“華龍一號”鋼襯里全模塊化施工技術(shù)

湯志孟，夏倩文

(中國核工業(yè)二四建設(shè)有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是中國自主研發(fā)、具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，具有核電發(fā)展戰(zhàn)略性意義，其安全殼鋼襯里與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)共同組成核反應(yīng)堆的第三道安全屏障。通過優(yōu)化建造工期、改善作業(yè)環(huán)境、降低交叉高風(fēng)險作業(yè)安全風(fēng)險、提質(zhì)增效、最優(yōu)產(chǎn)品性價比研究，實現(xiàn)鋼襯里施工的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、輕量化、集成化。按照工期優(yōu)化、開頂法的思路從模塊化施工、工藝優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等方面切入研究，形成高性價比的“華龍一號”批量化建造技術(shù)。

1 工程概況

“華龍一號”鋼襯里是反應(yīng)堆廠房安全殼的主要組成部分，起著防泄漏及預(yù)應(yīng)力混凝土的模板作用。鋼襯里主要由底板、加腋區(qū)、筒體和穹頂四大部分組成，為底板+加腋區(qū)外徑45 612 mm、筒體外徑46 812 mm、穹頂外徑46 812 mm半球體組成的帶肋殼體，壁板材質(zhì)為Q265HR、壁厚為δ6 mm。鋼襯里外側(cè)均勻布置縱橫網(wǎng)狀加勁肋角鋼和錨固釘，不均勻布置閘門套筒、貫穿件套筒、貫穿性和非貫穿性錨固件，筒體10段上分布有45件環(huán)吊牛腿和6件連體貫穿件套筒，其中PCS熱交換器安裝于筒體8a、9a段，環(huán)吊檢修平臺安裝于筒體9b、10a段。鋼襯里結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 鋼襯里結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel lining structure

2 施工重難點分析

2.1 施工邏輯優(yōu)化

核島反應(yīng)堆廠房施工為核電廠主線工期路徑，鋼襯里為主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與其相輔相成的主要有內(nèi)殼混凝土、PCS熱交換器支架、環(huán)形吊車組件、環(huán)形檢修平臺，交叉施工較多，模塊化施工和層段劃分直接影響工期，需系統(tǒng)性對施工工藝、邏輯進(jìn)行分析優(yōu)化。

2.2 模塊設(shè)計優(yōu)化

模塊的設(shè)計直接影響內(nèi)殼混凝土及其周邊物項的施工邏輯，按傳統(tǒng)模塊化施工方法將13段筒體分為3個模塊+8段高空散拼，存在常態(tài)化的高風(fēng)險作業(yè)和交叉施工，結(jié)合核島施工邏輯、現(xiàn)場吊運(yùn)能力、鋼廠生產(chǎn)及運(yùn)輸能力、混凝土高差等對模塊進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，將直接影響施工邏輯、成本和安全管理。

2.3 確定吊裝工藝

按照模塊設(shè)計的重量情況，設(shè)計配套的吊索具系統(tǒng)，模擬模塊拼裝、吊裝、就位各階段的結(jié)構(gòu)受力和形變情況，根據(jù)起吊重量、現(xiàn)場總平面實際情況，匹配吊車工況和選型，并按照模擬吊、試吊、正式吊三步逐步驗證的方式吊裝。

2.4 模塊安裝精度控制

(1)模塊化施工相比傳統(tǒng)單片吊裝，模塊的成型狀態(tài)必須在拼裝階段控制到位才能保證最終安裝精度，安裝后為最終驗收狀態(tài)，必須提高預(yù)制、拼裝階段的工藝精度和驗收標(biāo)準(zhǔn)。

(2)模塊由拼裝成型狀態(tài)至安裝狀態(tài)，期間經(jīng)吊裝引起的變形將影響整體安裝精度，通過模擬驗算等手段分析出的吊裝薄弱點，設(shè)置防變形工裝。

(3)模塊安裝過程的受力驗算，對模塊摘鉤的受力狀態(tài)、安裝后的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬驗算，控制內(nèi)外受力均勻，避免施工變形。

(4)吊裝前、吊裝過程、就位時、安裝后、混凝土澆筑后全過程對模塊的精度數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，建立全周期測量數(shù)據(jù)包，及時分析調(diào)整模塊精度控制方向。

