AP1000 核電CA03 模塊吊裝變形控制實踐

馬元華

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

AP1000 作為第三代核電堆型，在設計和建造方面都有許多新的特點，如設計上應用了非能動的設計理念，建造方面采用了模塊化建造技術，目前首批三門和海陽廠址的4 臺機組已經建成投產。

模塊化施工技術實現了傳統工程從“模塊”到“模塊化”質的飛躍，將模塊的規模和數量做到了最大化，為未來AP 系列核電標準化設計、模塊化施工、批量化建設奠定了基礎。AP1000 采用的模塊化建造技術，使得所有的模塊（特別是大型模塊）和大型設備都采用“開頂法”吊裝就位。這種搭積木的施工方式，需要特大型吊車進行吊裝，需要專門的拼裝場地、運輸道路和車輛。施工過程中所需的結構及設備模塊多達170 多個，其中結構模塊110 多個。一些模塊具有超重、超高、超尺寸的特點，如最大的結構模塊CA01 重量超過850t，高度達23m，長度達20m，重達678t 的CV（鋼制安全殼）頂封頭的吊裝高度超過50m，給吊裝施工組織帶來困難。

模塊化施工技術的特點是最終要實現工廠拼裝完成的模塊與現場緊密對接，它很大程度上要依賴于發達的制造技術、施工技術與信息技術、相當規模能力的運輸吊裝設備，這不但需要對工廠預制、現場拼裝的模塊尺寸進行嚴格控制控制，而且要對模塊是運輸和吊裝環節進行嚴格控制。特別是對于一些異形模塊，由于結構形狀復雜，重心位置不在模塊本體上，吊點位置設置困難，需要進行專門的變形和應力分析，增加防變形工裝，以達到變形控制的目的。文章通過對海陽核電CA03 模塊的吊裝變形控制技術的介紹，為建筑施工大型異形設備吊裝提供可借鑒的經驗。

1 CA03 模塊概況

CA03 模塊位于核島11 廠房內，其首尾兩端（CA03-01 號子模塊、CA03-17 號子模塊）分別與11廠房內部CA01 模塊、CA02 模塊連接，共同構成是IRWST（堆內換料水箱）西南墻，如圖1 所示。

模塊呈弧形結構，主要由厚度為16mm、材質為A240-S32101 雙相不銹鋼構成，位于CA01 結構模塊西部，就位標高約29.26m。模塊外形尺寸：圓弧對應的弦長為35.48m、寬度為14.48m、高為12.75m，由17 個子模塊構成，整體總重量為223.56t，如圖2 所示。

圖1 CA03 位置圖

圖2 CA03 結構圖

2 吊裝方案

CA03 模塊外形尺寸較大，呈半圓弧狀，重心難以確定，且模板為單板墻體結構，吊裝過程中容易產生變形，特別是模塊背部加裝了管道支架和鋼筋網片，與CV 筒體的最小間隙較小，只有87mm，吊裝就位過程調整余地十分有限。模塊就位的精度要求高，標高偏差、模塊主要基準點（DP 點）偏差要求控制在3.2mm 以內，垂直度偏差控制在12.5mm 以內。因此需要確定合理的吊點，選擇合理的吊裝結構，吊裝設備。

在1#CA03 模塊防變形工裝設計完成后，為保證工裝能夠有效控制模塊在運輸吊裝中的變形，委托大連理工大學對防變形性工裝的可行性進行有限元分析計算（詳見文章第4 節）。根據理論計算和分析結果，對CA03 模塊防變形工裝形式進行一定改進，加入桁架結構，使得結構的穩定性進一步得到提高。

2.1 吊點的選擇

選擇合適的吊點，首先要確定吊裝總質量，確定模塊的重心。CA03 模塊的吊裝總重量包括17 個子模塊、貫穿件及附件、吊耳、管道及附件、防變形工裝、分配器、吊鉤、滑輪組和吊索具，總重量約223.56t。根據設計圖紙，模塊的初始重心坐標為（-1165mm，+14537mm），即距核島中心坐標（0，0）正南、正西方向的距離分別為1165mm、14537mm。由于上述支架、工裝安裝于模塊上，需要重新對重心進行計算。按照力矩平衡的方式重新計算重心（本文不詳細列出），經過計算，得到模塊吊裝重心坐標為（-1115mm，+14417mm），即初始重心坐標（-1165mm，+14537mm）向正北、正東方向分別偏移40mm、120mm。然后根據吊裝重心確定一級梁長度及連接點，由于原設計已經給出CA03 模塊上部合理的4 個吊點（吊點1、吊點2、吊點3、吊點4）位置，由此可以推算二級次梁的長度和連接點，如圖3 所示。

2.2 吊裝荷載計算

圖3 重心及吊點示意

（1）4 個吊耳荷載分布計算。根據模塊吊裝重量、重心，以及4 個吊耳位置，計算出的一級、二級梁的長度及連接點（A、B、C、D 分別代表吊點1、吊點2、吊點3、吊點4），具體如圖4 所示。

圖4 一級、二級梁布置

按照力矩平衡計算出4 個吊耳的荷載分布情況，如表1 所示。

表1 吊耳荷載計算

吊 耳A 荷 載F=223.6×1/2×6862÷11011=69.7t，同樣計算出吊耳B、C、D 的荷載分別為42.1t、42.1t、69.7t。對比表1 中設計允許最大荷載，得知滿足吊裝條件。吊耳連接前按照設計要求用400t 吊機對4 個吊耳分階段加載到實際吊裝載荷的75%、90%、100%、110%，試驗過程中測量4 個吊耳位置的應變情況。

