式不易受氣候條件的制約。

在M310 堆型核電廠，主設(shè)備的吊裝與其他施工作業(yè)可以并行開展、互不影響，即使蒸汽發(fā)生器到貨時間拖延，也不影響其他施工作業(yè)的進行。而AP1000 核電廠開頂法吊裝方式采取模塊化安裝模式，一旦蒸汽發(fā)生器到貨延期，將導(dǎo)致開頂周期延長，影響安全殼內(nèi)部施工作業(yè)的進展。因此M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式不易受主設(shè)備到貨情況的制約。

3.3 吊裝工具設(shè)計、制造復(fù)雜

M310 堆型蒸汽發(fā)生器涉及的吊裝工具數(shù)量多，設(shè)計、制造復(fù)雜，本文僅從鋼絲繩設(shè)計、翻轉(zhuǎn)支架制造兩個方面進行分析。

3.3.1 鋼絲繩設(shè)計

蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)時是通過鋼絲繩與吊梁連接的，因此鋼絲繩的設(shè)計載荷必須滿足強度要求。按照額定載荷396t、2 根鋼絲繩分別繞提吊耳軸疊放兩圈的使用工況，應(yīng)選擇高強度的鋼絲繩。但是鋼絲繩強度越高、直徑越大，則柔韌性差，在翻轉(zhuǎn)過程中鋼絲繩與提吊耳軸之間接觸面積小，由加速度、沖擊等引起的動載荷可能導(dǎo)致受力不均勻、伸縮量不穩(wěn)定、翻轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。同時，蒸汽發(fā)生器是反應(yīng)堆廠房內(nèi)最重、最長的設(shè)備，廠房的高度就由吊裝它的需要而確定，由于蒸汽發(fā)生器吊裝就位后垂直空間十分有限，鋼絲繩要足夠柔韌才便于松脫。因此強度高、精度高、柔韌性高的鋼絲繩才能保證吊裝的安全、順利，而高柔韌性和高強度是相互矛盾的，因此鋼絲繩的設(shè)計和制造相當苛刻。

3.3.2 翻轉(zhuǎn)抱環(huán)制造

蒸汽發(fā)生器吊至+20m 平臺后，需要將翻轉(zhuǎn)抱環(huán)安裝到蒸汽發(fā)生器下筒體處為翻轉(zhuǎn)提供支撐，而下筒體處設(shè)有多個二次側(cè)排污管、二次側(cè)眼孔、二次側(cè)手孔、疏水管、銘牌等，為避免干涉，翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的兩個翻轉(zhuǎn)抱箍在其對應(yīng)位置處均開有多處孔，其開孔方位、中心、尺寸各不相同，且兩個翻轉(zhuǎn)抱箍安裝后對中精度要求高，制造費時費力。

3.4 吊裝周期長

由于M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝的施工場地大都在+20m 平臺上，因此需要將吊裝工具吊運至+20m 平臺后才能安裝使用，使用后須立即吊出廠房以避免長時間占用關(guān)鍵路徑、施工場地。本文僅以翻轉(zhuǎn)抱環(huán)的安裝、裝卸為例分析單個吊裝工具的使用過程。首先在+0m 平臺安裝定距管將兩個翻轉(zhuǎn)抱箍組裝成一個橢圓環(huán)，提升至+20m 平臺后，從蒸汽發(fā)生器底部套裝到下筒體處，拆去定距管，通過定位螺栓調(diào)節(jié)兩個翻轉(zhuǎn)抱箍的距離，最后擰緊連接兩個翻轉(zhuǎn)抱箍的螺栓。由于翻轉(zhuǎn)抱環(huán)結(jié)構(gòu)龐大且質(zhì)量重，使用時兩個翻轉(zhuǎn)抱箍對中要求高，且安裝時應(yīng)防止損傷蒸汽發(fā)生器下筒體處的接管、孔等，安裝時需要多人配合。蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)到位后，需將翻轉(zhuǎn)抱環(huán)拆除平臺吊至+20m 平臺上，蒸汽發(fā)生器就位于翻轉(zhuǎn)抱環(huán)拆除平后由操作人員將翻轉(zhuǎn)抱環(huán)拆掉。可以看出，吊裝工具的使用極其復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗反饋，M310 堆型蒸汽發(fā)生器的吊裝一般需要5 天時間，周期比較長。

