一種受拉環(huán)梁模塊設計及拼裝工藝優(yōu)化

胡曉波，閆安崗，，朱帥倫，陳 勇，未曉朋，孫 鵬

（1.中國核工業(yè)二三建設有限公司，北京 順義 101300；2.山東理工大學，山東 淄博 255049）

0 引言

核能作為一種清潔、高效、優(yōu)質的能源，備受世界各國矚目。模塊化技術是核電站工程縮短建造周期、降低造價的重要手段，已成為第三代核電的發(fā)展主流。目前，我國已建或在建核電站中僅有從美國引進的浙江三門1 號、2號，山東海陽1 號、2 號AP1000 核電站，及該核電站大規(guī)模應用了模塊化設計與施工。模塊化技術的優(yōu)勢是可在預制廠內安全可控的環(huán)境里最大化制造模塊，保證建造質量；同時，模塊制造能夠與土建施工同時進行，縮短建造工期。

核電站是集屏蔽廠房、安全殼、燃料廠房、輔助廠房、汽輪機廠房、控制廠房、柴油發(fā)電機廠房、廢料廠房等為一體的系統(tǒng)工程，如圖1 所示。

圖1 該核電站廠房位置圖示

該核電站采用雙層安全殼結構，內層為承壓鋼制安全殼，外層為屋頂錐形殼體圓柱狀鋼筋混凝土屏蔽廠房構筑物結構。屏蔽廠房為核島的最外層結構，用于保護內部的鋼制安全殼。作為核島的最外層結構，其主要功能是防飛行物、海嘯、爆炸、抵御惡劣天氣和地震等外部沖擊，且有非能動冷卻和阻止核泄漏事故時放射性物質外漏和保護公共安全的作用。

1 受拉環(huán)梁模塊

我國在AP1000 核電技術的基礎上進行再創(chuàng)新，將某核電站屏蔽廠房包圍鋼制安全殼的屏蔽墻設計為鋼板混凝土結構，鋼制安全殼與屏蔽墻兩者間距為1385mm。屏蔽廠房SC 結構分為連接區(qū)域（1 層），非閉合區(qū)（2～7 層），閉合區(qū)（8～17 層）和進氣孔及受拉環(huán)梁區(qū)（18～19 層）四大組成部分。屏蔽廠房SC-19層標高為受拉環(huán)梁模塊區(qū)域，標高位于54.255m～57.246m，外墻板外徑為23.985m，內墻板內徑為22.485m，內外墻板間距為1.500m，整體高度2.991m，單個子模塊約重31t。如圖2 所示，屏蔽廠房SC-19 層材料為38mm 厚Q420C 鋼板，方形箱梁鋼板內側均勻布置有栓釘，鋼板之間由鋼筋連接，方形箱梁上部的四邊形內部由加強板連接，以保證整體受拉強度。整體拼裝完成后在鋼板內部充填混凝土。

圖2 受拉環(huán)梁模型圖示

屏蔽廠房SC-19 層受拉環(huán)梁由16 個子模塊組成。各子模塊依順序在預制廠內將鋼板切割成模塊所需形狀后，將鋼筋及剪力釘?shù)绕囱b焊接成單個子模塊。預制完成后將子模塊及相應蓋板運輸至拼裝現(xiàn)場進行整圈拼裝焊接工作。其中15 個標準段均為22.5°，1 個調整段比標準段長約100mm。現(xiàn)場拼裝時優(yōu)先將15 個標準段拼裝焊接后，依據(jù)理論周長及半徑對調整段進行劃線切割，切割完成后進行調整段拼裝焊接工作，焊接完成后進行L 型加強板拼裝焊接工作，隨后進行蓋板的拼裝焊接工作，最后進行蓋板相關開孔工作。

