非能動核電廠鋼制安全殼頂封頭拼裝支架優(yōu)化設(shè)計

王燕輝，張學(xué)勇，王奕清，王成才，楊照東

(山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118)

非能動壓水堆核電廠鋼制安全殼是一個獨(dú)立的圓柱形立式鋼容器，由上、下兩個橢圓形的封頭及中部筒體組成。一方面，鋼制安全殼提供承壓和容器屏蔽的作用，防止反應(yīng)堆系統(tǒng)釋放的放射物或危險廢液向外釋放；另一方面，鋼制安全殼容器本體也是非能動安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)的主要組成部分，作為非能動安全殼冷卻傳熱面，將安全殼內(nèi)的余熱導(dǎo)出到外部大氣環(huán)境中[1]。在嚴(yán)重事故工況時，通過在頂封頭頂部噴淋冷卻水，鋼制安全殼外表面形成冷卻水膜，保證在免于人員干預(yù)的情況下，72 h內(nèi)持續(xù)通過冷卻水膜將安全殼內(nèi)部產(chǎn)生的熱量帶走[2]。

為達(dá)到嚴(yán)重事故下水膜冷卻效果，要求頂封頭的形狀偏差向內(nèi)外不超過壁厚的1倍。先前的兩款頂封頭拼裝支架[3，4]，可以完成頂封頭組裝、運(yùn)輸?shù)墓δ?，但在制造成本、匹配頂封頭拼裝、保障形狀尺寸精度和運(yùn)輸?shù)确矫妫€有一定的提升空間。本文介紹了一種新型頂封頭拼裝支架，在縮短組裝工期、降低制造成本、簡化頂封頭運(yùn)輸?shù)确矫婢酗@著的效果。

1 鋼制安全殼頂封頭簡介

鋼制安全殼頂封頭為橢圓形封頭，內(nèi)直徑約40 m，高約12 m，壁厚約42 mm，由4層瓣片組成[5]。典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型頂封頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The typical top head structure

頂封頭采用模塊化制造，組焊成整體后，再吊裝至核島與筒體進(jìn)行組對焊接，并且頂封頭尺寸較大，為典型的薄壁構(gòu)件[6]。

2 頂封頭拼裝支架結(jié)構(gòu)形式

頂封頭采用由外向內(nèi)、由下向上的拼裝順序，通過拼裝支架對封頭瓣片提供支撐，使其形狀滿足公差要求[7]。

2.1 原拼裝支架結(jié)構(gòu)形式

三門核電一期項目頂封頭拼裝支架由兩部分組成，最外圈是獨(dú)立的固定支撐，內(nèi)圈是整體式鋼結(jié)構(gòu)框架。拼裝支架需提前在封頭拼裝場地組裝成整體。拼裝支架與頂封頭組裝效果如圖2所示。

圖2 原頂封頭拼裝支架組裝圖Fig.2 The original assembling of the top head assembly support

經(jīng)項目經(jīng)驗及分析，該拼裝支架在使用過程中存在如下不足。

1)支架設(shè)計鋼材耗用量較大(超過300 t)，制造成本高。

2)支架拼裝安裝周期較長。由于頂封頭和底封頭共用拼裝場地，待2號機(jī)組底封頭移出后，才具備條件開展頂封頭拼裝支架的安裝和1號機(jī)組頂封頭的安裝。頂封頭拼裝支架安裝工期越長，越擠占頂封頭拼裝工期。

3)頂封頭運(yùn)輸時，支撐平臺下方的立柱都需要拆除，工作量較大，增加運(yùn)輸前的等待時間。

4)2號機(jī)組頂封頭拼裝時，拼裝支架復(fù)位安裝工期長。

2.2 新型頂封頭拼裝支架

針對頂封頭結(jié)構(gòu)形式、拼裝工藝以及原有拼裝支架存在的不足，設(shè)計了一種新型拼裝支架。新拼裝支架分三部分，包括最外圈的鋼支堆、第二圈的支撐柱以及內(nèi)圈的中心支架，如圖3所示。

圖3 新型頂封頭拼裝支架整體示意圖Fig.3 The overall schematic of the new top head assembly support

圖4 封頭瓣片與新型拼裝支架的位置關(guān)系Fig.4 The position relation between the head flap and the new assembly support

2.2.1 鋼支堆

鋼支堆位于拼裝支架的最外圈，在封頭拼裝期間，支撐固定第一層封頭瓣片的下端面。待頂封頭拼焊完后，鋼支墩是整個頂封頭的重要承載支撐。

鋼支堆的數(shù)量與最外圈頂封頭瓣片的數(shù)量相同，布置于第一層封頭瓣片拼接縱焊縫處。

2.2.2 支撐柱

支撐柱負(fù)責(zé)支撐、調(diào)整第一層封頭瓣片的上部，每隔一塊封頭瓣片設(shè)置1個支撐柱(例如僅圓周序號為奇數(shù)的瓣片設(shè)置支撐柱)，位于第一層封頭瓣片上端中心位置。通過2個下部鋼支堆和1個上部支撐柱，構(gòu)成一塊瓣片的支撐、調(diào)整結(jié)構(gòu)。支撐柱的上下均為鉸接結(jié)構(gòu)，上端鉸接方便調(diào)整瓣片的高度，下端鉸接方便后續(xù)支撐柱的放倒和拆除。

