AP1000核電機(jī)組建造技術(shù)難點(diǎn)

馬元華

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

AP1000屬于第三代核電，在設(shè)計(jì)理念和建造技術(shù)方面都有很大的創(chuàng)新，代表了現(xiàn)代核電技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的方向，其在設(shè)計(jì)上采用了非能動(dòng)的安全設(shè)施系統(tǒng)，建造方面首次將模塊化施工引入核電建設(shè)中，模塊化施工通過增加并行施工面，減少了交叉施工，可有效縮短核電建設(shè)周期。這些先進(jìn)技術(shù)最終依托三門和海陽兩個(gè)核電項(xiàng)目完成了全面引進(jìn)、消化并吸收。首堆建設(shè)中，在攻克模塊化、開頂法、大體積混凝土、主管道窄間隙焊接、主泵安裝等關(guān)鍵施工難點(diǎn)時(shí)，由于沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，過程之中經(jīng)歷了諸多困難，也走了不少彎路。對(duì)此，文章主要總結(jié)了大體積混凝土、開頂法、主管道窄間隙焊接、主泵安裝等關(guān)鍵技術(shù)的施工難點(diǎn)，旨在為相關(guān)核電項(xiàng)目的機(jī)組建造積累經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)對(duì)核電機(jī)組建造的影響

核電廠建造的諸多環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)是龍頭，且設(shè)計(jì)是影響質(zhì)量、進(jìn)度、造價(jià)控制的最關(guān)鍵的因素。設(shè)計(jì)的質(zhì)量、采用的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)變更都是決定工程質(zhì)量和進(jìn)度的首要因素。核電廠工程建造的成功與否，很大程度取決于設(shè)計(jì)，AP1000機(jī)組也不例外。

目前AP1000依托化項(xiàng)目的4臺(tái)機(jī)組已經(jīng)相繼投產(chǎn)商用，從電站前期調(diào)試及初次試運(yùn)行的情況來分析，AP1000機(jī)組的設(shè)計(jì)在安全、質(zhì)量方面還是表現(xiàn)出了很好的優(yōu)勢(shì)，調(diào)試期間設(shè)計(jì)問題少，調(diào)試相關(guān)參數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)符合性良好，顯著縮短了調(diào)試工期，簡(jiǎn)化的非能動(dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在調(diào)試運(yùn)行期間得以充分體現(xiàn)。但在建造過程中受制于首堆設(shè)計(jì)不完善、關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題滯后的影響，對(duì)建造過程的工期及造價(jià)帶來了嚴(yán)重的制約。以海陽1號(hào)機(jī)組為例，裝料前西屋公司共發(fā)布DCP（主要設(shè)計(jì)方案變更）達(dá)3000多份，發(fā)布E＆DCR（一般設(shè)計(jì)變更）多達(dá)34000多份，這對(duì)AP1000的建造工期產(chǎn)生了很大的影響，尤其是大宗材料安裝階段的變更反復(fù)影響最大。從設(shè)計(jì)變更統(tǒng)計(jì)表（見圖1）可以看出，AP1000工程在2009年開始FCD（第一罐混凝土），設(shè)計(jì)固化工作一直持續(xù)到2016年。

設(shè)計(jì)不斷變更是首堆的特點(diǎn)，這與其他堆型（M310、VVER、EPR）首堆工程類似，設(shè)計(jì)的不斷變更和逐步固化是影響AP1000機(jī)組進(jìn)度的關(guān)鍵。在后續(xù)CAP1000機(jī)組建造過程中，這些設(shè)計(jì)變更必須在開工前固化并復(fù)核完成，否則將同樣制約建造進(jìn)度，如果這些問題得以落實(shí)，則設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)項(xiàng)目的建造影響將會(huì)明顯降低。

圖1 設(shè)計(jì)變更統(tǒng)計(jì)表

2 大體積混凝土施工

AP1000機(jī)組的核反應(yīng)堆廠房、輔助廠房基礎(chǔ)坐落在同一個(gè)筏板基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)底部高程設(shè)計(jì)值為-12m，頂部高程設(shè)計(jì)值為-10.2m，整個(gè)基礎(chǔ)底板的長(zhǎng)度約為78m，總面積約為3015m2，底板厚度為1.829m。

