國際熱核聚變實驗堆下杜瓦冷屏安裝

林祖煌

（中國核工業二三建設有限公司ITER項目部，北京 101300）

核聚變研究是當今世界科技界為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作計劃。ITER計劃是實現聚變能商業化必不可少的一步，其目標是驗證和平利用聚變能的科學和技術可行性。ITER計劃集成了當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，擁有可靠的科學依據并具備堅實的技術基礎。下杜瓦冷屏是托卡馬克杜瓦裝置安裝的第一個冷屏系統，位于杜瓦底座與真空室之間，由18塊冷屏筒體板通過螺栓連接預組裝而成后再整體吊裝，整體重量約45t（不含TSM管道）。下杜瓦冷屏具有直徑大、預組裝精度要求高、吊裝就位過程間隙小等特點，這些特點對下杜瓦冷屏的預組裝與吊裝工作提出了非常高的要求。本文結合現場施工過程的實際情況，論述了通過激光跟蹤測量以及偏差雷達圖確保預組裝精度的方法，通過水平度調節以及導向工裝安裝以保障下杜瓦冷屏吊裝安全及精準就位的方法。

1 下杜瓦冷屏概述

1.1 下杜瓦冷屏結構

下杜瓦冷屏由18塊冷屏筒體板通過螺栓連接預組裝而成后再整體吊裝，18塊冷屏板分為5類典型板，尺寸為5000mm×3300mm（高×寬），板的厚度為10mm，每塊冷屏板除了板體本身，還包括頂部迷宮板、CFT迷宮板、支撐面板、中間墊片結構，總體重量約為2.4t/片。

1.2 下杜瓦冷屏安裝技術要求

（1）下杜瓦冷屏預組裝技術要求。下杜瓦冷屏的預組裝工作是在托卡馬克組裝大廳進行。在組裝大廳地面先安裝36個錨板和9塊支撐單元（用于支撐偶數板），然后，安裝9塊奇數板。下杜瓦冷屏的預組裝精度：

① 錨 板：X/Y＜ ±2mm。 ② 支 撐 單 元：X/Y＜±0.5mm，Z＜±0.2mm，垂直度＜±0.5mm。③預組裝完成72個基準點最終位置精度：X/Y＜±2mm，Z＜±1mm。

（2）下杜瓦冷屏吊裝技術要求。在正式起吊前，要求將整體水平高差調整到不大于20mm。使用50t行車正式起吊，將下杜瓦冷屏從組裝廠房吊至托克馬克廠房，并通過3套導向柱和調整單元將下杜瓦冷屏調整至要求位置，然后將下杜瓦冷屏就位到預先放置在杜瓦底座上的千斤頂上，下杜瓦冷屏在杜瓦內支撐上的就位精度為X/Y±2mm，Z±1mm。

2 下杜瓦冷屏安裝難點分析

2.1 預組裝精度控制

下杜瓦冷屏由18塊冷屏筒體板預組裝而成，預組裝后直徑為20m，預組裝完成后72個基準點最終位置精度：X/Y＜±2mm，Z＜±1mm。預組裝的場地土建誤差大，冷屏板本身存在制造誤差，且在出廠前未做過整體預組裝試驗，如何在現場預組裝時確保最終位置精度滿足技術要求是一個非常重要的課題。

2.2 就位間隙

通過現場環境分析并結合三維模型的分析計算，下杜瓦冷屏整體吊裝就位過程中，下杜瓦冷屏與杜瓦底座的最小位置間隙僅為41mm。如何保證吊裝過程不發生碰撞等安全問題是一大難點。

3 下杜瓦冷屏預組裝

3.1 預組裝步驟

在組裝場地上放線、鉆孔→安裝錨板→安裝支撐單元→安裝在支撐單元上的冷屏板（偶數板）→安裝在支撐單元之間的冷屏板（奇數板）→將冷屏板調整到位（合環）→螺栓力矩緊固→復測→拆除支撐單元。在預組裝過程的以下步驟中采用了激光跟蹤測量進行精度控制：在組裝場地上放線、鉆孔、安裝錨板、安裝支撐板、安裝非支撐板、將冷屏板調整到位、復測。同時，在將冷屏板調整到位的步驟中采用了“激光跟蹤測量以及偏差雷達圖分析相結合”的方法，最終確保冷屏板合環精度滿足技術要求。如圖1所示。

圖1 冷屏板預組裝完成示意圖

3.2 在組裝場地上放線、鉆孔

在組裝場地上建立測量基準網，測量錨板及支撐單元的安裝位置并劃線。鉆孔直徑18mm；對清潔后的孔安裝化學螺栓，待化學螺栓凝固后進行垂直度檢查（±2mm）。

3.3 錨板安裝

在已安裝好的化學螺栓上安裝36塊錨板，每塊錨板使用4顆M16螺母緊固；在緊固過程中，采用激光跟蹤儀控制安裝精度調節螺栓副使錨板位置與標高滿足技術要求，為冷屏板就位做準備。

3.4 支撐單元安裝和調整

將驗收完成的9個支撐單元分別吊裝于場地上的對應位置，使用M16螺母安裝于事先裝好的化學螺栓上。安裝過程采用激光跟蹤儀控制安裝精度：X/Y＜±0.5mm，Z＜±0.2mm，垂直度＜±0.5mm。

3.5 冷屏板安裝和粗調整

連接吊索具，將9塊偶數板分別依次從存儲框架上吊出并吊裝至對應編號的錨板位置上，將偶數板頂部與支撐單元通過連接桿進行連接。在冷屏板上安裝測量靶球（每塊板4個），采用激光跟蹤儀，使用錨板和連接桿調整冷屏板的就位位置。位置精度：X/Y＜±2mm，Z＜±1mm。連接吊索具，將9塊奇數板分別依次從存儲框架上吊出并吊裝至對應編號的錨板位置上，通過定位銷及螺栓與相鄰的偶數板連接。