2.2.3 中心支架

中心支架由底部支腿、八角形立柱、中部異形斜支撐及頂部內(nèi)外兩圈環(huán)梁組成。內(nèi)外環(huán)梁上分別設(shè)置調(diào)整封頭瓣片形狀的立柱，外環(huán)調(diào)整支撐點(diǎn)位于第二層封頭瓣片與第三層封頭瓣片環(huán)縫處，內(nèi)環(huán)梁調(diào)整支撐點(diǎn)位于第三層封頭瓣片與第四層封頭瓣片環(huán)縫位置。

2.2.4 拼裝支架與封頭的連接立柱

拼裝支架的支撐柱、內(nèi)外環(huán)梁頂部均設(shè)置有用于支撐、調(diào)整頂封頭瓣片的小立柱，如圖5所示。小立柱端部的連接板與焊接在封頭內(nèi)表面的連接板通過銷軸連接，小立柱連接板與底部法蘭通過四套雙頭螺柱連接。頂封頭組對調(diào)整階段，在小立柱內(nèi)部設(shè)置千斤頂調(diào)整頂封頭瓣片就位標(biāo)高。

圖5 小立柱示意圖Fig.5 The schematic of the small support column

3 新支架的工程應(yīng)用

新型頂封頭拼裝支架已經(jīng)在“國和一號”示范工程鋼制安全殼頂封頭拼裝工程中得到了實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用效果較好。

3.1 施工前準(zhǔn)備工作

頂封頭拼裝前，對拼裝支架進(jìn)行測量放線。在拼裝場地測定鋼支堆、支撐柱底板及中心支架支腿底板的位置，并預(yù)埋地腳螺栓或設(shè)置膨脹螺栓。

3.2 鋼支堆對封頭瓣片的固定

鋼支堆通過地腳螺栓或膨脹螺栓固定在基礎(chǔ)上之后，對上表面進(jìn)行水平度測量，并設(shè)置墊鐵調(diào)平。調(diào)平后，在頂部設(shè)置坡口保護(hù)器，保護(hù)頂封頭下部坡口在施工過程中免受磕碰，并且保證封頭下端半徑滿足設(shè)計要求，避免與筒體組對時環(huán)縫錯邊量超出規(guī)范要求。

3.3 支撐柱的就位

支撐柱結(jié)構(gòu)由底部連接板、中間支柱以及頂部小立柱三部分組成。

利用設(shè)置在基礎(chǔ)上的地腳螺栓將底部連接板固定。小立柱與中間支柱利用緊固件連接，同時與焊接在第一層封頭瓣片上的連接板通過銷軸連接。中間支柱隨第一層封頭瓣片的吊裝而直立。第一層封頭瓣片下部坡口兩端分別就位于兩個鋼支堆的坡口保護(hù)器內(nèi)，并將中間立柱與底部連接板通過銷軸連接。

第一層封頭瓣片就位后，在支撐柱端部的小立柱內(nèi)設(shè)置千斤頂對封頭頂部標(biāo)高進(jìn)行調(diào)節(jié)。

支撐柱的數(shù)量是第一層封頭瓣片數(shù)量的一半，吊裝時，需間隔吊裝。相鄰由支撐柱支撐的瓣片(如1號瓣片和3號瓣片)調(diào)整就位后，通過縱焊縫之間的卡具和擋板，支撐調(diào)整中間瓣片(如2號瓣片)就位。插空吊裝法如圖6所示。

圖6 第一層封頭瓣片插空法安裝示意圖Fig.6 The plug-in installation of the first layer of head plates

3.4 中心支架的拼裝及固定

中心支架八角形立柱下部為8根支腿，每根支腿通過拆卸地腳螺栓分為上、下兩截。在頂封頭運(yùn)輸時，可根據(jù)運(yùn)輸車輛情況進(jìn)行拆除。

八角形立柱上設(shè)置異形斜支撐，作為端部內(nèi)、外環(huán)梁的基礎(chǔ)，保證環(huán)梁的水平，并且均勻地將壓力傳遞到地面，避免局部受力不均而出現(xiàn)傾斜。

中心支架頂部內(nèi)、外環(huán)梁上設(shè)置的小立柱數(shù)量分別等于第二層及第三層封頭瓣片的數(shù)量，分別支撐于第二層及第三層封頭瓣片上部坡口的中心。

