“華龍一號”鋼襯里全模塊化施工技術(shù)

湯志孟，夏倩文

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是中國自主研發(fā)、具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，具有核電發(fā)展戰(zhàn)略性意義，其安全殼鋼襯里與預應力混凝土結(jié)構(gòu)共同組成核反應堆的第三道安全屏障。通過優(yōu)化建造工期、改善作業(yè)環(huán)境、降低交叉高風險作業(yè)安全風險、提質(zhì)增效、最優(yōu)產(chǎn)品性價比研究，實現(xiàn)鋼襯里施工的標準化、機械化、輕量化、集成化。按照工期優(yōu)化、開頂法的思路從模塊化施工、工藝優(yōu)化、標準化建設(shè)等方面切入研究，形成高性價比的“華龍一號”批量化建造技術(shù)。

1 工程概況

“華龍一號”鋼襯里是反應堆廠房安全殼的主要組成部分，起著防泄漏及預應力混凝土的模板作用。鋼襯里主要由底板、加腋區(qū)、筒體和穹頂四大部分組成，為底板+加腋區(qū)外徑45 612 mm、筒體外徑46 812 mm、穹頂外徑46 812 mm半球體組成的帶肋殼體，壁板材質(zhì)為Q265HR、壁厚為δ6 mm。鋼襯里外側(cè)均勻布置縱橫網(wǎng)狀加勁肋角鋼和錨固釘，不均勻布置閘門套筒、貫穿件套筒、貫穿性和非貫穿性錨固件，筒體10段上分布有45件環(huán)吊牛腿和6件連體貫穿件套筒，其中PCS熱交換器安裝于筒體8a、9a段，環(huán)吊檢修平臺安裝于筒體9b、10a段。鋼襯里結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 鋼襯里結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel lining structure

2 施工重難點分析

2.1 施工邏輯優(yōu)化

核島反應堆廠房施工為核電廠主線工期路徑，鋼襯里為主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與其相輔相成的主要有內(nèi)殼混凝土、PCS熱交換器支架、環(huán)形吊車組件、環(huán)形檢修平臺，交叉施工較多，模塊化施工和層段劃分直接影響工期，需系統(tǒng)性對施工工藝、邏輯進行分析優(yōu)化。

2.2 模塊設(shè)計優(yōu)化

模塊的設(shè)計直接影響內(nèi)殼混凝土及其周邊物項的施工邏輯，按傳統(tǒng)模塊化施工方法將13段筒體分為3個模塊+8段高空散拼，存在常態(tài)化的高風險作業(yè)和交叉施工，結(jié)合核島施工邏輯、現(xiàn)場吊運能力、鋼廠生產(chǎn)及運輸能力、混凝土高差等對模塊進行設(shè)計優(yōu)化，將直接影響施工邏輯、成本和安全管理。

2.3 確定吊裝工藝

按照模塊設(shè)計的重量情況，設(shè)計配套的吊索具系統(tǒng)，模擬模塊拼裝、吊裝、就位各階段的結(jié)構(gòu)受力和形變情況，根據(jù)起吊重量、現(xiàn)場總平面實際情況，匹配吊車工況和選型，并按照模擬吊、試吊、正式吊三步逐步驗證的方式吊裝。

2.4 模塊安裝精度控制

(1)模塊化施工相比傳統(tǒng)單片吊裝，模塊的成型狀態(tài)必須在拼裝階段控制到位才能保證最終安裝精度，安裝后為最終驗收狀態(tài)，必須提高預制、拼裝階段的工藝精度和驗收標準。

(2)模塊由拼裝成型狀態(tài)至安裝狀態(tài)，期間經(jīng)吊裝引起的變形將影響整體安裝精度，通過模擬驗算等手段分析出的吊裝薄弱點，設(shè)置防變形工裝。

(3)模塊安裝過程的受力驗算，對模塊摘鉤的受力狀態(tài)、安裝后的受力狀態(tài)進行模擬驗算，控制內(nèi)外受力均勻，避免施工變形。

(4)吊裝前、吊裝過程、就位時、安裝后、混凝土澆筑后全過程對模塊的精度數(shù)據(jù)進行測量，建立全周期測量數(shù)據(jù)包，及時分析調(diào)整模塊精度控制方向。