（2）吊梁及索具重量。模塊總重223.56t，考慮吊裝風荷載（小于5.6m/s）、起升速度（小于0.36m/s）、吊梁自重等，現場提出主吊梁的額定起重量為400t，委托巨力索具公司進行吊梁及索具的專門設計及復核計算（本文不列出），計算結果為吊梁及索具總重44.82t，400t 的額定起重量滿足吊裝要求。

吊裝荷載Q 按式（1）計算。

式中：G 為CA03 模塊整體重量，223.56t；q1為吊鉤重量，39.5t；q2為吊梁及索具重量，44.82t；FW風荷載，0.998t。

代入公式，可得吊裝荷載為307.88t。

2.3 吊機工況選擇

海陽核電大型模塊等大件的吊裝采用德國特雷克斯德瑪格（Terex Demag）公司生產的CC8800-1 雙臂履帶式起重機。最大起吊能力為3200t，最大起重力矩41800tm。經計算，吊裝高度86.8m，吊裝半徑52m，吊裝荷載307.88t，根據以上條件選擇大吊車的吊裝工況如圖5 所示：起重機主臂選擇81m；起重機固定副臂42m，與主臂夾角15°；超起桅桿56m，配重135t；超起配重1100t，額定起重量為337t；吊車負載率為307÷337=91.1%。

圖5 吊裝工況

3 變形及應力計算

為了確定模塊吊裝變形和應力情況，以便選擇合適的防變形控制工裝，委托大連理工大學進行ANSYS 有限元分析。首先進行不加防變形工裝分析，然后根據應力和位移情況優化工裝設計，再利用ANSYS 進行有限元分析是否滿足要求。

3.1 主要輸入條件

模塊形狀：圓弧形，弦長為35.48m，寬度為14.48m，高為12.75m。模塊材料：A240-S32101(雙向不銹鋼）。工裝材料：Q345B，HW200×200×12×8（H型鋼）。鏈接方式：剛性連接（焊接）。加載情況：模塊重量223.56t，3 級風載，吊點4 個。

3.2 不加工裝位移分析

無防變形工裝的CA03 模塊吊裝變形位移云圖如圖6 所示，最大變形量為63.24mm，CA03 模塊弦長變化量為95.56mm，模塊水平板應力較大，呈現出上口外漲、下口內縮的狀態。根據該情況進行防變形工裝設計，變形工裝加裝按照改善吊裝應力分布、不影響模塊就位（CA03 模塊吊裝時需從CA01 模塊與CV2#加強圈之間通過，根據CA01 模塊與CV2#加強圈的高度差，防變形工裝在空間上避讓，避免吊裝過程中與二者沖突，與核島內部其他物項碰撞）、易于制作安裝的選擇進行，增加工裝后的模塊有限元模型如圖7 所示。

圖6 不加工裝位移云圖

圖7 增加工裝后模型

3.3 增加工裝后的位移應力分析

增加防變形工裝后，加入風載對吊裝的影響，按照無風、有風（M、K、L 三個方向）分3 種工況進行計算，如圖8 所示。

圖8 風載示意圖

經過有限元分析的位移云圖、應力云圖如圖9、圖10 所示。CA03 模塊吊裝變形主要發生在工裝上，最大變形量為53.49mm，模塊板的最大變形量12.01mm，CA03 模塊弦長變化量為16.01mm，變形量得到了很好的控制。吊裝中應力較大的點均為工裝與模塊連接點，模塊位移及應力計算具體結果如表2 所示。Q345B（工裝）的抗拉強度257MPa，A240 雙向不銹鋼的抗拉強度為334MPa，模塊和工裝都有充足的安全系數，滿足吊裝要求。

圖9 增加工裝位移云圖

圖10 增加工裝應力云圖

表2 模塊位移及應力計算表

4 其他防變形措施

運輸過程變形控制。海陽CA03 的運輸車輛采用德國的索埃勒運輸車，模塊由中遠物流公司（COSCO）承擔運輸任務，采用2組6縱列形式，如圖11 所示，同時增加了以下措施防止CA03 變形。

圖11 運輸車輛布置

（1）為了提高車輛的剛性，在兩組液壓平板之間增加了2 根17m 長的連接梁。

（2）為了防止CA03 在兩組車中間懸空的部分產生向下的變形，在懸空部分的下方設置了2 根300mm的H型鋼，使CA03 中間懸空部分有4 個支腿落在H型鋼上。

（3）運輸前車輛檢查中增加了運輸車輛胎壓測試項目，并形成記錄，及時更換胎壓不足的輪胎，保證運輸過程中的安全，在進車和頂升過程中采用2 臺130t汽車吊進行吊裝，在一定程度上防止運輸進車時造成1#CA03 模塊變形。

（4）在模塊柱腳增加卡塊，以防止模塊在運輸過程中發生上下位移。

（5）嚴格控制模塊運輸速度，直行速度為1km/h、轉彎速度0.5km/h。

（6）增加可調拉桿。在由于吊梁設計時重心與目前實際重心有一定的差異。為了盡量減小模塊吊裝過程產生的變形，提出以下兩種調平措施：吊耳與吊梁的二級梁間使用4 根可調拉桿連接，用于調節CA03 模塊的水平度，調節范圍200mm；如果可調拉桿無法調平，采用設置2 個20t 的手拉葫蘆進行輔助調平。

5 結束語

根據變形控制計算、工裝措施，現場編制了專門的吊裝、運輸方案并進行嚴格控制，按照模塊運輸—吊具連接—解除捆綁—試吊裝—起吊—就位6 個板塊進行細致準備；運輸、起吊、就位3 個階段對17 個DP 點（對應17 個子模塊）的坐標進行測量，并嚴密監控。CA03模塊幾個DP 點就位前后的差值比較如表3 所示，基本控制在25mm 以內，證明吊裝變形很小，防變形控制措施是有效的。

表3 吊裝前后變形偏差表 單位：mm