頂封頭運(yùn)輸時，中心支架通過八角形立柱承載在運(yùn)輸小車上，上部可對封頭提供足夠的支撐，運(yùn)輸車輛與頂封頭、拼裝支架的位置關(guān)系如圖7所示。

圖7 新型拼裝支架運(yùn)輸車輛布置圖Fig.7 The layout of transport vehicles for the new assembly support

4 新型拼裝支架優(yōu)勢

通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，新型頂封頭拼裝支架，在節(jié)省成本、縮短工期方面均有顯著的效果。

(1)支架制造快捷，成本低

原拼裝支架鋼結(jié)構(gòu)的總重量約330 t，并且各立柱和斜撐之間均通過緊固件連接，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。新拼裝支架經(jīng)優(yōu)化后僅重135 t左右，支架材料減少約60%，節(jié)省制造成本。

因新型拼裝支架用材減少，相比原拼裝支架，車間制造周期可縮短約1個月。

(2)便于頂封頭組裝形狀的調(diào)整

新型拼裝支架利用頂部小立柱內(nèi)設(shè)置的千斤頂對封頭瓣片形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，測量合格后，將緊固件擰緊，并利用支撐板替換千斤頂位置，避免千斤頂長久承載。銷軸連接的連接方式不僅可以為封頭瓣片提供更好的支撐，還能保證拼裝支架在運(yùn)輸過程中更加穩(wěn)定。相對于原拼裝支架點(diǎn)接觸的支撐方式，新型拼裝支架的在端部的小立柱調(diào)整更加方便，且封頭瓣片拼裝精度及穩(wěn)定性更高。

(3)縮短頂封頭的拼裝工期

采用原拼裝支架時，需待頂封頭拼裝支架組裝完畢后才能開展頂封頭瓣片的拼裝。新型支架僅完成部分外圈鋼支堆及上部的坡口保護(hù)器安裝后就可開展第一圈瓣片的組裝，支撐柱隨封頭瓣片的吊裝同時就位。在第一層封頭瓣片焊接過程，可同期開展中心支架的拼裝，通過底封頭瓣片拼裝與支架安裝的交叉施工，可實(shí)現(xiàn)提前1.5個月開展頂封頭的拼裝工作。

采用原拼裝支架，需待1號機(jī)組頂封頭吊裝就位后，將原拼裝支架整體返回安裝后才能開展2號機(jī)組CVTH的拼裝工作。而采用新型拼裝支架，當(dāng)1號機(jī)組頂封頭運(yùn)輸出拼裝場地后，就可以恢復(fù)外圈鋼支堆和中間支撐柱，開展2號機(jī)組第一層封頭瓣片拼裝工作。相比原方案，可為2號機(jī)組頂封頭爭取3周左右的時間提前開展拼裝。

按雙機(jī)組合計，在鋼制安全殼拼裝關(guān)鍵路徑上，至少可節(jié)省約2個多月拼裝工期。

(4)減少頂封頭運(yùn)輸前的支架拆除等待時間

采用原拼裝支架，頂封頭整體拼裝完畢后，在運(yùn)輸之前，才能開展拼裝支架下方影響進(jìn)車和站位的邊緣固定桿拆除工作，累計需要拆除16個固定桿，并且需要在拼裝支架下部設(shè)置專用運(yùn)輸托架。

采用新型拼裝支架，當(dāng)?shù)谝粚影昶春感纬梢粋€圓周后，就可以放倒拆除支撐柱；頂封頭整體拼焊完運(yùn)輸前，僅需要移走12個鋼支堆和拆除中心支架2根支腿的下半截即可。拆除、安裝工作量較少，減少頂封頭運(yùn)輸前的等待時間。

(5)便于二次重復(fù)使用復(fù)位安裝

采用原拼裝支架，頂封頭拼裝支架支撐平臺以上部分和頂封頭一同運(yùn)輸，當(dāng)2號機(jī)組復(fù)用時，需要對整個支撐平臺下放的支撐柱進(jìn)行復(fù)位對中和安裝，由于支架尺寸大，復(fù)位對中耗時長。

采用新型拼裝支架，頂封頭整體拼裝完成后，由位于邊緣的4臺運(yùn)輸車和1臺中間支撐承載運(yùn)輸車實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸。整體拼裝復(fù)位時僅需要將中心支架部分復(fù)位安裝，復(fù)位安裝支架尺寸小，復(fù)位對中支柱少，復(fù)位安裝簡單、快捷。

5 結(jié)論

相比原拼裝支架，新型頂封頭拼裝支架具有結(jié)構(gòu)簡單、瓣片調(diào)整和封頭運(yùn)輸方便、縮短頂封頭拼裝工期等優(yōu)點(diǎn)，可以為其他大型封頭的拼裝提供工程參考。