3 施工工藝設(shè)計

3.1 安全殼施工邊界工序優(yōu)化

按照核島安全殼的結(jié)構(gòu)組成及施工工藝，鋼襯里施工邊界主要有以下四方面：

(1)底板混凝土后澆層與加腋區(qū)下部水平段

傳統(tǒng)工序：筏基澆筑→底板支撐系統(tǒng)安裝→底板安裝→加腋區(qū)下部L形板安裝→底板混凝土后澆層施工→加腋區(qū)豎直段安裝。

工序優(yōu)化點：

1)為實現(xiàn)底板和墻體平行施工，將底板和墻體的施工邏輯打斷，形成2個施工面，在鋼襯里底板與加腋區(qū)下部水平段增加一圈環(huán)形外環(huán)板；

2)將加腋區(qū)下部水平段和外環(huán)板規(guī)劃至加腋區(qū)模塊中，規(guī)避加腋區(qū)安裝風險，取消底板混凝土后澆層，直接將底板澆筑至模塊安裝標高；

3)將底板外環(huán)板和加腋區(qū)下部L型板規(guī)劃至模塊中，有效避免了底板豎向筋與模塊安裝的干涉問題，提前創(chuàng)造模塊吊裝時機，減少環(huán)向焊縫施工工期，為加腋區(qū)豎直段區(qū)域筒體混凝土墻體鋼筋綁扎創(chuàng)造了先機。

優(yōu)化后工序有兩種,平行工序1：筏基澆筑→模塊安裝，平行工序2：筏基澆筑→底板支撐系統(tǒng)安裝→底板安裝。

(2)加腋區(qū)上部水平段與墻體鋼筋、混凝土澆筑

傳統(tǒng)工序：加腋區(qū)豎直段安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區(qū)墻板混凝土澆筑→加腋區(qū)上部水平段安裝→筒體1段安裝→加腋區(qū)墻板混凝土強度達到C30→模塊2安裝。

工序優(yōu)化點：

1)在加腋區(qū)水平段下側(cè)增加支撐系統(tǒng)，加腋區(qū)上部水平段規(guī)劃至模塊1中[4]，加腋區(qū)墻板混凝土澆筑不需澆筑至加腋區(qū)水平段標高位置即可完成加腋區(qū)水平段安裝。

2)優(yōu)化為可拆式的斜向支撐，與筒體背肋角鋼形成受力體系，有效避免了加腋區(qū)上部水平段3 mm/1 m水平度因焊接變形控制難超差及該位置鋼筋綁扎與支撐系統(tǒng)干涉問題。

3)因加腋區(qū)墻板混凝土強度澆筑至加腋區(qū)水平段標高才能進行模塊2安裝，在加腋區(qū)水平段下側(cè)設(shè)計豎向支撐系統(tǒng)，提前為模塊2安裝創(chuàng)造條件(加腋區(qū)墻板混凝土澆筑可減少1層)。

優(yōu)化后工序：模塊1安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區(qū)墻板混凝土澆筑→模塊2安裝。

(3)PCS熱交換器安裝

傳統(tǒng)工序：筒體7段、8段、9段安裝→錨固件安裝→墻體混凝土澆筑至標高+31.4 m→PCS熱交換器支架安裝→PCS熱交換器安裝。

工序優(yōu)化點：實現(xiàn)PCS熱交換器能夠在穹頂?shù)跹b前引入，且又不影響環(huán)形吊車安裝主線，將PCS熱交換支架規(guī)劃至鋼襯里模塊中，提前實現(xiàn)PCS熱交換器安裝條件。

(4)環(huán)形吊車組件、環(huán)形檢修平臺安裝

傳統(tǒng)工序：筒體9段、10段安裝→連體貫穿件套筒、錨固件安裝→環(huán)吊牛腿安裝→混凝土澆筑至+42 m→環(huán)形吊車組件安裝→環(huán)形檢修平臺安裝(插空高空散裝)。

工序優(yōu)化點：

1)連體貫穿件套筒、環(huán)吊牛腿、環(huán)形檢修平臺規(guī)劃至環(huán)吊牛腿模塊中，減少現(xiàn)場安裝、RT檢測時間等，規(guī)避交叉施工，減少高風險作業(yè)。