3 施工工藝設(shè)計

3.1 安全殼施工邊界工序優(yōu)化

按照核島安全殼的結(jié)構(gòu)組成及施工工藝，鋼襯里施工邊界主要有以下四方面：

(1)底板混凝土后澆層與加腋區(qū)下部水平段

傳統(tǒng)工序：筏基澆筑→底板支撐系統(tǒng)安裝→底板安裝→加腋區(qū)下部L形板安裝→底板混凝土后澆層施工→加腋區(qū)豎直段安裝。

工序優(yōu)化點：

1)為實現(xiàn)底板和墻體平行施工，將底板和墻體的施工邏輯打斷，形成2個施工面，在鋼襯里底板與加腋區(qū)下部水平段增加一圈環(huán)形外環(huán)板；

2)將加腋區(qū)下部水平段和外環(huán)板規(guī)劃至加腋區(qū)模塊中，規(guī)避加腋區(qū)安裝風(fēng)險，取消底板混凝土后澆層，直接將底板澆筑至模塊安裝標(biāo)高；

3)將底板外環(huán)板和加腋區(qū)下部L型板規(guī)劃至模塊中，有效避免了底板豎向筋與模塊安裝的干涉問題，提前創(chuàng)造模塊吊裝時機(jī)，減少環(huán)向焊縫施工工期，為加腋區(qū)豎直段區(qū)域筒體混凝土墻體鋼筋綁扎創(chuàng)造了先機(jī)。

優(yōu)化后工序有兩種,平行工序1：筏基澆筑→模塊安裝，平行工序2：筏基澆筑→底板支撐系統(tǒng)安裝→底板安裝。

(2)加腋區(qū)上部水平段與墻體鋼筋、混凝土澆筑

傳統(tǒng)工序：加腋區(qū)豎直段安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區(qū)墻板混凝土澆筑→加腋區(qū)上部水平段安裝→筒體1段安裝→加腋區(qū)墻板混凝土強(qiáng)度達(dá)到C30→模塊2安裝。

工序優(yōu)化點：

1)在加腋區(qū)水平段下側(cè)增加支撐系統(tǒng)，加腋區(qū)上部水平段規(guī)劃至模塊1中[4]，加腋區(qū)墻板混凝土澆筑不需澆筑至加腋區(qū)水平段標(biāo)高位置即可完成加腋區(qū)水平段安裝。

2)優(yōu)化為可拆式的斜向支撐，與筒體背肋角鋼形成受力體系，有效避免了加腋區(qū)上部水平段3 mm/1 m水平度因焊接變形控制難超差及該位置鋼筋綁扎與支撐系統(tǒng)干涉問題。

3)因加腋區(qū)墻板混凝土強(qiáng)度澆筑至加腋區(qū)水平段標(biāo)高才能進(jìn)行模塊2安裝，在加腋區(qū)水平段下側(cè)設(shè)計豎向支撐系統(tǒng)，提前為模塊2安裝創(chuàng)造條件(加腋區(qū)墻板混凝土澆筑可減少1層)。

優(yōu)化后工序：模塊1安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區(qū)墻板混凝土澆筑→模塊2安裝。

(3)PCS熱交換器安裝

傳統(tǒng)工序：筒體7段、8段、9段安裝→錨固件安裝→墻體混凝土澆筑至標(biāo)高+31.4 m→PCS熱交換器支架安裝→PCS熱交換器安裝。

工序優(yōu)化點：實現(xiàn)PCS熱交換器能夠在穹頂?shù)跹b前引入，且又不影響環(huán)形吊車安裝主線，將PCS熱交換支架規(guī)劃至鋼襯里模塊中，提前實現(xiàn)PCS熱交換器安裝條件。

(4)環(huán)形吊車組件、環(huán)形檢修平臺安裝

傳統(tǒng)工序：筒體9段、10段安裝→連體貫穿件套筒、錨固件安裝→環(huán)吊牛腿安裝→混凝土澆筑至+42 m→環(huán)形吊車組件安裝→環(huán)形檢修平臺安裝(插空高空散裝)。

工序優(yōu)化點：

1)連體貫穿件套筒、環(huán)吊牛腿、環(huán)形檢修平臺規(guī)劃至環(huán)吊牛腿模塊中，減少現(xiàn)場安裝、RT檢測時間等，規(guī)避交叉施工，減少高風(fēng)險作業(yè)。

2)環(huán)形檢修平臺提前安裝可將安裝單位與土建內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工面分開，減少核島塔吊資源占用，減少安裝單位環(huán)承梁安裝操作平臺搭設(shè)。

