AP1000 的FCD混凝土澆筑時間管理研究及應(yīng)用

吳 杰，楊 明，叢九源

（中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 201512）

隨著全球氣候變暖和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，各國都在積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排，核能作為清潔、可靠和安全的能源越來越被人們所接受。2006年底，我國引進(jìn)由美國西屋公司設(shè)計的第三代AP1000先進(jìn)壓水堆核電站，它是按照美國核管會提出的用戶要求，采用了先進(jìn)的設(shè)計理念和施工理念：在安全性方面采用非能動系統(tǒng)設(shè)計，簡化廠房結(jié)構(gòu)和設(shè)備冗余度，安全性大幅提高CDF(Core Damage Frequency)為5.08×10-7/堆·年，LRF(Large Release Frequency)為5.94×10-8/堆·年[1]；在經(jīng)濟性方面采用模塊化預(yù)制和“開頂法”施工等手段，突破傳統(tǒng)的施工方式以期達(dá)到縮短建造周期的目的，這也意味著縮短了用戶投資回收周期。在眾多的先進(jìn)理念和設(shè)計中，美國西屋公司提出FCD需進(jìn)行整體一次性澆筑的設(shè)計要求，也是希望縮短建造工期。FCD一次整體澆筑在中國核電建設(shè)史上是首次，對工程的建設(shè)者來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，如何在引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的第三代核電建設(shè)方針引導(dǎo)下將FCD的設(shè)計要求變成現(xiàn)實，這對施工過程控制提出了更加嚴(yán)格的要求。本文從FCD的時間過程管理的角度闡述了海陽核電工程FCD施工的工程實踐，提出并驗證了AP1000的FCD時間管理的數(shù)學(xué)模型。

1 FCD過程控制與時間管理

1.1 統(tǒng)計過程控制理論

統(tǒng)計過程控制(SPC)，是應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)對過程中的各個階段進(jìn)行評估和監(jiān)控，建立并保持過程處于可接受的且穩(wěn)定的水平，從而保證產(chǎn)品與服務(wù)符合規(guī)定要求的一種質(zhì)量管理技術(shù)。SPC非常適用于重復(fù)性生產(chǎn)過程，能夠?qū)^程作出可靠的評估，確定過程的統(tǒng)計控制界限，判斷過程是否失控；為過程提供一個早期報警系統(tǒng)，及時監(jiān)控過程的情況以防止廢品的發(fā)生；減少對常規(guī)檢驗的依賴性，定時的觀察以及系統(tǒng)的測量方法替代了大量的檢測和驗證工作[2]。

1.2 可行性分析

如果對FCD澆筑過程進(jìn)行作業(yè)分解，則整個FCD混凝土澆筑過程是一個重復(fù)性的混凝土施工過程。以SPC為管理工具，統(tǒng)計各作業(yè)流程時間，分析各因素影響范圍及影響程度，提取影響參數(shù)，建立影響參數(shù)模型，對施工過程進(jìn)行時間管理，進(jìn)而對工程進(jìn)展進(jìn)行控制、跟蹤和反饋。SPC應(yīng)用于FCD混凝土澆筑的時間管理可行性分析，如表1所示。

由表1可知，SPC是通過對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制質(zhì)量的目標(biāo)；將SPC應(yīng)用于時間控制管理中，可以通過對施工作業(yè)流程的統(tǒng)計分析控制，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)度控制的目標(biāo)。

1.3 必要性分析

FCD混凝土澆筑是一項在一段時間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的高強度施工活動，參與人員數(shù)量多，涉及工種復(fù)雜，所需機械設(shè)備和工機具規(guī)模大，澆筑前必須對整個FCD澆筑過程進(jìn)行系統(tǒng)的分析，確保進(jìn)度控制的有效性。澆筑過程控制不僅關(guān)系到FCD澆筑時間，而且對FCD質(zhì)量控制及費用控制都有直接影響。

第一，混凝土出機后等待入泵時間越長，混凝土入模溫度越高，將增加溫度裂縫產(chǎn)生的可能性；第二，混凝土出機后等待入泵時間超過90 min，必須對混凝土進(jìn)行報廢處理；第三，混凝土供應(yīng)量不足，連續(xù)分層澆筑停歇時間延長，將增加混凝土施工冷縫產(chǎn)生的可能性。因此，F(xiàn)CD混凝土澆筑全過程進(jìn)行時間管理對保障最終質(zhì)量具有重要意義。

