“華龍一號”預應力倒U形鋼束灌漿質量問題分析與應對

曹鐘引

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

“華龍一號”預應力工程鋼束灌漿作業是整個施工工藝的最后一個主要環節，它的質量好壞直接關系到鋼束后期的工作效果和耐久性，從而影響反應堆廠房安全殼這一道核安全屏障的完整性。為了保障鋼束灌漿的密實性，設計文件對灌漿工藝在前期孔道打壓準備、漿體材料準備、施工環境溫度、灌漿每個步驟的時長等方面均有非常嚴格的要求和限制。但在實際執行過程中由于準備工作不充分、風險評估不完善以及操作有瑕疵等情況的發生，依然會造成質量問題的出現。2018年在國外一項目上就出現了倒U形鋼束在灌漿過程中漿體堵管導致灌漿中斷從而出現質量事件的情況。針對這一情況，本文通過介紹“華龍一號”預應力體系和灌漿工藝的特點，描述和分析質量事件發生的過程和原因，最終提出處理措施和后續施工技術優化改進方向。

1 背景

1.1 “華龍一號”預應力簡介

“華龍一號”預應力工程是反應堆廠房雙層安全殼的內殼結構中的一部分，采用后張法工藝，共分為兩種布置形式：水平環向布置和倒U形布置。其中水平環向布置，鋼束環繞一圈后兩端錨固在安全殼的扶壁柱上；倒U形布置，鋼束繞穹頂180°對稱錨固在安全殼下部預應力廊道頂部。其中環向布置鋼束127束、倒U形布置94束，每一束孔道含55根1×7強度1860 MPa鋼絞線,鋼束采用兩端張拉，設計張拉力12276 kN。

目前，國內外所有已經完成預應力施工的的“華龍一號”機組均采用的法西奈(Freyssinet)的C系列錨固系統，涉及的張拉設備等主要設備也為該公司提供。目前 “華龍一號”的預應力工程在工程量、鋼絞線長度、各道工藝的施工難度等方面遠超其他堆型機組，同時由于“華龍一號”為國產新堆型，沒有成熟的施工經驗可以參考。

1.2 預應力主要工藝簡介

預應力工程是一項耗時長、涉及面廣的單項工程。在前期針對預應力使用的鋼絞線、錨固系統、漿體材料需要進行一系列的試驗以驗證材料的實用性和工藝的可行性。

正式工程的工藝主要分為：穿束、張拉和灌漿，其中灌漿前還需要進行孔道打壓，以驗證孔道的密閉性和完整性，為后續的灌漿作業提供保障，打壓的壓力要求為5～7 bar，同時確保穩壓3 min壓降不大于1 bar，但是，在實際操作中發現部分孔道無法滿足3 min壓降不大于1 bar的要求，設計人員對此提出了灌漿過程中分級保壓的應對措施,具體為灌漿液面至2.5 bar、5 bar、7 bar、10 bar四個壓力界面對應的灌漿標高時穩壓1 min后觀測3 min壓降不超過0.25 bar。

灌漿按照設計文件要求需要在張拉后7天進行，超期需要對鋼絞線進行保護，最多不能超過14天。灌漿泵的裝載能力需要達到10～14 m/min水泥漿的速率。灌漿對環境和安全殼的溫度要求很高，要求安全殼的結構溫度為5～25 ℃，環境溫度0～35 ℃，低于或者高于均不可以進行灌漿作業。

灌漿作業分為以下幾個步驟，參照圖1倒U形灌漿示意圖。

圖1 倒U形灌漿示意圖

1.2.1 豎直段灌漿與吹漿

由于豎直段灌漿A、B 兩段工藝一樣，此處僅表述A 段灌漿方法。A、B 兩段灌漿可分開進行，也可同時進行，在灌注穹頂段緩凝漿前需將同一根倒U 形鋼束的兩根豎向段灌漿完成，即7 天內必須完成這兩根豎向段鋼束的灌漿，同時必須在7 天內完成穹頂段緩凝漿灌注。

第一步:灌漿，從倒U 形鋼束底部灌漿至A2，灌漿過程按照不同壓力界面分級進行。第二步：吹漿，除A2 和A3 以外，其他孔道全部關閉，在A2 處接上排漿管放漿，從A3 處向孔道內打入壓力為3 bar 的壓縮空氣，使漿體從A2 處排出。當A2 處無漿體排出時，取下A2 處排漿管并接在A1 處。打開A1，從A2 處向孔道內打入壓力為3 bar 的壓縮空氣，使漿體從A1 排出，隨著漿體排出量的減少，將壓縮空氣壓力逐漸降低至1 bar，直至A1 處無漿體排出。

