“華龍一號(hào)”抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭施工技術(shù)研究與應(yīng)用

鄒少俊，屈 璐

(中國(guó)核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，河北 廊坊 065001)

“華龍一號(hào)”作為我國(guó)自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，是我國(guó)后續(xù)核電發(fā)展的重點(diǎn)選擇技術(shù)路線之一。“華龍一號(hào)”核電堆型在設(shè)計(jì)上與M310堆型(二代核電廠)相比，有較大改進(jìn)創(chuàng)新。在“華龍一號(hào)”重大設(shè)計(jì)改進(jìn)中，結(jié)合國(guó)際和國(guó)內(nèi)對(duì)核電廠抗飛機(jī)撞擊的研究，提出并實(shí)施了抗商用大飛機(jī)撞擊的重要技術(shù)方案，以增強(qiáng)核電廠抵御大型商用飛機(jī)撞擊的能力，避免在該類(lèi)事故下出現(xiàn)放射性物質(zhì)的泄露和大量釋放，從而保護(hù)人員和環(huán)境避免輻射危害。該方案中應(yīng)用了一種新型鋼筋機(jī)械接頭，即抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭，其具有高強(qiáng)、快速?zèng)_擊性能，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的傳統(tǒng)機(jī)械連接接頭無(wú)法滿足該性能要求。福清核電廠通過(guò)引進(jìn)國(guó)外新型的“擠壓—螺紋組合式”連接技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。但是，該機(jī)械接頭采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，其采購(gòu)價(jià)格為國(guó)內(nèi)普通機(jī)械接頭的20倍左右。為了打破國(guó)外的技術(shù)壁壘，突破“卡脖子”技術(shù)，降低施工成本，通過(guò)與國(guó)內(nèi)廠家聯(lián)合開(kāi)展課題攻關(guān)研究，選取多種機(jī)械接頭連接形式進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定了滿足要求的抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭連接工藝，并在漳州核電項(xiàng)目率先實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化施工。

1 抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭技術(shù)指標(biāo)

抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭除滿足《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》中對(duì)Ⅰ級(jí)接頭要求的技術(shù)指標(biāo)外，還有以下性能指標(biāo)：1)最為突出的技術(shù)特征為須滿足抗瞬間加載沖擊的技術(shù)要求。瞬間加載沖擊試驗(yàn)：將標(biāo)距過(guò)的鋼筋機(jī)械接頭試件放在試驗(yàn)加載器的夾具之間，控制加載應(yīng)變率為1.0 s-1，即加載速率V0=L0(mm/s)，L0為夾具之間的長(zhǎng)度，要求接頭試件的破壞必須發(fā)生在鋼筋母材上，最大力總伸長(zhǎng)率Agt≥5%；2)抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)與普通鋼筋機(jī)械接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)要求不同，抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)必須一次合格，若不合格則此批次鋼筋機(jī)械接頭全部報(bào)廢處理，成本損失巨大，且嚴(yán)重影響施工效率。抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭技術(shù)指標(biāo)

2 國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭連接形式介紹

國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械連接(GRIPTEC連接)技術(shù)，是擠壓連接與螺紋連接同時(shí)使用的一種組合式連接，以擠壓實(shí)現(xiàn)套筒與單根鋼筋之間的咬合，以螺紋實(shí)現(xiàn)套筒與套筒之間的接頭連接。GRIPTEC連接法的優(yōu)點(diǎn)是兼顧了擠壓連接法優(yōu)良的力學(xué)性能和直螺紋連接法施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又有別于傳統(tǒng)的擠壓連接和螺紋連接。福清核電廠5、6號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)使用的是國(guó)外的抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭，接頭形式如表2所示。

表2 國(guó)外抗飛機(jī)撞擊用鋼筋機(jī)械接頭形式

3 國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分析

3.1 國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭優(yōu)點(diǎn)分析

3.1.1 優(yōu)良的力學(xué)性能

GRIPTEC型接頭是把鋼筋插入套筒后驅(qū)動(dòng)油缸，讓套筒連同鋼筋一起通過(guò)一個(gè)小于其直徑的擠壓孔，讓套筒在其徑向方向和長(zhǎng)度方向都產(chǎn)生塑性變形，使得套筒完全咬合于鋼筋上，不再僅僅是局部而是整體的塑性變形，套筒與鋼筋之間的咬合力強(qiáng)于傳統(tǒng)的擠壓咬合，接頭質(zhì)量更高。在螺紋連接技術(shù)方面，GRIPTEC型接頭的螺紋完全是在套筒生產(chǎn)企業(yè)的車(chē)間工廠化生產(chǎn)，加工出的螺紋成品絲扣極為標(biāo)準(zhǔn)，螺紋質(zhì)量非常穩(wěn)定。