主要指標(biāo)要求如下：水泥含量最小值為268kg/m3，粉煤灰含量最大值為91kg/m3，粗骨料含量為1056kg/m3，砂子含量為734kg/m3，水灰比最大值為0.45，坍落度要求為150±40mm，容重要求為不小于2250kg/m3，含氣量要求為0～6%，設(shè)計(jì)入模溫度為不高于26℃，裂縫控制寬度為小于0.41mm。

2.1 主要施工難點(diǎn)

（1）核反應(yīng)堆廠房和核輔助廠房筏板基礎(chǔ)平面尺寸大，厚度達(dá)1.8m，圓弧段與直角處存在截面突變，容易引起應(yīng)力集中，這增加了大體積混凝土的裂縫控制難度。

（2）筏板基礎(chǔ)采用分層澆筑法，一次澆筑完成，混凝土一次澆筑量達(dá)到5000m2，澆筑過程間斷時(shí)間不能超過混凝土初凝時(shí)間，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)勞動(dòng)力組織、布料機(jī)和泵車等機(jī)械組織，同時(shí)要提前考慮溫度控制和養(yǎng)護(hù)措施。

（3）筏板基礎(chǔ)的底部是厚30cm的墊層混凝土，先前已經(jīng)澆筑完成，在混凝土降溫過程中的收縮約束力較大，這對(duì)混凝土的裂縫控制帶來了不利影響。

2.2 砼養(yǎng)護(hù)控制要點(diǎn)

根據(jù)測(cè)溫情況，分為2個(gè)階段養(yǎng)護(hù)混凝土，即升溫、降溫階段，分別進(jìn)行保濕、保溫養(yǎng)護(hù)。在混凝土澆筑結(jié)束收面后，表面覆蓋1層塑料薄膜和2層麻袋片，整個(gè)養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)部要保持空氣濕潤(rùn)。在升溫階段要始終保持整個(gè)筏板基礎(chǔ)混凝土表面的濕潤(rùn)。依據(jù)測(cè)溫的結(jié)果，當(dāng)混凝土中心溫度達(dá)到最高值并開始下降時(shí)，進(jìn)入降溫階段，再覆蓋1層塑料薄膜和2層麻袋片。降溫階段的技術(shù)控制要求為砼表面與外界環(huán)境的溫差小于25℃，每日降溫梯度小于2℃，養(yǎng)護(hù)期間要始終保持混凝土表面濕潤(rùn)，通過增減麻袋片進(jìn)行降溫梯度控制。在混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到14d，砼里表溫差小于25℃，表面與環(huán)境溫差小于15℃時(shí)養(yǎng)護(hù)結(jié)束。

2.3 混凝土裂縫控制要點(diǎn)

大體積混凝土施工的關(guān)鍵是混凝土裂縫控制，以海陽核電FCD（第一罐混凝土）為例，最終混凝土最高溫升控制在55℃左右，且沒有有害裂縫產(chǎn)生，取得了很好的效果，這主要是因?yàn)樵谑┕み^程采取了如下措施：（1）在底板表面及側(cè)面設(shè)置溫度鋼筋，增加抗裂性能；（2）選用低熱水泥，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，盡量減少水泥用量；（3）混凝土骨料采取了風(fēng)冷、加冰等措施，使夏季混凝土入模板溫度控制在20℃以下；（4）夏季高溫施工期間，在澆筑區(qū)域設(shè)置噴霧器進(jìn)行噴霧，降低環(huán)境溫度；（5）優(yōu)化澆筑方案，確定合理的澆筑順序、強(qiáng)度。

3 開頂法施工

3.1 開頂法施工優(yōu)勢(shì)