4 開頂法吊裝方式優(yōu)缺點分析

4.1 工藝簡化、工具簡單

AP1000 核電廠采用開頂法吊裝方式，由2600t 吊車在廠房外將蒸汽發(fā)生器翻轉(zhuǎn)豎立后，直接從廠房頂部吊入安裝就位。相比M310堆型吊裝方式，運輸小車及環(huán)吊三次牽引且龍門吊與環(huán)吊兩次吊裝，工藝大大簡化。根據(jù)現(xiàn)場反饋情況，僅需1 天就可完成整個吊裝工程。

由于開頂法吊裝工藝簡化，涉及的吊裝工具數(shù)量較少，且工具的結(jié)構(gòu)相對簡單，材料、制造、安裝成本均顯著降低。僅以材料成本為例，AP1000 核電廠蒸汽發(fā)生器吊裝工具總重量約為69.8t，其中包括可用于壓力容器、穩(wěn)壓器吊裝的通用鋼結(jié)構(gòu)重量約22t。福清核電廠1、2#蒸汽發(fā)生器重量約為AP1000 核電廠蒸汽發(fā)生器的2/3，尺寸也較小，然而僅提升裝置、翻轉(zhuǎn)抱環(huán)、提升耳軸、運輸小車等主要吊裝工具的總重量已經(jīng)高達68.7t。可以推斷，對于同一個蒸汽發(fā)生器，采用開頂法吊裝方式，其吊裝工具的總重量將遠低于采用M310 堆型吊裝方式的吊裝工具總重量，因此能降低材料成本，具有一定的經(jīng)濟性。

4.2 建造周期縮短

M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式，需等土建封頂以后，才能開始蒸汽發(fā)生器及穩(wěn)壓器、壓力容器等主設(shè)備的安裝。對于福清核電廠而言，總工期為57 個月。而采用開頂法吊裝方式，核島土建與主設(shè)備安裝平行施工，AP1000 核電廠最快工期為36 個月，可以縮短工程建造工期，提前投入商運。

4.3 吊機操作難度大

蒸汽發(fā)生器水平吊裝過程中，應(yīng)保證2600t 吊機和400t 吊機的協(xié)調(diào)性，防止過度傾斜。從水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)至豎立狀態(tài)過程中，2600t 吊機需要連續(xù)進行變幅和起鉤兩個動作，以保證鋼絲繩的垂直度，操作難度相當大。翻轉(zhuǎn)豎立后，吊機需將蒸汽發(fā)生器吊至臨時頂蓋環(huán)形衍架上方，吊機起升高度高達81m，吊裝風險大。最后吊機落鉤將蒸汽發(fā)生器從廠房頂部吊入，調(diào)整位置和方位后放置在上部臨時安裝支撐上安裝就位，此時蒸汽發(fā)生器在廠房內(nèi)而吊機操作人員在廠房外，吊機指揮信號通過對講機專用頻道傳遞，指揮難度和操作難度大。

4.4 成品保護困難

蒸汽發(fā)生器安裝就位距土建封頂?shù)臅r間跨度大，由于現(xiàn)場海邊鹽霧、潮濕的狀況對已安裝的蒸汽發(fā)生器會產(chǎn)生影響，同時覆蓋清潔區(qū)內(nèi)的水汽無法散發(fā)出去，附結(jié)在蒸汽發(fā)生器表面形成水滴，導(dǎo)致腐蝕生銹。施工現(xiàn)場灰塵很大，同樣無法做到很好的去污。尤其是外露接管嘴處，其周圍有作業(yè)時容易受損傷，成品保護困難。

4.5 更換困難

采用開頂法吊裝方式，設(shè)備閘門尺寸不夠蒸汽發(fā)生器出入。一旦出現(xiàn)重大問題需要更換時，必須將安全殼頂部打開，使用廠房環(huán)吊將蒸汽發(fā)生器吊運至開口位置，再使用大型吊機將蒸汽發(fā)生器吊出更換，實現(xiàn)起來很困難。

5 總結(jié)

本文詳細介紹了M310 堆型蒸汽發(fā)生器的吊裝方式與AP1000 核電廠開頂法吊裝方式，從主設(shè)備安裝角度分析了兩種方式的優(yōu)缺點，得出以下結(jié)論：

（1）M310 堆型蒸汽發(fā)生器吊裝方式工藝成熟，安全可靠性高，進度不易受環(huán)境和主設(shè)備到貨情況限制，但吊裝工具設(shè)計、制造、安裝復(fù)雜，吊裝周期長。

（2）開頂法吊裝方式簡化了吊裝工藝及吊裝工具，降低制造成本，縮短建造周期，但吊機操作難度大，安裝后成品保護難，出現(xiàn)問題后更換困難。