3.1.2 良好的可操作性

傳統(tǒng)的直螺紋連接技術(shù)，其螺紋并非完全是直螺紋，部分絲牙大小因加工誤差會(huì)存在不一致，從一開(kāi)始便需要借助扳手，操作時(shí)有滑絲風(fēng)險(xiǎn)，并且螺紋尾部有約三扣的過(guò)度螺紋，需要使用較大的力量才能把套筒擰緊，不利于接頭力矩的達(dá)標(biāo)。而GRIPTEC型接頭的螺紋完全是精致直螺紋，一定程度上可以直接用手把套筒擰到底，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)能夠獲得較高的施工速度，節(jié)約工期，質(zhì)量也更容易得到保證。

3.1.3 加工制造機(jī)械化程度高

GRIPTEC型接頭的冷擠壓過(guò)程是在后臺(tái)車(chē)間用GRIPTEC機(jī)器加工完成的，機(jī)械化程度非常高。鋼筋斷料完成后，調(diào)節(jié)機(jī)械自帶的數(shù)控系統(tǒng)，按照需要加工的鋼筋的級(jí)別、規(guī)格、直徑來(lái)設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工。

3.2 國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭不足

“華龍一號(hào)”外層安全殼和防護(hù)廠房為飛機(jī)撞擊直接影響區(qū)域，需采用抗飛機(jī)撞擊用鋼筋機(jī)械接頭，這種接頭需通過(guò)高速?zèng)_擊試驗(yàn)。國(guó)際上僅德士達(dá)產(chǎn)品通過(guò)了高速?zèng)_擊試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并在核電項(xiàng)目上有供貨業(yè)績(jī)，福清核電5、6號(hào)機(jī)組“華龍一號(hào)”項(xiàng)目此前均采購(gòu)此產(chǎn)品。但是，該產(chǎn)品價(jià)格昂貴，其采購(gòu)價(jià)格為國(guó)內(nèi)普通機(jī)械接頭的20倍左右，工程造價(jià)高，采購(gòu)周期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，不利于施工現(xiàn)場(chǎng)成本與進(jìn)度的管控，且關(guān)鍵技術(shù)受制于人。

4 抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的國(guó)產(chǎn)化研究

為了打破國(guó)外的技術(shù)壁壘，突破“卡脖子”技術(shù)，華龍科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)在漳州核電廠進(jìn)行了抗飛機(jī)鋼筋機(jī)械接頭的國(guó)產(chǎn)化研究。

4.1 市場(chǎng)調(diào)研分析對(duì)比

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼筋機(jī)械接頭生產(chǎn)廠家的調(diào)研，初步確定了4個(gè)廠家的方案作為可選方案，然后經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)分析論證，選擇最優(yōu)性能機(jī)械接頭作為國(guó)產(chǎn)化的抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭。具體分析內(nèi)容如表3～表6所示。

表3 工藝對(duì)比

4.2 選型分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)廠家實(shí)地調(diào)研及對(duì)比分析，總結(jié)如下：

廠商A：機(jī)械接頭加工工藝為整形后滾扎套絲直螺紋連接，有發(fā)明專(zhuān)利，安裝難度與普通機(jī)械接頭類(lèi)似，質(zhì)量控制難度較小，質(zhì)量穩(wěn)定性相對(duì)較高，設(shè)備維護(hù)難度較大。

廠商B：機(jī)械接頭加工工藝為仿國(guó)外抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭工藝，有實(shí)用新型專(zhuān)利(一種防爆鋼筋連接套筒)，存在侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。

廠商C：機(jī)械接頭加工工藝為獨(dú)創(chuàng)錐套工藝，有發(fā)明專(zhuān)利。現(xiàn)場(chǎng)施工需增加設(shè)備倒運(yùn)工作，作業(yè)平臺(tái)需增加液壓泵放置區(qū)域，對(duì)作業(yè)平臺(tái)承載力要求較高，施工整體工效較低。

廠商D：機(jī)械接頭加工工藝為仿國(guó)外抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭工藝，暫處于完成機(jī)械接頭國(guó)產(chǎn)化研究階段，暫未達(dá)到設(shè)備、產(chǎn)品量產(chǎn)化水平。

因此，綜合考慮施工成本、工藝的難易程度以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)狀況，選擇廠商A的產(chǎn)品作為國(guó)產(chǎn)化抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭。

4.3 抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭形式確定

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將國(guó)產(chǎn)化抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭連接用的套筒型式定為標(biāo)準(zhǔn)型、異直徑型、加長(zhǎng)絲型、加長(zhǎng)套筒型、異直徑加長(zhǎng)型，如圖1～圖3所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)型和異直徑型套筒示意圖Fig.1 Schematic of standard and special diameter sleeves

圖2 加長(zhǎng)絲與加長(zhǎng)套筒型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the elongated wire and the elongated sleeve type

圖3 異直徑加長(zhǎng)套筒型示意圖Fig.3 Schematic diagram of a different-diameter extended sleeve