AP1000模塊化施工是一種先進(jìn)的施工理念，它的先進(jìn)在于它大量引入了平行作業(yè)，減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，從而為縮短核電廠建設(shè)工期提供了有效途徑。與目前國內(nèi)核電傳統(tǒng)施工方法相比，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）土建施工作業(yè)與安裝施工作業(yè)并行進(jìn)行，傳統(tǒng)核電的安裝工作需要到廠房封頂以后才開始，縮短了工期；（2）開頂法施工不需要專門的施工工裝，如制作臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)，減少了使用卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組的次數(shù)，施工過程的安全性好、工效高；（3）吊裝條件好，施工安全規(guī)范。以往核電的主要設(shè)備吊裝如蒸發(fā)器等必須在反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)翻轉(zhuǎn)、豎立，而采用開頂法，可以用專用的大型吊車在廠房外進(jìn)行翻轉(zhuǎn)豎立工作，易操作且能夠準(zhǔn)確就位。

3.2 開頂法施工的不足之處

雖然開頂法施工可以縮短工期，但在施工過程中要事先考慮如下方面的問題：（1）大型吊裝運(yùn)輸設(shè)備需要專用、高等級(jí)（承載力大于50t/m2）的大件運(yùn)輸?shù)缆泛偷跹b場(chǎng)地，且要在開工前完成。（2）由于土建、安裝為平行交叉作業(yè)，因此需要協(xié)調(diào)、組織好各專業(yè)的交叉作業(yè)活動(dòng)，前期準(zhǔn)備工作量大，這對(duì)三級(jí)以下進(jìn)度的編制程度要求更高；（3）由于安裝單位需要提前介入，且主設(shè)備的安裝方案也需要提前進(jìn)行，因此占用技術(shù)人員的時(shí)間較長(zhǎng)；（4）設(shè)備成品保護(hù)的工作量大，部分關(guān)鍵設(shè)備需要專門的方案；（5）設(shè)計(jì)、設(shè)備到貨、施工三方需要無縫銜接。

4 主管道焊接施工

與其它核電機(jī)組不同的是，AP1000反應(yīng)堆中每一個(gè)環(huán)路由1臺(tái)蒸發(fā)器、2臺(tái)主泵與壓力容器構(gòu)成，且主泵泵殼直接與蒸發(fā)器焊接在一起，不存在過渡段（見圖2）。每個(gè)環(huán)路的主管道由2個(gè)冷段、1個(gè)熱段組成，施工空間狹小，需要三維對(duì)準(zhǔn)，組對(duì)和變形控制難度大。

圖2 主管道布置三維圖

主管道安裝的主要難點(diǎn)如下：（1）焊接量大。由于主管道直徑大，壁厚大（冷段65mm、熱段83mm），焊口的焊接量大，一道焊口消耗的焊材近100kg。（2）焊接質(zhì)量要求高。主管道是反應(yīng)堆的核心部件，運(yùn)行工況惡劣，焊接質(zhì)量要求為核1級(jí)。投入運(yùn)行后如出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，返修代價(jià)巨大，因此必須保證焊接質(zhì)量可靠。（3）焊接收縮控制難。主管道焊接過程中焊接收縮量大，要專門控制焊接變形，否則會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，主管道會(huì)存在質(zhì)量隱患，進(jìn)而給電站運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。（4）安裝工藝復(fù)雜。AP1000主管道規(guī)格大，重量重，沒有過渡段，最終要與蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)冷熱端三個(gè)口的一次三維對(duì)準(zhǔn)，因此要提前建立三維數(shù)據(jù)模型，并分析安裝預(yù)案，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行主管道的坡口加工，否則會(huì)造成主管道最小壁厚不足、組對(duì)間隙超標(biāo)等問題。（5）AP1000主管道安裝要實(shí)現(xiàn)立體三維三口的一次對(duì)準(zhǔn)，因此需要投入先進(jìn)技術(shù)控制手段，并提前研究落實(shí)激光跟蹤測(cè)量及3D建模、數(shù)控坡口精確加工、遠(yuǎn)程窄間隙焊接控制等技術(shù)。

在AP1000主管道的施焊過程中，建造單位從FCD（第一罐混凝土）開始就成立了專門的隊(duì)伍進(jìn)行攻關(guān)，并反復(fù)論證和對(duì)比，還進(jìn)行了多次的1∶1模型的模擬焊接。采用了窄間隙自動(dòng)焊、激光測(cè)量數(shù)據(jù)采集、3D建模擬合等新技術(shù)，收到了良好的效果，這是第三代核電建設(shè)在應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料中獲得的突破，且最終熱態(tài)性能試驗(yàn)滿足電廠運(yùn)行的技術(shù)要求。