表1 SPC應(yīng)用于FCD可行性分析表Table 1 Feasibility analysis of applying SPC to FCD

2 FCD工程概況

海陽A P1000核電F C D——核反應(yīng)堆廠房和核輔助廠房底板鋼筋混凝土筏基礎(chǔ)，長度為78.03 m，最寬處寬度為49.10 m，底板厚度為1.8 m，反應(yīng)堆底板中心處有一條正十六邊形的施工縫，板厚為1.22 m，其內(nèi)切圓半徑為11.58 m(見圖1)，總面積為3015 m2，混凝土澆筑總量5 189 m3。設(shè)計采用56 d抗壓強度為27.6 MPa（C35）混凝土進(jìn)行底板整體一次性澆筑[3]。

廠區(qū)內(nèi)設(shè)置混凝土攪拌站，攪拌站共有4臺攪拌機組，產(chǎn)能情況詳見表2。

1號機組FCD混凝土澆筑，罐車由攪拌站至澆筑點行駛路程3.5 km(見圖2中紅色路線)，罐車由澆筑點返回攪拌站行駛路程4 km(見圖2中綠色路線)。澆筑過程中配備混凝土泵車6臺(其中2臺備用)，混凝土罐車19臺(其中3臺備用)。

圖1 核島底板平面圖Fig. 1 Plan of nuclear island baseplate

表2 攪拌站機組及產(chǎn)能情況表Table 2 Stirring machines and their productivity

3 FCD時間管理模型

3.1 模擬數(shù)據(jù)記錄及統(tǒng)計分析

2009年9月10日，2號機組核島下墊層混凝土澆筑，歷時9 h，共澆筑混凝土500 m3，澆筑整個過程中使用泵車2臺，罐車9臺。2號機組核島下墊層混凝土整個澆筑過程，統(tǒng)計人員對各作業(yè)時間進(jìn)行記錄，并統(tǒng)計平均作業(yè)時間，詳見表3。

圖2 1號機組FCD罐車行走路線圖Fig.2 Road map of tank car for Unit 1 FCD

表3 2號機組核島下墊層混凝土澆筑作業(yè)時間統(tǒng)計表Table 3 Operation time staistics for the underlying bed concrete pouring for Unit 2 nuclear island

由表3可知，罐車在攪拌站耗時10 min 7 s，罐車運輸?shù)奖密嚂r間11 min 40 s，泵車澆注時間10 min 48 s，罐車返回時間14 min。則現(xiàn)場罐車運輸時間，如表4所示。

由表4可知，當(dāng)4號罐車駛出攪拌站時，1號罐車已經(jīng)返回攪拌站6 min 7 s，說明混凝土罐車與混凝土泵車按4 ：1比例進(jìn)行配置，罐車運輸能力能夠滿足混凝土澆筑要求。

表4 罐車運輸時間表Table 4 Time table of tank car transportation

表5 實測罐車往返時間表Table 5 Measured tank car round trip time

根據(jù)表3實測數(shù)據(jù)的平均值，可以計算出罐車一個運輸循環(huán)所需要的時間為46 min 35 s。但實際測定過程中，罐車平均往返時間為57 min 6 s（數(shù)據(jù)詳見表5），實測數(shù)據(jù)與表4中計算有出入，這是由于表4計算時沒有考慮混凝土試驗檢測耗時和隨機因素（泵車故障、移位）耗時。

3.2 FCD混凝土澆筑模型設(shè)計

為了更好的對1號機組FCD混凝土澆筑的施工進(jìn)行時間管理，建立以混凝土泵車為關(guān)鍵控制點的FCD混凝土澆筑模型：

（1）混凝土澆筑過程中，以泵車澆筑流程為參照物，單臺泵車澆筑流程為周期性重復(fù)作業(yè)；

（2）以時間為過程控制點，利用時間及混凝土澆筑工程量的正比關(guān)系，通過每小時實際澆筑量與預(yù)算量對比趨勢圖，對現(xiàn)場澆筑效率進(jìn)行控制分析；

（3）分析影響混凝土澆筑效率的因素的可控性與隨機性。如單臺罐車從攪拌站運輸混凝土至泵車站位點的時間可控，而泵車自身出現(xiàn)泵管爆裂現(xiàn)象不可控；

（4）單臺泵車每小時澆筑量與整體澆筑量均受環(huán)境因素、客觀條件等多方面影響，呈現(xiàn)波動性。

3.3 模型參數(shù)選取

根據(jù)SPC理論，“以泵車澆筑流程為參照物，單臺泵車澆筑流程為周期性重復(fù)作業(yè)”，單臺泵車澆筑過程控制作為研究目標(biāo)，進(jìn)行時間管理，通過對整個澆筑活動流程分解及因素分析，從17個監(jiān)測的數(shù)據(jù)中，選取6個最直接影響1號機組FCD混凝土澆筑效率的參數(shù)，如表6所示。