1.2.2 穹頂段第一次段灌漿與吹漿

穹頂段初次灌漿應在豎直段灌漿后7 天內進行，此時需要A、B端同時灌注。與豎直段一樣的原理將漿體灌至最高點A0，再通過吹漿工序將漿體排至A3標高。

1.2.3 穹頂段第二次段灌漿

穹頂第二次灌漿也是最后一次，不再有吹漿工序，依然要求在上一次灌漿后七天內完成。各開孔的初始狀態：A0、A3、B3 均打開，并在A0 處接上重力補漿斗。排凈灌漿管中的水且流出漿體測流動度合格，在A3、B3 處接上灌漿管，向孔道內緩慢注入膨脹漿，開始計時。當A0 處重力補漿斗中有漿涌出時取樣測流動度，合格則停止計時，注滿重力補漿斗后關閉A3、B3，取下灌漿管。如不合格，則繼續泵漿，直至重力補漿斗內漿體流動度合格為止。

2 灌漿質量事件過程介紹

2.1 事件概述

2018年6 月，在國外某項目上，在進行內安全殼預應力倒U形V1、V5、V9、V13 4 根摩擦試驗鋼束進行灌漿施工時，施工順序為先進行4 根鋼束的A 端，A 端灌漿結束后再進行B 端灌漿，由于上述4 束鋼束密封性檢查時不符合“3 min 后壓降不超過1 bar”要求，現場采取分級的方式進行灌漿施工，其中在完成V1A 端灌漿后，進行V5A 端鋼束灌漿時，在10 bar 壓力層面穩壓后觀測時壓降超過0.25 bar，不符合分級灌漿要求，在進行多次排漿重新灌注的過程中導致最后漿體無法正常排出，從而導致質量事件出現。

2.2 事件詳細過程

在前期的制漿過程中，記錄的拌合水采用了5～7 ℃冷水，測試的流動度、溫度均滿足緩凝漿試驗指標要求。現場所測環境溫度為31 ℃，廊道孔道溫度28 ℃，穹頂孔道33.3 ℃符合設計文件要求，但是偏高。

本次灌漿是倒U形鋼束垂直段，在鋼束A 段底部進行灌漿，見示意圖2。

圖2 本次灌漿示意圖

為了避免溫度偏高的風險，施工選在了夜間進行，首先進行的V1A灌漿順利完成后，切換至V5A段進行灌漿。灌漿嚴格按照設計要求的備用措施分級進行，期間在達到2.5 bar、5 bar、7 bar壓力層面時，觀測壓降均符合要求，但是當壓力達到10 bar壓力層面后，穩壓1 min后的壓力為9.8 bar，觀測3 min 后的壓降為9.5 bar，穩定后觀測的壓降達到了0.3 bar，超過了設計要求的壓降0.25 bar 的限值范圍。現場立即要求進行排漿處理，安排人員進行排漿吹掃。排漿完成后，現場立即啟動了第二輪的灌漿工作，按照同樣的流程壓力值在2.5 bar、5 bar、7 bar層面時，觀測壓降均符合要求，但是當壓力達到10 bar 后壓降高達2 bar，遠遠超過設計要求。現場質控人員、技術人員和施工人員商定后決定進行了第二次排漿處理，隨后立即安排人員進行排漿，但未見漿體流出，啟用灌漿泵疏通管道，漿體依舊無法排除，之后采用穹頂高壓氣體進行疏通的方式依然無法排除漿體，最后使用V5B 端對鋼束進行吹漿，孔道內的漿體依然沒有流出管道，半個小時后工作人員打開底部灌漿帽，看到部分漿體已經粘附在切割后外露的鋼絞線上，灌漿帽內的水泥漿倒在地上已經不能流動。隨后現場工作人員對外露在鋼絞線上的漿體和倒在地上的漿體進行了復查，組織對鋼襯里情況進行排查，未發現有異常情況，隨即取消當天后續的鋼束灌漿作業。整個過程持續了近3個多小時，對比V1A段灌漿僅用30余分鐘，時間上已經遠遠超出正常流程所需時間。

3 原因分析

通過對整個質量事件發生的過程的分析，主要的原因可以分為以下幾點：

1)分級保壓與環境溫度的不利影響。該項目所處環境溫度較高，即使在夜間環境溫度和混凝土的溫度也接近了規定的上限值，這會導致漿體材料凝固時間縮短，如果過程中操作時間過長將會導致漿體沉淀、泌水、凝固。在此次事件中由于多次分級保壓觀測，放大了了這一不利因素。

2)灌漿時間過長。這是導致這一事件發生的直接原因，前后操作時間將近3 h，是正常灌漿時間的6倍，漿體流動度隨著時間增加而降低，最終發生堵管無法排除的情況。這其中，每一壓力層級的觀測時間、出現問題后現場管理各層級的匯報討論分析占據了大量的時間，影響了漿體的質量。