優(yōu)化后工序：模塊環(huán)吊牛腿模塊安裝→環(huán)形吊車組件定位、施工準(zhǔn)備→混凝土澆筑至+42 m→環(huán)形吊車組件安裝。

3.2 模塊組成設(shè)計

(1)鋼襯里筒體壁板分段劃塊設(shè)計優(yōu)化

按照施工現(xiàn)場吊裝、運(yùn)輸、拼裝實際水平及國內(nèi)鋼廠寬度方向的實際生產(chǎn)、運(yùn)輸水平(材料性能、平整度等各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求)，并結(jié)合鋼襯里環(huán)吊牛腿、貫穿件、錨固件的安裝位置與鋼襯里組拼焊縫避讓最優(yōu)(減少丁字接頭數(shù)量)等原則，將鋼襯里筒體由13段優(yōu)化為10段。

(2)鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考《壓水堆核電在廠反應(yīng)堆安全殼鋼襯里施工技術(shù)規(guī)程》(NB/T 20159—2012)要求鋼襯里壁板高度與混凝土墻的高度差不應(yīng)超過19 m[1]，結(jié)合目前內(nèi)殼混凝土澆筑工藝(層段高度不應(yīng)超過3 m)，按照筒體壁板的分段對模塊進(jìn)行分段，主要包括施工邊界三個模塊：加腋區(qū)模塊、PCS熱交換器支架建安一體化模塊、環(huán)吊牛腿及次鋼平臺組合型模塊。具體分布見圖2。

圖2 鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Structural design drawing of steel lined module

(3)鋼襯里與混凝土層高差驗算

結(jié)合模塊預(yù)制、拼裝產(chǎn)能及混凝土施工效率，提前模擬驗算每個階段的混凝土與模塊的施工狀態(tài)。針對具體工況驗算鋼襯里模塊與混凝土的高差受力和變形情況，最大限度實現(xiàn)土建與鋼結(jié)構(gòu)施工無縫連接。

3.3 吊裝工藝設(shè)計

(1)模塊重量

按照鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合匹配的施工工裝、吊索具系統(tǒng)，對模塊重量進(jìn)行統(tǒng)計。

(2)吊索具系統(tǒng)

按照鋼襯里模塊結(jié)構(gòu)及薄壁、偏心等特點，優(yōu)先選用桁架結(jié)構(gòu)二級平衡吊索具系統(tǒng)[3]，并進(jìn)行吊裝全過程的模擬計算。詳見圖3。

圖3 吊索具系統(tǒng)示意圖(以環(huán)吊牛腿模塊為例)Fig.3 Schematic diagram of sling system (Taking the ring hoist leg module as an example)

(3)吊裝模式選擇

“華龍一號”堆型設(shè)計為核島中心、周邊輔助廠房環(huán)抱的方式，吊車站位點距離廠房的作業(yè)半徑通常會比較大，一般都能達(dá)到70 m以上，按照這種特點首選塔式履帶起重設(shè)備。模塊由廠房負(fù)挖狀態(tài)即開始吊裝施工、且模塊體積較大，因此模塊拼裝場地一般都距離廠房較遠(yuǎn)，需要考慮負(fù)載行走的吊裝模式，且起重負(fù)載率一般控制在78%～88%。吊車行走路線、起重站位點、配重存放點等地基情況應(yīng)滿足吊車設(shè)備性能要求。

(4)吊裝工藝

吊裝過程分三個階段進(jìn)行:

1)模擬吊裝：按照正式吊裝流程、路徑和起重機(jī)操作動作進(jìn)行空載演練，主要是驗證流程和空間的滿足性。

2)試吊裝：將起重機(jī)在正式吊裝起吊位置按方案將吊索具及附屬措施與模塊本體連接，原地提升模塊，通過對鋼絲繩、配重的調(diào)整，使模塊達(dá)到吊裝技術(shù)條件，同時驗證起重機(jī)、吊索具的可靠性。