海陽AP1000 1號機組FCD時間管理混凝土澆筑預(yù)計澆筑時間按式（1）計算

3.4 模型參數(shù)測定及修正

影響FCD混凝土澆筑效率的6個主要影響因素。結(jié)合2號機組核島下墊層混凝土澆筑的實際施工情況，對參數(shù)進(jìn)行測定機修正。

（1）罐車入泵時間

式中：

T為預(yù)計澆筑時間，h；

Q為FCD混凝土澆筑總量，m3；

q為單臺泵車混凝土澆筑效率，m3/h；

r為效率系數(shù)；

TC、TK、TS分別為試驗檢測時間，泵車空擋時間、隨機因素時間，h；

n為泵車數(shù)量，臺。

表6 FCD混凝土澆筑效率影響因素表Table 6 Influencing factors for FCD concrete pouring efficiency

式中：

a為罐車每次駛?cè)氡密嚂r間，min；

n為罐車駛?cè)氡密嚧螖?shù)。

由圖3中現(xiàn)場實測罐車入泵時間數(shù)據(jù)，按式（2）可計算出TI1.4 min。（

2）泵車澆筑時間式

式中：

泵車平均澆筑時間，min；

b為罐車每次澆筑所需時間，min；

n為澆筑罐車數(shù)量，臺。

由圖4中現(xiàn)場實測泵車澆筑時間數(shù)據(jù)，按式（3）可計算出T7.9 min。

（3）罐車出泵時間式

式中：

c為罐車每次駛出泵車時間，min；

n為罐車駛出泵車次數(shù)。

由圖5中現(xiàn)場實測罐車出泵時間數(shù)據(jù)，按式(4)可計算出T1.4 min。

（4）試驗檢測時間

式中：

檢測不合格的平均耗時，min；

n為檢測合格率。

（5）泵車空擋時間

式中：

泵車平均空擋時間，min；

e為泵車閑置時間，min；

t為澆筑總時間，h。

由圖7中現(xiàn)場實測泵車空擋時間數(shù)據(jù)，按公式（6）可計算出=3.2 min（圖中“+”表示泵車等待，“-”表示罐車等待）。

（6）隨機因素耗時

現(xiàn)場除了上述影響因素之外，還有隨機因素直接影響混凝土澆筑。如泵車故障、泵車移位、其他因素影響暫停施工等。

式中：

T為隨機因素影響平均耗時，min；

f為隨機因素影響時間，min；

n為澆筑過程中泵車數(shù)，臺；t為澆筑總時間，h。

由圖8中實測隨機因素影響耗時數(shù)據(jù)，按式

圖3 罐車入泵耗時圖Fig.3 Time consumed for tank car entering pump

圖4 泵車澆筑耗時圖Fig.4 Time consumed for pump truck pouring

圖5 罐車入泵耗時圖Fig. 5 Time consumed for tank car exit pump

3.5 模型應(yīng)用

海陽AP1000核電1號機組FCD混凝土澆筑分三個階段進(jìn)行（見圖9），計劃42 h完成整個FCD混凝土澆筑。

圖9 海陽AP1000核電FCD分階段澆筑圖Fig. 9 FCD stage pouring for Haiyang AP1000 NPP

第一階段，現(xiàn)場使用3臺泵車進(jìn)行澆筑，此階段混凝土澆筑量約占FCD混凝土澆筑總量的22%，混凝土量為Q=5 000×22%=1 100 m3，由式（1）可得T1=11.8 h，即預(yù)計用時11 h 48 min。

第二階段，使用5臺泵車，此階段混凝土澆筑量約占FCD混凝土澆筑總量的47%，混凝土量為Q=5 000×47%=2 350 m3，由式（1）可得T2=15.1 h，即用時為15 h 6 min。

第三階段，使用4臺泵車，此階段混凝土澆筑量約占FCD混凝土澆筑總量的31%，混凝土量為Q=5 000×31%=1 550 m3，由式（1）可得T3=12.4 h，即用時為12 h 24 min。

