一種受拉環(huán)梁模塊設(shè)計(jì)及拼裝工藝優(yōu)化

胡曉波，閆安崗，，朱帥倫，陳 勇，未曉朋，孫 鵬

（1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 順義 101300；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049）

0 引言

核能作為一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的能源，備受世界各國(guó)矚目。模塊化技術(shù)是核電站工程縮短建造周期、降低造價(jià)的重要手段，已成為第三代核電的發(fā)展主流。目前，我國(guó)已建或在建核電站中僅有從美國(guó)引進(jìn)的浙江三門1 號(hào)、2號(hào)，山東海陽(yáng)1 號(hào)、2 號(hào)AP1000 核電站，及該核電站大規(guī)模應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)與施工。模塊化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可在預(yù)制廠內(nèi)安全可控的環(huán)境里最大化制造模塊，保證建造質(zhì)量；同時(shí)，模塊制造能夠與土建施工同時(shí)進(jìn)行，縮短建造工期。

核電站是集屏蔽廠房、安全殼、燃料廠房、輔助廠房、汽輪機(jī)廠房、控制廠房、柴油發(fā)電機(jī)廠房、廢料廠房等為一體的系統(tǒng)工程，如圖1 所示。

圖1 該核電站廠房位置圖示

該核電站采用雙層安全殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為承壓鋼制安全殼，外層為屋頂錐形殼體圓柱狀鋼筋混凝土屏蔽廠房構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)。屏蔽廠房為核島的最外層結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)內(nèi)部的鋼制安全殼。作為核島的最外層結(jié)構(gòu)，其主要功能是防飛行物、海嘯、爆炸、抵御惡劣天氣和地震等外部沖擊，且有非能動(dòng)冷卻和阻止核泄漏事故時(shí)放射性物質(zhì)外漏和保護(hù)公共安全的作用。

1 受拉環(huán)梁模塊

我國(guó)在AP1000 核電技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)新，將某核電站屏蔽廠房包圍鋼制安全殼的屏蔽墻設(shè)計(jì)為鋼板混凝土結(jié)構(gòu)，鋼制安全殼與屏蔽墻兩者間距為1385mm。屏蔽廠房SC 結(jié)構(gòu)分為連接區(qū)域（1 層），非閉合區(qū)（2～7 層），閉合區(qū)（8～17 層）和進(jìn)氣孔及受拉環(huán)梁區(qū)（18～19 層）四大組成部分。屏蔽廠房SC-19層標(biāo)高為受拉環(huán)梁模塊區(qū)域，標(biāo)高位于54.255m～57.246m，外墻板外徑為23.985m，內(nèi)墻板內(nèi)徑為22.485m，內(nèi)外墻板間距為1.500m，整體高度2.991m，單個(gè)子模塊約重31t。如圖2 所示，屏蔽廠房SC-19 層材料為38mm 厚Q420C 鋼板，方形箱梁鋼板內(nèi)側(cè)均勻布置有栓釘，鋼板之間由鋼筋連接，方形箱梁上部的四邊形內(nèi)部由加強(qiáng)板連接，以保證整體受拉強(qiáng)度。整體拼裝完成后在鋼板內(nèi)部充填混凝土。

圖2 受拉環(huán)梁模型圖示

屏蔽廠房SC-19 層受拉環(huán)梁由16 個(gè)子模塊組成。各子模塊依順序在預(yù)制廠內(nèi)將鋼板切割成模塊所需形狀后，將鋼筋及剪力釘?shù)绕囱b焊接成單個(gè)子模塊。預(yù)制完成后將子模塊及相應(yīng)蓋板運(yùn)輸至拼裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整圈拼裝焊接工作。其中15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段均為22.5°，1 個(gè)調(diào)整段比標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)約100mm。現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)優(yōu)先將15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段拼裝焊接后，依據(jù)理論周長(zhǎng)及半徑對(duì)調(diào)整段進(jìn)行劃線切割，切割完成后進(jìn)行調(diào)整段拼裝焊接工作，焊接完成后進(jìn)行L 型加強(qiáng)板拼裝焊接工作，隨后進(jìn)行蓋板的拼裝焊接工作，最后進(jìn)行蓋板相關(guān)開孔工作。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 L 型加強(qiáng)板優(yōu)化

為便于1#SC19 層每段子模塊上部橫隔板對(duì)接焊縫焊接工作，預(yù)制廠內(nèi)在每段子模塊上部橫隔板對(duì)接焊縫兩側(cè)各預(yù)留了一張20mm 厚的L 型加強(qiáng)板于上部橫隔板對(duì)接焊縫NDE 檢測(cè)合格后焊接。當(dāng)前L 型加強(qiáng)板為全熔透焊縫。由于兩塊L 型板之間的間距不足200mm，空間狹小，后拼裝的兩塊L 型板全熔透焊縫無(wú)法正常焊接及相關(guān)NDE 檢測(cè)。

