“華龍一號”鋼襯里穹頂拱膜成型胎架施工技術

湯志孟，劉志強，夏倩文

(中國核工業(yè)二四建設有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是中國自主研發(fā)的、具有完全自主知識產權的第三代核電技術，具有核電發(fā)展戰(zhàn)略性意義。其核島設計為雙殼結構，內殼鋼襯里穹頂、外殼鋼制穹頂是反應堆廠房安全殼的重要組成部分。為優(yōu)化目前行業(yè)內穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工工藝，解決穹頂拼裝過程反復搭拆滿堂腳手架的現狀，優(yōu)化穹頂拼裝施工作業(yè)平臺和測量、檢測空間，改善作業(yè)環(huán)境，實現土建、安裝單位胎架一體化，達到“一勞永逸”的效果，有效服務于“華龍一號”穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝施工，并進一步應用于外穹頂拼裝施工，對提升“華龍一號”高水平的標準化建造能力及同領域核電建設競爭力具有重要意義。

1 工程概況

“華龍一號”鋼襯里穹頂是反應堆廠房安全殼的主要組成部分，位于核島頂部，起著防泄漏及穹頂頂部預應力混凝土的模板作用。穹頂為重約345 t(含安裝物項約40 t)、外徑φ46 812 mm、高23 406 mm的帶肋半球殼體，周邊均勻布置縱橫網狀加勁肋角鋼，在不同位置布置貫穿性和非貫穿性錨固件，穹頂內部設置有噴淋、通風系統(tǒng)，安裝有儀表管道、支架、電纜次托盤和通風管道等，球面上無規(guī)則地分布著約535個錨固件測量點和約750 個通風管道支架拐點。穹頂具有整體結構大、拼裝工藝復雜、設計技術要求高等特點。穹頂分為5部分，約由153 塊球瓣鋼板拼焊而成，其為Q265HR、壁厚6 mm的薄壁雙曲面結構體，拼裝精度要求高，組對間隙允許范圍為0～3 mm，錯邊量要求≤1.5 mm，拼接處的凹凸度≤5 mm/300 mm。穹頂結構如圖1所示。

圖1 鋼襯里穹頂結構示意圖Fig.1 Schematic of steel lined dome structure

2 施工重難點分析

2.1 穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝優(yōu)化

1)穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝過程中涉及支撐體系、壁板組對/焊接/檢測平臺、測量通視及操作平臺、管道設備倒運/組裝、油漆等工序，本技術通過融合鋼結構與機電安裝專業(yè)的施工工藝邏輯和需求，設計土建、安裝一體化操作架，通過對胎架結構和施工工藝的雙向促進優(yōu)化，實現各工序所需要的施工條件與施工工藝的高度匹配。

2)將穹頂拼裝過程的結構受力分為穹頂受力系統(tǒng)和胎架受力系統(tǒng)，結構受力簡潔、安全，胎架作為操作架同時也兼顧壁板組對的定位支撐作用，實現壁板的快速定位和調整。

3)通過三維建模和詳圖深化設計，模擬穹頂“西瓜瓣”子模塊制作尺寸控制和拼裝尺寸控制技術。

2.2 穹頂拱膜成型胎架設計

按照穹頂拼裝及噴淋系統(tǒng)安裝工藝施工需求，自主設計的球狀拱膜鋼結構作為半球體穹頂的拼裝胎架系統(tǒng)，將雙曲率球體胎架結構設計為拱膜成型胎架，主要有地面系統(tǒng)設計、胎架主體設計和施工操作平臺設計三部分。

2.3 穹頂拱膜成型胎架機械化安拆技術

通過三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯，將胎架分解為標準模塊，由每一榀橋體繞著中心筒架旋轉成型，中心筒架分解為標準桁架節(jié)，可迅速堆積成型。在地下系統(tǒng)中設計有機車通道，能夠實現胎架機械化安拆。

3 關鍵施工技術

3.1 雙曲率半球體胎架結構設計

(1)穹頂設計

將穹頂劃分為多個環(huán)形層，每個環(huán)形層沿縱向分為多個子模塊。結合穹頂雙曲面子模塊吊裝工藝、車間胎具成型生產工藝、拼裝胎架拱架布置等，將穹頂由設計的153 塊球瓣體劃分為車間預制出廠65 塊子模塊。按照穹頂胎架拼裝工藝施工需求，將雙曲率球體胎架結構設計為拱膜成型胎架，結合施工需求主要分為地面系統(tǒng)設計、胎架主體設計和施工操作平臺設計[1]，如圖2所示。

