高溫氣冷堆主設備自動找正調(diào)平裝置應用研究

張志強，孫朝朋(中國核工業(yè)二三建設有限公司，北京 101300)

0 引言

高溫氣冷堆示范電站(以下簡稱“高溫堆”)作為十六個國家科技重大專項之一，是我國擁有自主知識產(chǎn)權、具有第四代技術特征的先進核能技術，具有固有安全特性，應用領域廣泛，商業(yè)化前景非常廣闊。一回路主要設備包括：反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、熱氣導管殼體及熱氣導管、堆內(nèi)金屬和陶瓷構件等主要設備，這些大型復雜設備是高溫堆的心臟，安裝條件苛刻，精度要求高，難度極大。

因高溫堆反應堆未設計專門的主設備調(diào)整設備，公司設計了一種主設備自動找正調(diào)平裝置，該裝置主要有三部分組成，分別為鋼結構梁、拉索系統(tǒng)(堆芯殼提升系統(tǒng))和液壓調(diào)整系統(tǒng)，其中壓力容器工況和蒸汽發(fā)生器工況類似，其結構形式如圖1所示，因金屬堆芯殼需提升1.2 m，故拉索系統(tǒng)在金屬堆芯殼工況更改為堆芯提升系統(tǒng)，結構形式如圖2所示。一回路主設備調(diào)整流程為：首先用拉索系統(tǒng)連接被調(diào)的主設備和位于一回路艙室墻體上表面的結構梁，通過激光跟蹤儀測量系統(tǒng)實測被調(diào)主設備位置數(shù)據(jù)，然后對比分析主設備的偏差值，通過總控臺控制位于結構梁四角的三維液壓調(diào)整機聯(lián)動位移，實現(xiàn)主設備x、y、z方向位移及繞z軸旋轉(zhuǎn)的精確調(diào)整，因此如何完成調(diào)整裝置現(xiàn)場組裝達到可用狀態(tài)，是高溫氣冷堆示范工程一回路主設備調(diào)整的先決條件，需要對其應用過程遇到的難題進行研究、解決，以確保調(diào)整裝置滿足使用要求。

圖1 壓力容器及蒸汽發(fā)生器調(diào)整工況三維圖

圖2 金屬堆內(nèi)構件調(diào)整工況三維圖

1 主設備自動找正調(diào)平裝置應用難點分析

拉索系統(tǒng)由高強度材料拉板組裝而成，通用組裝流程，需要搭建臨時組裝平臺，但由于施工部位位于核反應堆主艙室，艙室未設置臨時平臺生根節(jié)點，且主設備安裝時間緊，沒有充裕時間進行安裝平臺搭設，故需根據(jù)示范工程艙室環(huán)境特點對拉索系統(tǒng)的組裝邏輯進行優(yōu)化。

鋼結構梁由多段短梁通過螺栓連接組成[1]，調(diào)整不同設備工況時，采用不同的組合形式，在蒸汽發(fā)生器調(diào)整工況應用時，需將延長梁拆除，通過高強螺栓將端梁與中間梁組裝，縮短鋼結構梁的跨距，以滿足蒸汽發(fā)生器調(diào)整需求，但該鋼結構梁的底板連接使用的是鉸制孔高強螺栓連接，鉸制孔螺栓在鋼結構梁制作時進行配鉆而成，精度較高。如將原配鉆的延長梁拆除，端梁與中間梁組合時，底部鉸制孔必然會存在錯位情況，導致無法完成鋼結構的二次組裝，影響調(diào)整裝置在示范工程的應用。

2 主設備自動找正調(diào)平裝置應用分析

2.1 拉索系統(tǒng)組裝邏輯優(yōu)化

鋼結構梁與液壓調(diào)整系統(tǒng)組裝完成后，進行拉索系統(tǒng)組裝，拉拉索系統(tǒng)主要有吊耳、可調(diào)拉桿、過渡拉板、雙拉板、三拉板、頂部拉板和連接各零部件的銷軸組成，每條拉索重量為3 043.68 kg。依據(jù)施工環(huán)境，具體組裝方式可以采取艙室外組裝或艙室內(nèi)組裝。如采取艙室外組裝方式，拉索系統(tǒng)組裝進度應與鋼結構梁吊裝進度匹配，此時組裝不涉及高空作業(yè)，也無需搭設臨時組裝平臺，組裝邏輯順序為三維液壓調(diào)整機就位，鋼結構梁與拉索系統(tǒng)在艙室外組裝，然后整體吊裝至液壓調(diào)整機上，其組裝方式屬于通用方式。