3)正式吊裝：完成模塊由拼裝地轉(zhuǎn)移到安裝位置，并對模塊進(jìn)行支撐、固定，實現(xiàn)吊鉤完全卸載的目標(biāo)。

4 主要技術(shù)措施

4.1 模塊重心調(diào)平措施

1)通過有限元分析，得出模塊的重心坐標(biāo)(X，Y，Z)，見圖4。

圖4 模塊的重心坐標(biāo)Fig.4 The coordinate of gravity center of module

2)根據(jù)模塊總重量GM、調(diào)平配重形心半徑RC(配重放置的平臺位置)，計算出調(diào)平配重的GPZ、MPZ的重量。

3)根據(jù)調(diào)平配重的重量和預(yù)施加位置，加載至有限元模型中，驗證確認(rèn)調(diào)平配重施加后的受力狀況。配重材料選用鋼筋或者型鋼；在施加區(qū)域內(nèi)均勻固定在平臺上鋪設(shè)，并對平臺進(jìn)行承載計算。

4)在模塊試吊過程中進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，通過在吊裝吊索具系統(tǒng)上設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)(連接鋼索計和應(yīng)變計等)，用于重心調(diào)平過程吊索具系統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測，確保吊裝系統(tǒng)受力穩(wěn)定。

4.2 模塊精度控制措施

1)為確保模塊上下口“刀鋒間”0～3 mm組對間隙[4]、模塊整體角度及半徑位置，通過設(shè)計模塊安裝工裝系統(tǒng)控制模塊就位角度，包括環(huán)向限位裝置、環(huán)向調(diào)整裝置、徑向限位裝置、錯邊調(diào)整裝置。

2)將拼裝完成的模塊上口數(shù)據(jù)返至正在拼裝的模塊拼裝場地上，按照上一個模塊的周長偏差情況總體控制模塊拼裝半徑偏差方向。在場地中標(biāo)識出幾組關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括坐標(biāo)系、焊縫角度線、每塊壁板的背肋角鋼角度線，控制模塊最終組成。

3)模塊拼裝時控制模塊每一層角鋼的半徑值、弧度在設(shè)計要求范圍，符合要求后才進(jìn)行下一層拼裝。對于因環(huán)形角鋼設(shè)計位置有貫穿件套筒或錨固件的位置，補(bǔ)充臨時防變形角鋼。模塊拼裝完成后測量模塊上口、下口角鋼位置的圓弧度、凹凸度和半徑。

4)模塊吊裝前，提前測量模塊高度，根據(jù)模塊高度切割上個模塊上口。將密集區(qū)域的安裝物項定位角度提前投影標(biāo)識至模塊下口位置，并在核島上個模塊上口上提前測量出此角度位置并標(biāo)識。模塊就位時嚴(yán)格控制安裝物項的標(biāo)識重合度。

5)用有限元提前模擬模塊吊裝全過程的受力狀態(tài)，分析模塊吊裝過程的變形情況，對于超過Q265HR鋼板變形指數(shù)(約17 mm)的區(qū)域，提前設(shè)置防變形加固工裝。

4.3 模塊吊裝安全控制措施

1)模擬分析吊裝過程的總平面狀態(tài)，包括吊裝活動過程中的工程施工狀態(tài)、現(xiàn)場機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)(特別是塔吊、布料機(jī)、施工電梯等)，就位期間周邊物項狀態(tài)，吊車大臂、履帶行走路線及配重回轉(zhuǎn)區(qū)域的狀態(tài)(包括地質(zhì)情況、基地沉降觀測、廠房安全距離等)。

2)按照現(xiàn)場實際狀況編制模擬視頻動畫，通過模擬動畫篩查處安全監(jiān)督重點，進(jìn)一步核實現(xiàn)場該部分物項狀態(tài)。

3)通過模擬吊，讓吊車空載運(yùn)轉(zhuǎn)，模擬吊裝過程的機(jī)械動作，利用空間測量，1∶1模擬模塊吊裝實際情況，進(jìn)一步驗證空間干擾及吊車操作系統(tǒng)安全。

4)通過試吊，原地提升模塊，使吊索具系統(tǒng)達(dá)到吊裝狀態(tài)，驗證吊車、吊索具連接可靠性及受力狀態(tài)，同時驗證吊車站位地基受力穩(wěn)定性，通過應(yīng)力監(jiān)測進(jìn)行偏心調(diào)平確保吊裝安全。

5 結(jié)論

“華龍一號”是我國具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)，其鋼襯里模塊化建造施工技術(shù)將會對后續(xù)國家核電產(chǎn)業(yè)布局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。鋼襯里全模塊化施工代表著目前國際領(lǐng)先建造技術(shù)水平，充分體現(xiàn)了建筑行業(yè)綠色施工、裝配式施工的創(chuàng)造性與先進(jìn)性，具有重要的推廣價值。