2 設計優(yōu)化

2.1 L 型加強板優(yōu)化

為便于1#SC19 層每段子模塊上部橫隔板對接焊縫焊接工作，預制廠內在每段子模塊上部橫隔板對接焊縫兩側各預留了一張20mm 厚的L 型加強板于上部橫隔板對接焊縫NDE 檢測合格后焊接。當前L 型加強板為全熔透焊縫。由于兩塊L 型板之間的間距不足200mm，空間狹小，后拼裝的兩塊L 型板全熔透焊縫無法正常焊接及相關NDE 檢測。

優(yōu)化建議：為解決上述設計引起的焊工施焊及焊后相關NDE 檢測困難的問題，通過等強度計算，采用每段子模塊上部橫隔板對接焊縫兩側各預留一張L 型加強板，并采用雙面角焊縫取代全熔透焊縫，焊腳設為20mm 進行焊接，如圖3 所示。焊接完成后進行100%VT+100%PT 檢測。

圖3 優(yōu)化后L 型加強板焊接形式圖示

2.2 蓋板優(yōu)化

原蓋板在場內每22.5°下料后整塊運輸至拼裝現(xiàn)場，現(xiàn)場焊接施工量大，縱焊縫量總計約17m，環(huán)焊縫量總計約300m。另蓋板安裝需要將上橫向加強板焊接完成NDE 檢測合格，且L 型加強板焊接完成NDE 檢測合格后進行。

優(yōu)化建議：經(jīng)研究分析，對蓋板采取分割式優(yōu)化設計，將預制廠內已經(jīng)下完料的整塊蓋板切割成兩段，另順時針或逆時針周向旋轉；同時預留出可進行上部橫隔板焊接空間。即可將蓋板分批進行拼裝焊接，第一批拼裝的蓋板可提前安裝如圖4 所示，第二批拼裝的蓋板在L 型加強板焊接及NDE 檢測完成后拼裝。此優(yōu)化后第一批蓋板可在預制廠內拼裝完成后運送至拼裝現(xiàn)場，第二批留至拼裝現(xiàn)場進行焊接。該優(yōu)化一方面減少蓋板施工時因露天受天氣等條件影響的時間；另一方面減少現(xiàn)場焊縫焊接量約240m。綜上顯著提高現(xiàn)場拼裝進度，縮短拼裝工期。

圖4 優(yōu)化后蓋板圖示

2.3 外面板優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊與子模塊之間的上部橫隔板、下部橫隔板、內側面板、外側面板均為對接焊縫。在焊縫交點處應力較大，使其形成一個應力集中區(qū)域，產(chǎn)生一個強度薄弱區(qū)。

優(yōu)化建議：將外面板順時針或逆時針周向旋轉1.5°，使外面板與上下部橫隔板對接焊縫的角度交錯開?？蓽p少上部橫隔板、下部橫隔板、外面板相交處所形成的十字焊縫。減少應力集中。

3 建造優(yōu)化建議

3.1 過焊孔切割時機優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊到拼裝現(xiàn)場前未開設過焊孔，導致內外墻板焊縫不能100%焊接。為保證內外墻板縱焊縫完整焊接，需在受拉環(huán)梁子模塊兩端的上部橫隔板和下部橫隔板四個角處開設過焊孔，所需切割的過焊孔如圖5 所示。

圖5 需切割的過焊孔圖示

優(yōu)化建議：上部橫隔板和下部橫隔板處需開設的過焊孔在預制廠內下料時用數(shù)控機床切割完成。此階段下料一方面可減少內側斜面板、立面板和上下部橫隔板相交點的殘余應力；另一方面可減少在拼裝現(xiàn)場火焰切割易損傷母材的問題。

3.2 剪力釘及機械套筒優(yōu)化

在內側斜面板表面及下部橫隔板下側均勻布置有剪力釘及機械套筒，其距離子模塊坡口邊緣約100mm。此項目在子模塊到達拼裝現(xiàn)場時剪力釘及機械套筒已安裝完成。影響受拉環(huán)梁子模塊與子模塊之間內側斜面板對接焊縫及下部橫隔板對接焊縫焊接前的預熱、焊接后的消氫及焊接完成后的UT 檢測工作。導致拼裝現(xiàn)場將影響的剪力釘及機械套筒切除后恢復，增加成本。