2)環(huán)形檢修平臺提前安裝可將安裝單位與土建內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工面分開，減少核島塔吊資源占用，減少安裝單位環(huán)承梁安裝操作平臺搭設(shè)。

優(yōu)化后工序：模塊環(huán)吊牛腿模塊安裝→環(huán)形吊車組件定位、施工準備→混凝土澆筑至+42 m→環(huán)形吊車組件安裝。

3.2 模塊組成設(shè)計

(1)鋼襯里筒體壁板分段劃塊設(shè)計優(yōu)化

按照施工現(xiàn)場吊裝、運輸、拼裝實際水平及國內(nèi)鋼廠寬度方向的實際生產(chǎn)、運輸水平(材料性能、平整度等各項指標滿足設(shè)計要求)，并結(jié)合鋼襯里環(huán)吊牛腿、貫穿件、錨固件的安裝位置與鋼襯里組拼焊縫避讓最優(yōu)(減少丁字接頭數(shù)量)等原則，將鋼襯里筒體由13段優(yōu)化為10段。

(2)鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考《壓水堆核電在廠反應堆安全殼鋼襯里施工技術(shù)規(guī)程》(NB/T 20159—2012)要求鋼襯里壁板高度與混凝土墻的高度差不應超過19 m[1]，結(jié)合目前內(nèi)殼混凝土澆筑工藝(層段高度不應超過3 m)，按照筒體壁板的分段對模塊進行分段，主要包括施工邊界三個模塊：加腋區(qū)模塊、PCS熱交換器支架建安一體化模塊、環(huán)吊牛腿及次鋼平臺組合型模塊。具體分布見圖2。

圖2 鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Structural design drawing of steel lined module

(3)鋼襯里與混凝土層高差驗算

結(jié)合模塊預制、拼裝產(chǎn)能及混凝土施工效率，提前模擬驗算每個階段的混凝土與模塊的施工狀態(tài)。針對具體工況驗算鋼襯里模塊與混凝土的高差受力和變形情況，最大限度實現(xiàn)土建與鋼結(jié)構(gòu)施工無縫連接。

3.3 吊裝工藝設(shè)計

(1)模塊重量

按照鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合匹配的施工工裝、吊索具系統(tǒng)，對模塊重量進行統(tǒng)計。

(2)吊索具系統(tǒng)

按照鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)及薄壁、偏心等特點，優(yōu)先選用桁架結(jié)構(gòu)二級平衡吊索具系統(tǒng)[3]，并進行吊裝全過程的模擬計算。詳見圖3。

圖3 吊索具系統(tǒng)示意圖(以環(huán)吊牛腿模塊為例)Fig.3 Schematic diagram of sling system (Taking the ring hoist leg module as an example)

(3)吊裝模式選擇

“華龍一號”堆型設(shè)計為核島中心、周邊輔助廠房環(huán)抱的方式，吊車站位點距離廠房的作業(yè)半徑通常會比較大，一般都能達到70 m以上，按照這種特點首選塔式履帶起重設(shè)備。模塊由廠房負挖狀態(tài)即開始吊裝施工、且模塊體積較大，因此模塊拼裝場地一般都距離廠房較遠，需要考慮負載行走的吊裝模式，且起重負載率一般控制在78%～88%。吊車行走路線、起重站位點、配重存放點等地基情況應滿足吊車設(shè)備性能要求。

(4)吊裝工藝

吊裝過程分三個階段進行:

1)模擬吊裝：按照正式吊裝流程、路徑和起重機操作動作進行空載演練，主要是驗證流程和空間的滿足性。

2)試吊裝：將起重機在正式吊裝起吊位置按方案將吊索具及附屬措施與模塊本體連接，原地提升模塊，通過對鋼絲繩、配重的調(diào)整，使模塊達到吊裝技術(shù)條件，同時驗證起重機、吊索具的可靠性。