(2)地面系統(tǒng)設計

1)按照穹頂輪廓直徑及穹頂子模塊組拼縱向焊縫位置布置穹頂支墩，支墩為可重復使用標準件；穹頂子模塊組拼支墩應預留500～800 mm操作空間，并設置可調整鋼支墩；按照穹頂拼裝施工過程結構側向力情況，預埋環(huán)向抗剪鍵。

2)按照穹頂受力狀況均布置胎架支墩，穹頂支墩與胎架支墩之間錯開約50～100 mm，為穹頂各層組裝焊縫角度線測量留出通視條件；穹頂支墩距離地面預留約700～800 mm的自然通風通道，根據氣候變化必要時可快速配套機械排風，與穹頂頂部通道口形成通風系統(tǒng)。

圖2 半球體胎架結構設計示意圖Fig.2 Structural design sketch of half sphere frame

3)穹頂拼裝胎架設計2條地下通道，分為人行通道和機車通道，為穹頂壁板拼裝完成后的機械化施工提供條件，與穹頂內部物料通道連接，實現物料至穹頂操作平臺的快速周轉。人行通道與穹頂內外部人行通道、梯籠走道形成系統(tǒng)，能夠快速、安全通往穹頂臺架上布置的各操作平臺。

4)穹頂拼裝場地設計施工用電系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)，通往各施工操作平臺；排水設置約1.5°的中間往四周的散水和縱環(huán)向排水槽，并通過找坡通往人行通道和機車通道兩個集水井；防雷接地通過縱環(huán)向連接穹頂內外側的穹頂支墩、穹頂胎架支墩、中心筒架支墩，形成穹頂、胎架接地系統(tǒng)。

(3)胎架主體設計

1)排布輪廓位置的每個胎架支墩安裝有下角支點，設計為“A字型”三角支點，與胎架支墩通過銷軸連接形成整體。

2)輪廓中心的胎架支墩上安裝中心筒架，設計為腳手架承載體系+網架，中心筒架的底部固定在胎架支墩上，中心筒架的上部為網架結構；網架沿環(huán)向排布安裝多個上角支點，與網架形成整體。

3)設計拱形桁架張弦梁，類似于結構的拱形屋頂，通過張弦梁實現整個穹頂胎架張壓的穩(wěn)定受力結構；每個張弦梁的兩端分別與下角支點和上角支點的自由端連接，形成立面拱形橋體結構，具有良好的承載作用。

4)多榀立面拱形橋體結構架體對稱同步拼裝，通過次梁連接，形成半球體拱膜胎架；實際施工過程中需將下三角拼裝為整體、將中心筒架拼裝為整體，再對稱安裝張弦梁。

(4)施工操作平臺設計

1)總結穹頂拼裝施工需求，在穹頂3條環(huán)向拼裝焊縫處設計3圈環(huán)形操作平臺，操作平臺搭設在穹頂內側、胎架上部；穹頂第一層縱向拼接焊縫處設計踏步梯籠作為操作平臺，梯籠生根放置地面；穹頂第二層縱向拼接焊縫處設計踏步式操作平臺，操作平臺搭設在穹頂內側、胎架上部。

2)總結錨固件安裝施工需求，通過環(huán)形操作平臺和縱向操作平臺采用標準平臺框架延伸至錨固件安裝位置，平臺框架上鋪設跳板，便于錨固件投點通視拆卸；錨固件安裝操作平臺與管道支架安裝操作平臺可以綜合考慮。

3)總結穹頂內部管道安裝需求，在4圈環(huán)形管道布置位置下方設計4圈環(huán)形操作平臺，在縱向連接管道位置下方設計縱向踏步式操作平臺，并在縱、環(huán)操作平臺間考慮倒料轉角區(qū)。

4)總結通風安裝需求，在其安裝位置上設計掛梯，環(huán)向操作平臺上設計可拆卸式單元，便于通風管道連續(xù)性施工；儀控安裝需求基本上能夠利用管道安裝平臺，不需考慮。

5)在穹頂內側7圈環(huán)形平臺的不同位置上設計懸挑式的物料倒運通道。

6)中心筒架上環(huán)向布置3圈測量平臺，可實現穹頂內部所有區(qū)域全方位測量作業(yè)。

3.2 穹頂拱膜胎架安裝技術

1)通過三維建模，合理規(guī)劃胎架安裝施工邏輯和節(jié)點碰撞分析，對部分節(jié)點和部位進行詳圖深化設計，車間預制出廠前進行試拼裝和一一對應編號，確保胎架預制、安裝滿足技術要求。