高溫氣冷堆示范工程在主設備安裝完成后就封閉了頂部吊裝孔，因此蒸汽發(fā)生器工況下的組裝方式，需在反應堆艙室內(nèi)進行組裝，理想狀態(tài)下，應將拉索從鋼結構梁頂部逐根連接穿入，最后完成拉索系統(tǒng)與被調(diào)整設備的連接。本調(diào)整裝置的拉索系統(tǒng)結構尺寸兩端都大于鋼結構梁的開孔尺寸，故需要將拉索系統(tǒng)拆分為三段，通過多次上下調(diào)整，完成于拉索系統(tǒng)下部的可調(diào)拉桿、拉板、頂部拉板連接，詳細連接步驟如下：

(1)準備，首先把各吊耳與壓力容器筒體通過螺柱、螺母、銷軸(緊固力矩需符合設計文件要求)等連接在一起，可調(diào)拉桿調(diào)整至最長放置于壓力容器法蘭面上(做好法蘭面的保護措施及防止可調(diào)拉桿掉落的措施)，然后將過渡拉板與雙拉板、三拉板通過銷軸連接，雙拉板與三拉板通過銷軸連接，備用。

(2)中間段的拉板組裝，將鋼絲繩等吊裝繩通過三拉板頂部的銷軸先把一組過渡拉板與雙拉板、三拉板通過鋼結構梁的吊耳孔下放(吊耳孔的尺寸為400 mm×205 mm，過渡拉板的尺寸為360 mm×204 mm，下放時應隨時檢查，防止過渡拉板與吊耳孔發(fā)生卡死現(xiàn)象)，當下放到一定位置時，在雙拉板之間的縫隙中插入一塊40 mm厚的長條板，使這組拉板卡在鋼結構梁上。

(3)中間段與下段組裝，將吊裝繩索換成長度至少為5 m的吊裝帶，吊裝帶與銷軸連接完畢后，拆除卡板，將過渡拉板、雙拉板及三拉板下放，將過渡拉板與可調(diào)拉桿通過銷軸連接，緩緩起吊已經(jīng)連接好的組件(包括可調(diào)拉桿、過渡拉板、雙拉板及三拉板)，并使用卡板將這組拉板卡在鋼結構梁上。

(4)與上段組裝，抽出吊裝繩和三拉板頂部銷軸，通過吊裝繩與輔助銷軸(也可用吊裝繩直接穿過頂部三拉板的上部圓孔)吊運一組頂部拉板與雙拉板的組合件，通過銷軸連接這組組合件與三拉板頂部相連，稍稍起吊這時的拉索系統(tǒng)，移除卡板，再進行下放，當頂部三拉板的中部圓孔與鋼結構梁上部吊耳的圓孔對齊時，進行穿軸。

(5)拉索與被調(diào)整設備組裝，穿好銷軸后，移除吊裝繩和輔助銷軸，工作人員下到壓力容器筒體頂部進行可調(diào)拉桿與平衡板的銷軸連接，完成本組拉索系統(tǒng)的安裝。

2.2 鋼結構梁組裝優(yōu)化

主設備自動找正調(diào)平裝置在調(diào)整蒸汽發(fā)生器時，需將延長梁拆除，重新組裝鋼結構梁。為防止梁底部連接的鉸制孔螺栓無法安裝，考慮將底部鉸制孔高強螺栓更換為與梁側板連接的大六角高強螺栓，從而實現(xiàn)鋼結構梁在施工現(xiàn)場二次組裝，需對該情況進行的校核和計算。

2.2.1 相關系數(shù)及參數(shù)

對于此工況，吊點數(shù)均為4，考慮到此種作業(yè)方式雖然屬于“超靜定”，但吊起蒸汽發(fā)生器筒體時，四個吊點均設有可調(diào)節(jié)長度的可調(diào)拉桿。故可認為四個吊點受力基本相同，為安全起見，選不均衡系數(shù)K=1.1。