優(yōu)化建議：為解決上述設(shè)計(jì)引起的焊工施焊及焊后相關(guān)NDE 檢測(cè)困難的問題，通過等強(qiáng)度計(jì)算，采用每段子模塊上部橫隔板對(duì)接焊縫兩側(cè)各預(yù)留一張L 型加強(qiáng)板，并采用雙面角焊縫取代全熔透焊縫，焊腳設(shè)為20mm 進(jìn)行焊接，如圖3 所示。焊接完成后進(jìn)行100%VT+100%PT 檢測(cè)。

圖3 優(yōu)化后L 型加強(qiáng)板焊接形式圖示

2.2 蓋板優(yōu)化

原蓋板在場(chǎng)內(nèi)每22.5°下料后整塊運(yùn)輸至拼裝現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)焊接施工量大，縱焊縫量總計(jì)約17m，環(huán)焊縫量總計(jì)約300m。另蓋板安裝需要將上橫向加強(qiáng)板焊接完成NDE 檢測(cè)合格，且L 型加強(qiáng)板焊接完成NDE 檢測(cè)合格后進(jìn)行。

優(yōu)化建議：經(jīng)研究分析，對(duì)蓋板采取分割式優(yōu)化設(shè)計(jì)，將預(yù)制廠內(nèi)已經(jīng)下完料的整塊蓋板切割成兩段，另順時(shí)針或逆時(shí)針周向旋轉(zhuǎn)；同時(shí)預(yù)留出可進(jìn)行上部橫隔板焊接空間。即可將蓋板分批進(jìn)行拼裝焊接，第一批拼裝的蓋板可提前安裝如圖4 所示，第二批拼裝的蓋板在L 型加強(qiáng)板焊接及NDE 檢測(cè)完成后拼裝。此優(yōu)化后第一批蓋板可在預(yù)制廠內(nèi)拼裝完成后運(yùn)送至拼裝現(xiàn)場(chǎng)，第二批留至拼裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接。該優(yōu)化一方面減少蓋板施工時(shí)因露天受天氣等條件影響的時(shí)間；另一方面減少現(xiàn)場(chǎng)焊縫焊接量約240m。綜上顯著提高現(xiàn)場(chǎng)拼裝進(jìn)度，縮短拼裝工期。

圖4 優(yōu)化后蓋板圖示

2.3 外面板優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊與子模塊之間的上部橫隔板、下部橫隔板、內(nèi)側(cè)面板、外側(cè)面板均為對(duì)接焊縫。在焊縫交點(diǎn)處應(yīng)力較大，使其形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度薄弱區(qū)。

優(yōu)化建議：將外面板順時(shí)針或逆時(shí)針周向旋轉(zhuǎn)1.5°，使外面板與上下部橫隔板對(duì)接焊縫的角度交錯(cuò)開。可減少上部橫隔板、下部橫隔板、外面板相交處所形成的十字焊縫。減少應(yīng)力集中。

3 建造優(yōu)化建議

3.1 過焊孔切割時(shí)機(jī)優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊到拼裝現(xiàn)場(chǎng)前未開設(shè)過焊孔，導(dǎo)致內(nèi)外墻板焊縫不能100%焊接。為保證內(nèi)外墻板縱焊縫完整焊接，需在受拉環(huán)梁子模塊兩端的上部橫隔板和下部橫隔板四個(gè)角處開設(shè)過焊孔，所需切割的過焊孔如圖5 所示。

圖5 需切割的過焊孔圖示

優(yōu)化建議：上部橫隔板和下部橫隔板處需開設(shè)的過焊孔在預(yù)制廠內(nèi)下料時(shí)用數(shù)控機(jī)床切割完成。此階段下料一方面可減少內(nèi)側(cè)斜面板、立面板和上下部橫隔板相交點(diǎn)的殘余應(yīng)力；另一方面可減少在拼裝現(xiàn)場(chǎng)火焰切割易損傷母材的問題。

3.2 剪力釘及機(jī)械套筒優(yōu)化

在內(nèi)側(cè)斜面板表面及下部橫隔板下側(cè)均勻布置有剪力釘及機(jī)械套筒，其距離子模塊坡口邊緣約100mm。此項(xiàng)目在子模塊到達(dá)拼裝現(xiàn)場(chǎng)時(shí)剪力釘及機(jī)械套筒已安裝完成。影響受拉環(huán)梁子模塊與子模塊之間內(nèi)側(cè)斜面板對(duì)接焊縫及下部橫隔板對(duì)接焊縫焊接前的預(yù)熱、焊接后的消氫及焊接完成后的UT 檢測(cè)工作。導(dǎo)致拼裝現(xiàn)場(chǎng)將影響的剪力釘及機(jī)械套筒切除后恢復(fù)，增加成本。