3)排漿后沒有對孔道進行有效的清理。由于布滿鋼絞線的孔道中存在大量的細微空間，漿體材料又有較強的依附能力，排漿后依然會存在大量的漿體存在狹小空間、鋼絞線表面和導管表面，這些漿體長時間釋放水化熱，在狹小空間泌水后凝固，導致第二次灌漿后無法排除。

4)應急管理不足。針對施工環境惡劣的客觀情況，針對可能出現的質量風險沒有提前做好策劃和應對方案。在問題發生后才進行各級匯報和分析，浪費了大量的寶貴時間，同時針對問題處理措施的制定存在較多不科學不合理的地方，例如排漿后未對孔道進行清理等。

以上四點原因是此次倒U形鋼束灌漿出現質量事件的主要原因。

4 處理措施

經過現場對V5 鋼束A 端灌漿中斷灌漿過程記錄的數據分析，計算灌入漿體數量，算出已經灌注的高度，表明管道內漿體已灌到標高42.5 m 處。施工現場采取了真空壓力灌漿工藝，將真空泵放置在49.1 m 標高A2處對管道進行負壓抽真空，在標高45.3 m 的A1 處進行壓力灌漿，具體見圖3。

圖3 真空灌漿示意圖

具體操作流程如下：

1)將灌漿泵系統安裝完成，A1與A1′連接;

2)將真空泵系統安裝完成，真空泵連接接頭A2′與A2 連接;

3)關閉A2 之外的所有球閥，并抽至-750～-950 mbar，在A1 處將漿體泵入，真空泵持續開啟并保持壓力；

4)直到A2 處有漿體流出；

5)當漿體到達A2 時(通過透明軟管觀察)，關閉灌漿泵，關閉真空泵，測A2 處漿體流動度；

6)最后關閉A2 處的閥門，在A1 處用5 bar 的壓力保壓1 min。

該措施處理后，通過計算泵入量等數據，顯示結果達到了預期目標。

5 優化方向與建議

本次倒U形灌漿中斷質量事件的出現一方面是“華龍一號”預應力工程本身施工難度大、質量難以控制，并且沒有成熟的經驗參考這些客觀因素造成。同時更重要的是施工過程中管理上缺乏有效的風險識別和預判，沒有指定詳細的風險應對措施，同時已有的處理措施缺乏充分的技術分析和討論，可行性大打折扣。

對此，提出 “華龍一號”倒U形灌漿優化方向供后續機組建設參考。

5.1 灌漿方式的適應性

針對孔道打壓不滿足設計文件要求的情況，灌漿采用分級保壓的方法，這一方法的選擇需要慎重。這一施工方法存在一定的風險，特別是針對環境干燥、溫度較高的地區，這些不利的環境因素加上分級過程的多次停頓極易造成漿體流動性降低、快速泌水凝固，導致灌漿無法順利完成。因此，這一方式在國內的核電，例如福建福清核電就非常適用，因為福建福清核電施工現場濕度大、夜間溫度不會超過30 ℃，實際分級保壓灌漿這一施工方式最初是針對福清核電這樣的施工環境提出的。

5.2 應急預案和準備工作要充分

灌漿前應在穹頂上或雙殼間準備好水源、壓縮空氣，同時應嚴格按施工方案及技術規格書要求選擇灌漿時的環境溫度，即0～35 ℃。應急處理的流程需要簡化，不應設置大量層級的匯報，現場技術人員和質控人員在問題發生后有權力第一時間采取已制定的措施，不需再進行匯報。

5.3 灌漿中的細節問題把握

應注意在灌漿泵向孔道中注漿時，入口處壓力表示值會有波動，當灌漿過程中需觀察壓力表壓力時，應先停止灌漿泵，停止灌漿3 min，觀察壓降，此時，如壓力持續下降則判斷為壓力異常，需要立即采取措施進行處理。

5.4 應急處理的響應

需要排除漿體時，盡量在最短的時間內完成排漿并用壓縮空氣吹空導管和灌漿口,排漿后需對孔道進行沖洗和吹掃。再次灌漿的漿體材料建議重新制備，出機時間盡量不要超過1 h。排除的漿體材料不可以再次使用，應當予以報廢。全流程的處理不要超過3 h。

6 結論

“華龍一號”是目前我國自主三代核電技術，承擔著中國核電“走出去”的歷史重任，目前福建福清核電“華龍一號”首堆示范工程正在如火如荼的建設中，將建設中的各類經驗反饋及時有效的傳達、落實和優化關系到“華龍一號”工程建設的質量保障和順利推進，確保后續新機組的建設能夠有效規避類似問題的出現。預應力灌漿中的細節把控關系到實體的最終質量，也關系到機組的核安全屏障。