鋼安全殼吊裝及施工優(yōu)化

張 瑞，柳勝華，湯福平

(上海核工程研究設計院有限公司，上海200233)

安全殼是核電站中包容反應堆冷卻劑系統(tǒng)和其他安全系統(tǒng)的重要承壓邊界，同時其結構必須保持結構完整性，防止放射性物質(zhì)向外部自然環(huán)境中泄漏。

三門核電一期工程采用自立的帶橢球形頂/底封頭的圓柱體鋼安全殼(SCV)。鋼安全殼內(nèi)表面直徑是39.624 m，筒體段高42.698 m，橢球形頂/底封頭高11.468 m，鋼安全殼總高度是65.634 m。鋼安全殼還包含兩個設備閘門、兩個人員閘門、一個環(huán)吊梁、貫穿件及其他部件。此外，安全殼上還支撐了風管、電纜橋架及走道、安全殼空氣導流板及支撐等其他物項。

為了減少現(xiàn)場焊接工作量和避免現(xiàn)場交叉作業(yè)，鋼安全殼一般采用在拼裝場地拼裝，然后分段吊裝就位的安裝方案。而鋼安全殼的吊裝分段、吊裝方案及安全殼支撐的相關物項的安裝施工方案是核島廠房施工組織安排和施工工期的重要影響因素，本文將對三門核電一期工程鋼安全殼的吊裝方案及相關物項的施工方案進行優(yōu)化分析論證。

1 鋼安全殼吊裝方案及施工優(yōu)化

1.1 三門一期鋼安全殼吊裝方案

圖1 三門核電一期鋼安全殼吊裝分段圖Fig.1 Sanmen Unit 1&2 steel containment vessel(SCV) lifts

三門核電一期工程鋼安全殼共分成6段(包括頂/底封頭及4環(huán)筒體)進行吊裝，如圖1所示，采用分配器加吊索再加吊梁的吊裝方案，如圖2所示。該吊裝方案傳力明確，但需要有重達100 t的吊梁，從而降低了大吊車的實際起吊能力，安全殼筒體段因此被分成4段進行吊裝，并且因筒體第三吊裝段沒有加勁肋或環(huán)吊而需要加設臨時支撐。

圖2 三門核電一期鋼安全殼筒體第三環(huán)吊裝圖Fig.2 Sanmen Unit 1&2 SCV ring lift No.3

1.2 安全殼支撐物項的施工優(yōu)化

因系統(tǒng)功能和布置需求，鋼安全殼上還支撐了風管及支架、電纜橋架及走道、安全殼空氣導流板及支撐等其他物項。在三門核電一期施工中，這些物項都是在安全殼吊裝就位后，在核島廠房內(nèi)現(xiàn)場安裝，造成現(xiàn)場各工種施工交叉、安裝空間狹小、安裝工期較長和安裝環(huán)境較差等不利因素，如能使這些物項在安全殼拼裝場地就安裝在鋼安全殼上，并隨鋼安全殼整體吊裝就位，則可以較好的優(yōu)化核島廠房施工組織安排，縮短施工工期。

1.3 鋼安全殼新吊裝方案

為了能使筒體段分成3段吊裝并把風管、支撐、電纜橋架及走道等安全殼支撐的物項隨安全殼一起吊裝，提出一種新的斜拉吊裝方案，新吊裝方案在圖2所示吊裝方案基礎上，省掉重達100 t的吊梁，直接采用分配器加吊索，可提高吊車有效起吊重量。新吊裝方案有諸多優(yōu)點，如減少吊裝次數(shù)、加快施工進度、省掉重達100 t的吊梁，無需現(xiàn)場提供直徑超過40 m的吊裝儲存場地等。

基于鋼安全殼鋼板板幅限制和盡量減小焊接量等考慮，鋼安全殼設計時筒體段豎向共分成11層鋼板焊接而成，每層鋼板的高度約3.9 m，每層鋼板重量約170 t。考慮到總重244 t的環(huán)吊梁的重量，吊裝分段時把安全殼筒體段分成4層、4層和3層鋼板的3個吊裝段，如圖3所示，則每個吊裝段吊裝重量大體一致。

圖3 鋼安全殼新吊裝分段圖Fig.3 SCV new lifts

新吊裝方案和原三門一期項目鋼安全殼吊裝方案相比，筒體段實際起吊重量變大，需要對每個吊裝段的實際起重量進行計算，并評估吊車起吊能力。

圖4是安全殼底封頭的吊裝示意圖，圖5是安全殼筒體第二吊裝段的吊裝示意圖，圖6是安全殼頂封頭的吊裝示意圖。從圖中可以看出，吊裝斜拉索直接作用在安全殼上，拉索水平分力可能會使安全殼產(chǎn)生更不利的變形和應力，需要進行受力分析評估。