吊裝作業(yè)中，采用的起升方式為三維液壓千斤頂頂升，動作非常平穩(wěn)，鋼結構本身出現(xiàn)的振動很小，起升沖擊系數(shù)取φ1=1.05。

起升狀態(tài)可類比GB/T 3811—2008 《起重機設計規(guī)范》[2]中的起升狀態(tài)級別HC1，即“起升離地平穩(wěn)”，這時，動載系數(shù)取φ2=1.05。

其中：被吊物蒸汽發(fā)生器筒體的質(zhì)量：mZT=500 t；每套索具及相關零部件的質(zhì)量：mL=3.2 t(數(shù)量為4)；自動找正調(diào)平裝置鋼構梁的質(zhì)量：mZL=50 t。

2.2.2 螺栓連接校核

四個吊點呈中心對稱分布，整個系統(tǒng)的重心與幾何中心重合，則四個支承點的支反力均相等。

(1)支反力：

(2)連接處的彎矩：

式中：L為支承點到連接處的距離L=1.5 m。

鋼結構梁的連接中，上蓋板頂在一起，腹板和下蓋板留有間隙，忽略腹板處的連接，認為僅下蓋板的連接承受拉力，這樣簡化計算偏于安全。則下蓋板的拉力：

式中：h為上下蓋板的中心距，h=1.63 m。

下蓋板連接處每側均有18個螺栓，下蓋板上下均有連接板，摩擦面的個數(shù)為Zm=2。

單個螺栓的承載能力：

式中：μ為抗滑移系數(shù)(摩擦系數(shù))，對于被連接材料為Q345，連接處結合面采用鋼絲刷清浮銹或未經(jīng)處理的干凈軋制表面，μ=0.35；Pg為高強螺栓的預拉力，對于M30的10.9級螺栓，取Pg=354 kN；n為安全系數(shù)，取n=1.34。

連接處的螺栓群能承受的總拉力：

結論：由此可見，改成高強螺栓能滿足要求。

3 應用效果

3.1 技術指標應用

目前，調(diào)整裝置已成功應用于示范工程2臺壓力容器筒體、2臺金屬堆芯殼和2臺蒸汽發(fā)生器的調(diào)整工作。調(diào)整后的壓力容器筒體的水平度、平行度、標高及同軸度實測值均滿足要求；金屬堆芯殼工況下可滿足提升1.2 m工況要求，且安裝參數(shù)滿足要求；蒸汽發(fā)生器工況下，鋼結構梁組裝及拉索系統(tǒng)組裝應用情況良好，同時順利實現(xiàn)了壓力容器殼體、熱氣導管殼體和蒸汽發(fā)生器殼體組對，安裝參數(shù)及精度也均符合技術要求[3]。

3.2 整體應用效果

高溫氣冷堆主設備自動找正調(diào)平裝置應用后獲得如下效果：提高工程質(zhì)量：調(diào)整裝置運行精度高、操作簡便，量化實現(xiàn)主設備安裝的各項技術指標，有效提高安裝效率與質(zhì)量；改善工作環(huán)境，保證施工安全：調(diào)整裝置的操作在反應堆檢修大廳進行，減少了在艙室內(nèi)作業(yè)人員數(shù)量，極大地改善了工人的工作環(huán)境，有力提高了施工安全；縮短主設備安裝周期：調(diào)整裝置在進行主設備安裝調(diào)整時，通過同步控制臺實現(xiàn)自動調(diào)整，節(jié)約人員投入，減少重復操作?？s短主設備的安裝周期，保障一回路主設備安裝的施工進度。

4 結語

一回路主設備的安裝是高溫堆工程建設的關鍵難點之一，通過應用該調(diào)整裝置，有效提升了一回路主設備安裝的質(zhì)量和效率，有力推動了高溫堆示范工程的順利建成。同時調(diào)整裝置的應用經(jīng)驗在后續(xù)60萬kW高溫堆電站一回路艙室結構不變的情況下，可以直接使用，為高溫氣冷堆商業(yè)化推廣提供重要的技術支撐。液壓提升或頂升技術目前在大型鋼結構、橋梁、造船等領域已應用較為廣泛，在核電站建設中應用較少，論文所取得的成果和經(jīng)驗為其他核電站大、重型設備安裝調(diào)整裝置應用提供了思路和參考經(jīng)驗。