優(yōu)化建議：預(yù)制廠內(nèi)在進(jìn)行子模塊剪力釘及機(jī)械套筒安裝焊接時(shí)預(yù)留內(nèi)側(cè)斜面板表面及下部橫隔板焊縫兩側(cè)230mm 內(nèi)的剪力釘及機(jī)械套筒不進(jìn)行安裝焊接工作。將模塊之間內(nèi)側(cè)斜面板對(duì)接焊縫及下部橫隔板對(duì)接焊縫約230mm 內(nèi)的剪力釘及機(jī)械套筒焊接工作于拼裝現(xiàn)場(chǎng)UT 檢測(cè)合格進(jìn)行。

3.3 調(diào)整段下料時(shí)機(jī)優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊運(yùn)輸?shù)狡囱b現(xiàn)場(chǎng)后先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)段的拼裝焊接工作，待全部標(biāo)準(zhǔn)段子模塊焊接完成后對(duì)受拉環(huán)梁的標(biāo)準(zhǔn)段子模塊內(nèi)墻塊半徑及外墻體的周長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)周長(zhǎng)與整環(huán)理論周長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，確定調(diào)整段子模塊的內(nèi)外墻板弧長(zhǎng)切割尺寸，計(jì)算確定后進(jìn)行劃線及切割面板。切割完成進(jìn)行調(diào)整段的拼裝焊接工作。

優(yōu)化建議：子模塊吊裝就位后在坡口兩側(cè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位，兩點(diǎn)位距離300mm，在內(nèi)墻板和外墻面板上中下部位分別進(jìn)行標(biāo)記，如圖6 所示。焊接過程中對(duì)定位焊前、定位焊后、打底2 層、打底7 層、蓋面分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，從定位前到焊接完成后對(duì)接焊縫的收縮約為5mm。故后續(xù)拼裝可在打底兩層時(shí)進(jìn)行調(diào)整段下料工作；或在子模塊預(yù)制階段依據(jù)子模塊間的間隙取消調(diào)整段。

圖6 點(diǎn)位布置圖示

表1 焊接過程中焊縫收縮數(shù)據(jù)/mm

3.4 油漆涂裝部位優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊在出廠前已完成正式油漆的噴涂工作。而拼裝現(xiàn)場(chǎng)在對(duì)子模塊與子模塊拼裝時(shí)需焊接臨時(shí)附件因而破壞焊縫附近油漆。在對(duì)接焊縫焊接時(shí)由于熱影響區(qū)溫度過高也對(duì)焊縫附近油漆造成破壞。在對(duì)接焊縫進(jìn)行UT 檢測(cè)時(shí)需打磨對(duì)接焊縫兩側(cè)各約230mm 范圍內(nèi)油漆以滿足檢測(cè)需求。導(dǎo)致對(duì)接焊縫NDE 檢測(cè)合格后需重新進(jìn)行油漆修補(bǔ)工作。

優(yōu)化建議：預(yù)制廠內(nèi)在進(jìn)行受拉環(huán)梁子模塊油漆噴涂時(shí)，對(duì)焊縫兩側(cè)約250mm 不進(jìn)行正式油漆噴涂而采用臨時(shí)油漆涂刷。此處正式油漆噴涂工作在拼裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。可減少油漆的浪費(fèi)，并可節(jié)約工期。

4 優(yōu)化后節(jié)約工期

依據(jù)上文從設(shè)計(jì)、拼裝施工方面提出的建議優(yōu)化可較大幅度減少受拉環(huán)梁建造周期。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后預(yù)估可減少的工期如表2 所示。

表2 優(yōu)化后預(yù)估節(jié)約工期表

5 總結(jié)

為了緊跟核電安全高效發(fā)展的步伐，該核電站屏蔽廠房受拉環(huán)梁結(jié)構(gòu)引入模塊化施工技術(shù)，使工廠內(nèi)高效預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)高效拼裝相結(jié)合，極大推動(dòng)了預(yù)制廠內(nèi)資源利用和現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度間的緊密協(xié)作，縮短安裝主線工期，對(duì)核電建造具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

受拉環(huán)梁為該核電站屏蔽廠房中焊縫條數(shù)相對(duì)較多且較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。雖然已從設(shè)計(jì)、制造、施工及技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，但研究還不夠深入且存在很多不足，尚需進(jìn)一步思考、優(yōu)化、創(chuàng)新，提升現(xiàn)有技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性及可行性，為后續(xù)此類大型核電站屏蔽廠房結(jié)構(gòu)模塊的拼裝提供技術(shù)參考及借鑒依據(jù)。