3.6 最終合環精度控制

在偶數板安裝過程中，通過激光跟蹤測量和位置調節機構能夠使得冷屏板的就位精度滿足要求，但這只是暫時的達標。因為由于冷屏板本身存在制造誤差，在奇數板安裝調整過程中，會出現奇數板擠占偶數板的位置導致偶數板位置出現超差的情況。同時，由于冷屏板之間的螺栓力矩未緊固，在力矩緊固后冷屏板位置會發生向內收縮的情況。為了解決這個問題，在實際調整過程中，采用了“激光跟蹤測量以及偏差雷達圖分析相結合”的方法。具體流程為：（1）在盡量減少偶數板移動的情況下將所有奇數板安裝完成→（2）對18塊冷屏板的72個基準點進行一次總體測量得出數據，將測量數據與理論數據標記到雷達圖上→（3）對比分析測量數據與理論數據的耦合性，調整偏差較大的冷屏板的調整方向和調整距離→（4）重復步驟（2）和（3）直到測量數據與理論數據基本耦合并略有寬松→（5）緊固螺栓→（6）復測最終位置數據。通過使用上述方法，冷屏板最終位置數據雖與理論值仍然存在偏差，但已經滿足技術要求。

4 下杜瓦冷屏吊裝

4.1 下杜瓦冷屏吊裝前水平度調節

（1）吊索具配置。根據對下杜瓦冷屏的結構特點分析，并結合現場吊具實際情況，吊索具配置如圖2所示。

圖2 吊索具配置圖

①吊梁。吊梁為重量21.1t、直徑約18.0m的圓形結構。由18個分段組裝而成，每個分段之間通過螺栓進行連接。與下杜瓦冷屏的18塊板通過花籃螺栓連接。吊梁上設置18個吊點，用于連接吊索具。②花籃螺栓。鋼吊索與吊梁之間通過18個花籃螺栓連接，最大長度1731mm，最大可調范圍625mm，安全載荷6.89t，用于在起吊后調節下杜瓦冷屏的水平度。③吊索及吊索連接工具。6束鋼吊索，每束吊索有3根吊索，每根長度9.8m，每根吊索的長度可通過縮短器進行調節，每束吊索與吊鉤連接工具（HCT）下部的其中一個吊環連接。吊鉤連接工具直接與行車連接。④配重塊。安裝在吊梁的上部，在一定的平衡性范圍內調節重心。總重量450kg，每塊配重板10kg。⑤其他。吊索具之間通過吊環螺栓、卸扣進行連接，同時在吊索連接工具上加裝線墜，用于監控重心位置。

（2）水平度調整。吊索具長度控制：首先，根據下杜瓦冷屏各快板的重量及位置計算出下杜瓦冷屏的重心位置及坐標，將重心坐標帶入三維軟件測出吊點距離吊點平面重心位置的直線距離，根據吊索的初始長度、下杜瓦冷屏重心位置距離吊點的直線距離及勾股定理，計算出每根吊索的最終長度，并使用吊索縮短器、花籃螺栓將每根吊索的長度調整到計算長度。正式起吊前的水平度控制：使用50t行車，在正式起吊前再次進行水平度調整，要求整體水平高差不得大于20mm。①將冷屏板慢速（0.1m/min）提升20mm，在空中懸停等待5min；②用鋼板尺測量錨板與冷屏板支腿的間距并記錄；③根據測量數據，調整吊梁的配重塊位置和重量；④重復步驟②和③直至水平度滿足技術要求。⑤用激光跟蹤儀記錄72個基準點的位置數據。在數據記錄完成后，正式起吊冷屏板。

4.2 下杜瓦冷屏調整就位

（1）導向柱和調整單元安裝。導向柱安裝：利用下杜瓦冷屏板之間的螺栓孔安裝導向柱支架，然后，安裝三根導向柱，每根導向柱長5m，重0.39t。調整單元安裝：在杜瓦底座上通過測量放線劃出調整單元底板安裝位置并將底板點焊在杜瓦底座上，共有3個調整單元，每個調整單元高5.4m重約2.6t，調整單元之間的夾角為100°、120°、140°。將調整單元吊裝并調整就位，就位精度為±0.5mm。（2）調整就位過程。在將下杜瓦冷屏下降到-7.00m標高時，導向柱與調整單元基本處于預對接狀態，下杜瓦冷屏也即將下降到杜瓦底座上表面。監控下杜瓦冷屏與杜瓦底座之間的間隙，使用系在下杜瓦冷屏上的拉繩緩慢旋轉下杜瓦冷屏，使得導向柱處于對應的調整單元的中心位置。緩慢下降下杜瓦冷屏，下降過程中安排人員對最小間隙進行監控，采用激光跟蹤測量，測量下杜瓦冷屏就位位置，根據測量結果，通過使用調整單元，將下杜瓦冷屏調整到位，將下杜瓦冷屏就位于安裝在杜瓦底座的千斤頂上。

5 結語

上述調平及吊裝過程的控制，實現了下杜瓦冷屏的就位且滿足技術要求，得出如下結論：（1）通過對預組裝全過程的誤差控制，以及采用“激光跟蹤測量以及偏差雷達圖分析相結合”的方法，能夠有效保障下杜瓦冷屏的預組裝精度技術要求。（2）通過吊索長度調整以及正式起吊前的配重安裝兩步走的方法，可以滿足下杜瓦冷屏吊裝過程對水平度的技術要求。（3）通過三維模型分析提前識別最小間隙，通過設計安裝導向工具和調整工具，可以有效識別并避免吊裝過程的碰撞風險。