4.4 抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭性能試驗(yàn)

對(duì) HRB500E直徑為40 mm、32 mm鋼筋機(jī)械接頭進(jìn)行評(píng)定，分別為標(biāo)準(zhǔn)型鋼筋機(jī)械接頭40mm、32 mm各一組，異徑型鋼筋機(jī)械接頭32/40 mm一組，加長(zhǎng)絲型鋼筋機(jī)械接頭40 mm、32 mm各一組，加長(zhǎng)套筒型鋼筋機(jī)械接頭40 mm、32 mm各一組，異徑加長(zhǎng)套筒型鋼筋機(jī)械接頭 32/40 mm 一組，評(píng)定數(shù)量共為8組，每組3根。

4.4.1 工藝流程

鋼筋斷料→鋼筋端部整形→鋼筋滾軋直螺紋→鋼筋連接→擰緊力矩值檢查→抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

4.4.2 工藝實(shí)施要點(diǎn)

鋼筋斷料加工及端部整形采用專(zhuān)門(mén)設(shè)備和與之配套的油泵進(jìn)行[1]。

絲頭加工設(shè)備應(yīng)用QGG40型高速鋼筋螺紋成型機(jī)[1]。

標(biāo)準(zhǔn)型、異直徑型鋼筋接頭兩端鋼筋絲頭長(zhǎng)度均為標(biāo)準(zhǔn)絲長(zhǎng)度；加長(zhǎng)絲型鋼筋接頭一端為標(biāo)準(zhǔn)絲長(zhǎng)度、一端為加長(zhǎng)絲型接頭用加長(zhǎng)絲長(zhǎng)度；加長(zhǎng)套筒型鋼筋接頭一端為標(biāo)準(zhǔn)絲長(zhǎng)度、一端為加長(zhǎng)套筒型接頭用加長(zhǎng)絲頭長(zhǎng)度；異直徑加長(zhǎng)套筒型鋼筋接頭一端為標(biāo)準(zhǔn)絲長(zhǎng)度、 一端為異徑加長(zhǎng)套筒型接頭用加長(zhǎng)絲長(zhǎng)度。

在進(jìn)行鋼筋連接時(shí)，鋼筋規(guī)格應(yīng)與連接套筒規(guī)格一致，并保證絲頭和連接套筒內(nèi)螺紋干凈、完好無(wú)損；鋼筋連接時(shí)應(yīng)用扳手將絲頭在套筒中央位置頂緊。用扳手或管鉗將直螺紋連接套筒與一端鋼筋擰到位，再將另一端鋼筋與連接套筒擰到位。

4.4.3 工藝試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù) JGJ 107—2016《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》及技術(shù)規(guī)格書(shū)-1.14《混凝土工程 抗飛機(jī)撞擊用鋼筋機(jī)械接頭》中的相關(guān)規(guī)定[2]，對(duì)機(jī)械接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭試件均滿足規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判定該工藝可以用于現(xiàn)場(chǎng)。

4.5 實(shí)施效果

通過(guò)攻克抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的相關(guān)指標(biāo)，在漳州核電廠實(shí)現(xiàn)了抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外技術(shù)壁壘，施工成本顯著降低，且申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)可控。

4.6 現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制及成品保護(hù)措施

為了提高抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的施工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)也從管理層面進(jìn)行了優(yōu)化。嚴(yán)格執(zhí)行“三檢一驗(yàn)”制度，層層把關(guān)，讓人人都有責(zé)任轉(zhuǎn)變?yōu)槿巳硕际且坏榔琳稀８鶕?jù)規(guī)范要求，抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭力矩值監(jiān)理抽查率為10%，施工單位要求一級(jí)質(zhì)檢進(jìn)行100%檢查，二級(jí)質(zhì)檢抽查率不低于25%。同時(shí)，加強(qiáng)成品保護(hù)，連接機(jī)械接頭的套筒必須用塑料保護(hù)帽密封，以保持內(nèi)部潔凈、干燥、防銹。通過(guò)上述措施的執(zhí)行，有效保證了抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的施工質(zhì)量。

5 結(jié)論

通過(guò)分析國(guó)外抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的技術(shù)特點(diǎn)，梳理解決工藝評(píng)定、驗(yàn)收過(guò)程的問(wèn)題，優(yōu)化加工、安裝、檢測(cè)的流程，使“華龍一號(hào)”抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的質(zhì)量得到了很好的控制，應(yīng)用效果良好。同時(shí)，在引進(jìn)新工藝的過(guò)程中進(jìn)行自主研發(fā)，與生產(chǎn)廠家進(jìn)行攻關(guān)研究，通過(guò)對(duì)抗飛機(jī)撞擊鋼筋機(jī)械接頭的性能指標(biāo)的分析，在漳州核電“華龍一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外技術(shù)的壁壘，顯著降低施工成本，具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。