優(yōu)化建議：預制廠內在進行子模塊剪力釘及機械套筒安裝焊接時預留內側斜面板表面及下部橫隔板焊縫兩側230mm 內的剪力釘及機械套筒不進行安裝焊接工作。將模塊之間內側斜面板對接焊縫及下部橫隔板對接焊縫約230mm 內的剪力釘及機械套筒焊接工作于拼裝現(xiàn)場UT 檢測合格進行。

3.3 調整段下料時機優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊運輸?shù)狡囱b現(xiàn)場后先進行標準段的拼裝焊接工作，待全部標準段子模塊焊接完成后對受拉環(huán)梁的標準段子模塊內墻塊半徑及外墻體的周長進行測量，根據(jù)實測周長與整環(huán)理論周長進行對比，確定調整段子模塊的內外墻板弧長切割尺寸，計算確定后進行劃線及切割面板。切割完成進行調整段的拼裝焊接工作。

優(yōu)化建議：子模塊吊裝就位后在坡口兩側標識點位，兩點位距離300mm，在內墻板和外墻面板上中下部位分別進行標記，如圖6 所示。焊接過程中對定位焊前、定位焊后、打底2 層、打底7 層、蓋面分別進行了數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，從定位前到焊接完成后對接焊縫的收縮約為5mm。故后續(xù)拼裝可在打底兩層時進行調整段下料工作；或在子模塊預制階段依據(jù)子模塊間的間隙取消調整段。

圖6 點位布置圖示

表1 焊接過程中焊縫收縮數(shù)據(jù)/mm

3.4 油漆涂裝部位優(yōu)化

受拉環(huán)梁子模塊在出廠前已完成正式油漆的噴涂工作。而拼裝現(xiàn)場在對子模塊與子模塊拼裝時需焊接臨時附件因而破壞焊縫附近油漆。在對接焊縫焊接時由于熱影響區(qū)溫度過高也對焊縫附近油漆造成破壞。在對接焊縫進行UT 檢測時需打磨對接焊縫兩側各約230mm 范圍內油漆以滿足檢測需求。導致對接焊縫NDE 檢測合格后需重新進行油漆修補工作。

優(yōu)化建議：預制廠內在進行受拉環(huán)梁子模塊油漆噴涂時，對焊縫兩側約250mm 不進行正式油漆噴涂而采用臨時油漆涂刷。此處正式油漆噴涂工作在拼裝現(xiàn)場進行。可減少油漆的浪費，并可節(jié)約工期。

4 優(yōu)化后節(jié)約工期

依據(jù)上文從設計、拼裝施工方面提出的建議優(yōu)化可較大幅度減少受拉環(huán)梁建造周期。經(jīng)初步統(tǒng)計，優(yōu)化后預估可減少的工期如表2 所示。

表2 優(yōu)化后預估節(jié)約工期表

5 總結

為了緊跟核電安全高效發(fā)展的步伐，該核電站屏蔽廠房受拉環(huán)梁結構引入模塊化施工技術，使工廠內高效預制與現(xiàn)場高效拼裝相結合，極大推動了預制廠內資源利用和現(xiàn)場施工進度間的緊密協(xié)作，縮短安裝主線工期，對核電建造具有重要現(xiàn)實意義。

受拉環(huán)梁為該核電站屏蔽廠房中焊縫條數(shù)相對較多且較為復雜的結構。雖然已從設計、制造、施工及技術等方面進行了研究，但研究還不夠深入且存在很多不足，尚需進一步思考、優(yōu)化、創(chuàng)新，提升現(xiàn)有技術的經(jīng)濟性及可行性，為后續(xù)此類大型核電站屏蔽廠房結構模塊的拼裝提供技術參考及借鑒依據(jù)。