圖4 鋼安全殼新吊裝方案底封頭吊裝圖Fig.4 SCV bottom head liftof the new lifting plan

圖5 鋼安全殼新吊裝方案筒體第二環(huán)吊裝圖Fig.5 SCV ring lift No.2 of the new lifting plan

圖6 鋼安全殼新吊裝方案頂封頭吊裝圖Fig.6 SCV top head liftof the new lifting plan

2 吊裝段重量及吊車起吊能力評估

2.1 大吊車起吊能力

根據(jù)三門核電一期工程大吊車相關設計參數(shù)，Lampson LTL—2600B 履帶起重機在起吊半徑為46 m時的最大起吊額可達到1 283 t。

2.2 鋼安全殼吊裝段重量評估

表1是安全殼筒體段主要物項的重量，除導流板需要在安全殼打壓試驗后安裝而不能整體吊裝外，其他物項理論上均可隨安全殼筒體段整體吊裝，總重量約2 490 t。各吊裝段的重量如表2所示，最大起重量是908 t。

表1 安全殼筒體段主要物項重量表

注：①板厚保守考慮2 mm的正偏差；

表2 鋼安全殼吊裝分段表

2.3 吊車起吊能力評估

根據(jù)表2的分析結果，底封頭考慮臨時短柱和栓釘?shù)任镯椇蟮目傊亓坎怀^700 t，頂封頭重量不超過625 t，筒體段的最大起吊重量是908 t。

考慮吊耳、銷軸、吊索及分配器等吊具的總重量約100 t，考慮風管、電纜橋架及走道鋼結構等相關物項隨安全殼一起吊裝時的各吊裝段最大起重量約1 008 t,小于大吊車的起吊能力。

通過各吊裝段重量的分析評估說明，鋼安全殼支撐的風管、電纜橋架及走道鋼結構等相關物項可隨鋼安全殼整體吊裝。

3 新吊裝方案有限元分析

為了驗證新吊裝方案是否能夠滿足鋼安全殼吊裝時的變形和應力要求，對鋼安全殼各段吊裝進行了有限元分析。

采用ANSYS12.0建模分析，建模時采用的單位如下：長度/mm；質(zhì)量/t；力/N。安全殼采用8節(jié)點殼單元shell93建模，吊索采用桿單元link10模擬，各單元的材料參數(shù)見表3,在吊索頂端施加全約束。計算時考慮自重作用并考慮1.1倍的自重不確定性系數(shù)和1.25倍的荷載系數(shù)。

表3 材料參數(shù)

為了得到各吊裝段吊點附件的實際應力大小，有限元分析模型中包含了吊耳結構，每個吊點處有兩塊厚度為38 mm的吊耳板，圖7是底封頭的分析模型示意圖。

圖7 底封頭吊裝分析模型Fig.7 Analysis model of bottom head lift

表4是鋼安全殼各吊裝段的計算分析結果。從表中可以看出，鋼安全殼底封頭和第一筒體吊裝段在吊點位置的薄膜應力較大，最大薄膜應力是46.6 MPa，小于ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷MC級部件A級使用限制中薄膜應力小于184 MPa的要求，圖8是底封頭吊裝的薄膜應力強度圖。

表4 各吊裝段有限元分析結果

圖8 底封頭吊裝的薄膜應力,MPaFig.8 Membrane stress intensity contour of bottom head lift,MPa

鋼安全殼第一吊裝段在吊點位置的最大薄膜+彎曲應力是200 MPa，小于ASME規(guī)范第Ⅲ卷第1冊NE分卷MC級部件A級使用限制中薄膜+彎曲應力小于276 MPa的要求，圖9是筒段第一吊裝段的薄膜+彎曲應力強度圖。

圖9 筒體第一段薄膜+彎曲應力,MPaFig.9 Membrane + bending stress intensity contour of ring lift No.1,MPa

從表4可以看出，鋼安全殼各吊裝段在吊裝時徑向位移不超過16 mm，小于安全殼的允許變形值44.5 mm，并且根據(jù)應力分析結果，吊裝過程中安全殼處于彈性應力狀態(tài)，該變形是可回位的彈性變形，滿足要求。

圖10 筒體第一段徑向位移圖,mmFig.10 Radial displacement of ring lift No.1,mm

4 結論

將鋼安全殼分成圖3所示的五段吊裝方案(包括頂/底封頭及三環(huán)筒體)與三門核電一期工程鋼安全殼吊裝方案相比有諸多優(yōu)點，如減少吊裝次數(shù)、加快施工進度、省掉重達100 t的吊梁，無需現(xiàn)場提供直徑超過40 m的吊裝儲存場地等。

通過各吊裝段的分析評估說明，鋼安全殼支撐的風管、電纜橋架及走道鋼結構等相關物項可隨鋼安全殼整體吊裝。避免這些物項的現(xiàn)場各工種施工交叉、安裝空間狹小、安裝工期較長和安裝環(huán)境較差等不利因素，優(yōu)化核島廠房施工組織安排，縮短施工工期。

通過有限元分析方法對新吊裝方案的底封頭、筒體吊裝段和頂封頭開展了應力分析，結果表明：應力在吊點附近相對較大，但各吊裝段的變形和應力都滿足要求。