3)正式吊裝：完成模塊由拼裝地轉(zhuǎn)移到安裝位置，并對模塊進行支撐、固定，實現(xiàn)吊鉤完全卸載的目標。

4 主要技術(shù)措施

4.1 模塊重心調(diào)平措施

1)通過有限元分析，得出模塊的重心坐標(X，Y，Z)，見圖4。

圖4 模塊的重心坐標Fig.4 The coordinate of gravity center of module

2)根據(jù)模塊總重量GM、調(diào)平配重形心半徑RC(配重放置的平臺位置)，計算出調(diào)平配重的GPZ、MPZ的重量。

3)根據(jù)調(diào)平配重的重量和預施加位置，加載至有限元模型中，驗證確認調(diào)平配重施加后的受力狀況。配重材料選用鋼筋或者型鋼；在施加區(qū)域內(nèi)均勻固定在平臺上鋪設(shè)，并對平臺進行承載計算。

4)在模塊試吊過程中進行應力監(jiān)測，通過在吊裝吊索具系統(tǒng)上設(shè)置應力監(jiān)測系統(tǒng)(連接鋼索計和應變計等)，用于重心調(diào)平過程吊索具系統(tǒng)的應力監(jiān)測，確保吊裝系統(tǒng)受力穩(wěn)定。

4.2 模塊精度控制措施

1)為確保模塊上下口“刀鋒間”0～3 mm組對間隙[4]、模塊整體角度及半徑位置，通過設(shè)計模塊安裝工裝系統(tǒng)控制模塊就位角度，包括環(huán)向限位裝置、環(huán)向調(diào)整裝置、徑向限位裝置、錯邊調(diào)整裝置。

2)將拼裝完成的模塊上口數(shù)據(jù)返至正在拼裝的模塊拼裝場地上，按照上一個模塊的周長偏差情況總體控制模塊拼裝半徑偏差方向。在場地中標識出幾組關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括坐標系、焊縫角度線、每塊壁板的背肋角鋼角度線，控制模塊最終組成。

3)模塊拼裝時控制模塊每一層角鋼的半徑值、弧度在設(shè)計要求范圍，符合要求后才進行下一層拼裝。對于因環(huán)形角鋼設(shè)計位置有貫穿件套筒或錨固件的位置，補充臨時防變形角鋼。模塊拼裝完成后測量模塊上口、下口角鋼位置的圓弧度、凹凸度和半徑。

4)模塊吊裝前，提前測量模塊高度，根據(jù)模塊高度切割上個模塊上口。將密集區(qū)域的安裝物項定位角度提前投影標識至模塊下口位置，并在核島上個模塊上口上提前測量出此角度位置并標識。模塊就位時嚴格控制安裝物項的標識重合度。

5)用有限元提前模擬模塊吊裝全過程的受力狀態(tài)，分析模塊吊裝過程的變形情況，對于超過Q265HR鋼板變形指數(shù)(約17 mm)的區(qū)域，提前設(shè)置防變形加固工裝。

4.3 模塊吊裝安全控制措施

1)模擬分析吊裝過程的總平面狀態(tài)，包括吊裝活動過程中的工程施工狀態(tài)、現(xiàn)場機械運行狀態(tài)(特別是塔吊、布料機、施工電梯等)，就位期間周邊物項狀態(tài)，吊車大臂、履帶行走路線及配重回轉(zhuǎn)區(qū)域的狀態(tài)(包括地質(zhì)情況、基地沉降觀測、廠房安全距離等)。

2)按照現(xiàn)場實際狀況編制模擬視頻動畫，通過模擬動畫篩查處安全監(jiān)督重點，進一步核實現(xiàn)場該部分物項狀態(tài)。

3)通過模擬吊，讓吊車空載運轉(zhuǎn)，模擬吊裝過程的機械動作，利用空間測量，1∶1模擬模塊吊裝實際情況，進一步驗證空間干擾及吊車操作系統(tǒng)安全。

4)通過試吊，原地提升模塊，使吊索具系統(tǒng)達到吊裝狀態(tài)，驗證吊車、吊索具連接可靠性及受力狀態(tài)，同時驗證吊車站位地基受力穩(wěn)定性，通過應力監(jiān)測進行偏心調(diào)平確保吊裝安全。

5 結(jié)論

“華龍一號”是我國具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，其鋼襯里模塊化建造施工技術(shù)將會對后續(xù)國家核電產(chǎn)業(yè)布局產(chǎn)生深遠影響。鋼襯里全模塊化施工代表著目前國際領(lǐng)先建造技術(shù)水平，充分體現(xiàn)了建筑行業(yè)綠色施工、裝配式施工的創(chuàng)造性與先進性，具有重要的推廣價值。