2)場地平整和基礎施工完成后，先進行下三角安裝，下三角“A字型”按順序依次連接安裝，最終形成整體，下三角安裝完成后即可進行穹頂一層拼裝；下三角與中心筒架可以平行施工，不存在邏輯關系；再進行張弦梁安裝，張弦梁4個對角角度對稱安裝，張弦梁安裝后才可進行穹頂二層拼裝；再進行中間次梁桿件安裝；最后安裝次梁桿件上的施工平臺，施工平臺自下而上，先裝徑向平臺后裝環(huán)形平臺逐層爬升[2]。如圖3所示。

圖3 胎架安裝效果圖Fig.3 Effect drawing of tire frame installation

3.3 穹頂拼裝成型技術

1)穹頂拼裝過程中自身逐步形成承重基座，拼裝過程按下層襯托上層的拼裝方式實現，提前在下層壁板上口設置限位板，實現壁板快速定位；通過在每一層徑向平臺上和上口環(huán)向平臺上設置頂托支撐，根據上層壁板就位時的標高和半徑，提前測量調整好頂托支撐的位置，實現壁板的快速定位和調整[3]。

2)車間制作時，以子模塊下口和徑向大角鋼作為基準，上口壁板和右側壁板均預留拼裝切割預留；現場拼裝時，水平面以穹頂各層下口標高作為定位基準，角度以徑向大角鋼作為定位基準、焊縫角度線作為輔助參考，拼裝過程以圓弧弧面半徑作為控制基準，通過徑向疊合切割和水平面標高超平切割，實現整體拼裝成型。

3.4 穹頂拼裝成型質量控制要點

(1)材料控制要點

1)編制材料采購技術規(guī)格書，按技術要求組織驗收；

2)材料按規(guī)格型號、類型碼放整齊，分類存放、標識。

(2)預埋件控制要點

1)嚴格控制埋件鋼板平整度；

2)安裝前應進行測量定位及加固固定，確?；炷翝仓蟛划a生變形。

(3)胎架結構安裝控制要點[4]

1)控制好下三角垂直度及下三角上部與張弦梁連接節(jié)點的半徑及標高位置；

2)嚴格控制中心內筒垂直度在2/1000 mm要求范圍內；

3)提前對張弦梁進行張緊處理，將安裝間距控制在合適范圍內；

4)張弦梁對稱安裝，優(yōu)先安裝4個方位角度的4榀張弦梁(帶張緊支撐)；

5)張弦梁安裝完成后，對張弦梁上部拱度進行測量，將實際拱度情況反饋至張弦梁上部平臺支架上，確保張弦梁上部平臺安裝標高及穩(wěn)定性；

6)操作平臺、樓梯安裝時，應確保安裝垂直度和水平度滿足技術要求，嚴禁出現傾斜或漏連接情況。

(4)焊接控制要點

1)制定焊接工藝卡，規(guī)定焊接/打磨技術要求；

2)坡口焊縫焊接前應進行外觀檢查，確保點焊間距和坡口角度滿足要求；

3)焊后對焊腳高度、焊縫余高進行測量，并進行VT、PT檢驗；

4)焊工應具備焊接資質。

(5)螺栓擰緊控制要點[4]

1)普通螺栓和高強螺栓區(qū)分開管理；

2)100%檢查螺栓擰緊及摩擦面情況；

3)高強螺栓嚴格按技術要求進行初擰和終擰，并驗收和記錄。

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

拼裝胎架與傳統(tǒng)腳手架相比，具有循環(huán)利用、降低人工成本優(yōu)勢，并同時服務于土建及安裝施工單位，減少反復搭拆。以某核電內穹頂拼裝為例進行對比分析，如表1和表2所示。

表1 腳手架操作平臺搭拆費用明細

腳手架與拼裝胎架通過人工、材料、機械方面的費用對比分析可知，按照單個核電廠址規(guī)劃6個機組內外穹頂重復使用考慮(實際可周轉次數不止)，拼裝胎架比腳手架節(jié)省2587.2萬元，具有可觀的經濟效益。

4.2 社會效益分析

該技術成果為國際首創(chuàng)，穹頂拼裝技術改進及施工高效性、安全性、經濟性等提升為類似工程提供了借鑒，具有重要的參考價值。該技術積極響應國家對安全管理、職業(yè)健康等政策的要求，降低施工安全風險，實現施工的機械化、模塊化，提高作業(yè)效率，實現建安一體化胎架施工，保障了廣大施工人員的人身安全和健康，創(chuàng)造了安全、衛(wèi)生、舒適的工作環(huán)境。

5 結論

“華龍一號”是我國具有完全自主知識產權的第三代核電堆型，隨著“華龍一號”的設計成熟化、標準化，標準化的胎架設計反復利用能夠有效降低施工成本、提升工效。通過對鋼結構球面拱膜式施工胎架進行研究設計，能有效服務于“華龍一號”穹頂施工。