5 主泵安裝

AP1000主泵是垂直安裝、無密封的單級(jí)高慣性離心屏蔽泵，也是RCS系統(tǒng)中唯一的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，其最大外形尺寸為Φ2.04m×5.87m，重約67.4t。從主體結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)布置、運(yùn)輸通道的設(shè)置等方面來看，AP1000主泵與其他堆型比較均具有明顯的差異。

主泵安裝的技術(shù)難點(diǎn)如下：（1）主泵的水平、垂直運(yùn)輸控制要求高，翻轉(zhuǎn)豎立需要一氣呵成，且吊裝工作需要反復(fù)演練并進(jìn)行1∶1模型實(shí)際模擬安裝；（2）主泵在11廠房?jī)?nèi)SG隔間的引入空間狹小，主泵泵殼與SG墻體的最小間隙只有1cm，引入工作需要專用工具進(jìn)行精準(zhǔn)控制；（3）專用安裝小車設(shè)計(jì)功能復(fù)雜，安裝操作過程需要多次演練，并準(zhǔn)備頂升等重要部件的備件；（4）主泵的頂升和對(duì)中條件復(fù)雜，由于對(duì)中組對(duì)的工藝和精度控制是主泵的關(guān)鍵技術(shù)，因此需要提前進(jìn)行激光跟蹤測(cè)量及3D建模。（5）24組連接螺栓需要多次拉伸、緊固，過程中需要嚴(yán)格控制好熱平衡、緊固步驟。

建造單位在電站開工后就成立專門機(jī)構(gòu)充分準(zhǔn)備主泵的安裝工作，時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)2年，對(duì)安裝方案進(jìn)行了反復(fù)論證和專家評(píng)審，還建造了專門的模擬體進(jìn)行反復(fù)的安裝練習(xí)和人員培訓(xùn)，在現(xiàn)場(chǎng)制作1∶1模型進(jìn)行實(shí)際引入演練。在實(shí)操階段，主泵制造供貨商、總包商采購方、安裝承包商，調(diào)試單位共同成立主泵安裝攻堅(jiān)小組，全面、完整、快捷地準(zhǔn)備和解決了工作中的問題。施工單位共編制施工方案17份，包括主泵安裝、主泵電儀、焊接特錯(cuò)、起駁運(yùn)輸、測(cè)量等。在安裝過程的控制中，將安裝步驟從運(yùn)輸?shù)桨惭b完成細(xì)化為200多步并嚴(yán)格控制，主要控制邏輯見圖3。

依托化項(xiàng)目首批三門02A主泵、01B主泵從2015年12月31日開始啟動(dòng)，2016年1月29日熱交換器安裝完成，歷時(shí)29d，后續(xù)14臺(tái)主泵相繼安裝完成，整個(gè)主泵安裝單臺(tái)工期始終控制在1個(gè)月以內(nèi)，最好控制在20d，在保證高質(zhì)量安裝的情況下取得了非常理想的成績(jī)。

圖3 主泵安裝邏輯圖

6 結(jié)束語

依托化項(xiàng)目AP1000的4臺(tái)機(jī)組在建造過程中雖然工期較原計(jì)劃有較大滯后，但整個(gè)建造過程質(zhì)量可控，后期調(diào)試及啟動(dòng)運(yùn)行也驗(yàn)證了建造技術(shù)質(zhì)量是可靠的，這說明AP1000的可施工性設(shè)計(jì)是合理的，同時(shí)經(jīng)過參加建設(shè)的各方通力合作，不斷解決了各種技術(shù)難題，建設(shè)過程中的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料的應(yīng)用最終得以突破，這也是中國核電建設(shè)能力處于世界領(lǐng)先水平的展示。在后續(xù)CAP1000機(jī)組建造過程中要充分吸收依托化項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)反饋，目前參建各方針對(duì)不同領(lǐng)域分設(shè)計(jì)、采購、施工、調(diào)試開展了充分的經(jīng)驗(yàn)反饋，相信后續(xù)經(jīng)驗(yàn)反饋的落實(shí)將會(huì)更加突出AP系列機(jī)組在建造工期、質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)。