綜合以上3個澆筑階段，預(yù)計1號機組FCD澆筑總時間為T=T1+T2+T3=39.3 h，即39 h18 min?？紤]到FCD澆筑過程需要經(jīng)歷兩個夜間施工，長時間混凝土連續(xù)澆筑，導(dǎo)致人員工作效率和機械工作性能降低，故按總效率的90%進(jìn)行估算，此時1號機組FCD澆筑總時間預(yù)計為43 h 42 min。綜上，預(yù)計FCD澆筑總時間在39 h 18 min至43 h 42 min之間。

考慮到日最高氣溫出現(xiàn)在14:00左右，基于上述39 h 18 min至43 h 42 min的澆筑時間預(yù)計，對FCD開始時間進(jìn)行選擇，盡量避開中午高溫時段澆筑，以降低天氣溫度對入模溫度的影響。如果FCD開始澆筑時間選擇在上午，則澆筑過程將經(jīng)歷兩個午間高溫時段，如果FCD開始澆筑時間選擇在下午，則澆筑過程只需經(jīng)歷一個午間高溫時段，因此FCD的開始澆筑時間應(yīng)選擇在15:00至17:00之間，此時間段為FCD最佳開始澆筑時間段。

對影響FCD澆筑影響因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出參數(shù)可控狀態(tài)的波動區(qū)間，如表7所示。

3.6 實證應(yīng)用分析

海陽AP1000核電1號機組FCD混凝土澆筑于2009年9月26日16：00正式開始，在整個澆筑過程中通過實際澆筑進(jìn)度與預(yù)計澆筑進(jìn)度的實時比照，進(jìn)而對工程進(jìn)展進(jìn)行控制、跟蹤、反饋、分析和調(diào)整，經(jīng)歷41 h 58 min，于2009年9月28日9:58結(jié)束，共澆筑混凝土5 198 m3，其中，在27日18：00時出現(xiàn)了一次較大的機械故障，F(xiàn)CD澆筑進(jìn)度如圖10所示。模型預(yù)計澆筑總時間為42 h，實際澆筑用時為41 h 58 min，模型與實踐吻合性良好，模型設(shè)計符合實際情況。

根據(jù)FCD實際混凝土澆筑總量（5 189 m3）及實際澆筑時間（41 h 58 min），可以計算出FCD單臺泵車混凝土澆筑效率為30.9 m3/h，與理論計算單泵澆筑效率（31.2 m3/h）符合度良好。

4 結(jié)論

（1）本文將統(tǒng)計過程控制理論與方法應(yīng)用于海陽AP1000核電1號機組FCD混凝土澆筑時間管理研究及應(yīng)用過程中，以SPC作為工具，對FCD澆筑過程進(jìn)行作業(yè)分解，統(tǒng)計各作業(yè)流程時間，分析各因素影響范圍及影響程度，提取關(guān)鍵影響參數(shù)，建立影響參數(shù)模型并對參數(shù)進(jìn)行測定和修正，利用模型對FCD澆筑時間進(jìn)行預(yù)測分析和過程控制。

表7 FCD影響因素可控狀態(tài)表Table 7 Controllable state of FCD influencing factors

圖10 海陽AP1000核電1號機組FCD澆筑進(jìn)度圖Fig. 10 Schedule of FCD pouring for Unit 1 of Haiyang AP1000 NPP

（2）本文通過大量的統(tǒng)計和分析工作，對FCD混凝土澆筑各作業(yè)進(jìn)行工序分解，并計算出FCD澆筑工程中各作業(yè)工序流程時間的平均值及時間管理可控狀態(tài)時間，通過對澆筑過程中各工序的時間管理，進(jìn)而對整個FCD進(jìn)行動態(tài)、即時的進(jìn)度控制。

（3）通過基于S P C時間管理的F C D模型設(shè)計、F C D模型修正，預(yù)計澆筑總時間為39 h 18 min至43 h 42 min之間，F(xiàn)CD現(xiàn)場驗證，實際澆筑用時為41 h 58 min，模型與實踐符合性良好，模型設(shè)計符合實際情況，可以對FCD澆筑時間進(jìn)行很好的控制。

（4）本文研究的理論方法和模型，不僅對海陽AP1000核電1號機組FCD混凝土澆筑時間預(yù)測和澆筑進(jìn)度控制，在后續(xù)機組大體積混凝土澆筑工程中，可以直接利用此模型進(jìn)行澆筑時間預(yù)測和澆筑進(jìn)度動態(tài)控制。

[1] 林誠格. 非能動安全先進(jìn)核電廠AP1000 [M]. 北京：原子能出版社，2008.

[2] 王振華. 統(tǒng)計過程控制S P C概論[J]. 機電信息，2009(15):39-42.

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