“華龍一號”鋼襯里全模塊化施工技術

湯志孟，夏倩文

(中國核工業二四建設有限公司，福建 漳州 363300)

“華龍一號”是中國自主研發、具有完整自主知識產權的第三代核電技術，具有核電發展戰略性意義，其安全殼鋼襯里與預應力混凝土結構共同組成核反應堆的第三道安全屏障。通過優化建造工期、改善作業環境、降低交叉高風險作業安全風險、提質增效、最優產品性價比研究，實現鋼襯里施工的標準化、機械化、輕量化、集成化。按照工期優化、開頂法的思路從模塊化施工、工藝優化、標準化建設等方面切入研究，形成高性價比的“華龍一號”批量化建造技術。

1 工程概況

“華龍一號”鋼襯里是反應堆廠房安全殼的主要組成部分，起著防泄漏及預應力混凝土的模板作用。鋼襯里主要由底板、加腋區、筒體和穹頂四大部分組成，為底板+加腋區外徑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，壁板材質為Q265HR、壁厚為δ6 mm。鋼襯里外側均勻布置縱橫網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，環吊檢修平臺安裝于筒體9b、10a段。鋼襯里結構詳見圖1。

圖1 鋼襯里結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of steel lining structure

2 施工重難點分析

2.1 施工邏輯優化

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

2.2 模塊設計優化

模塊的設計直接影響內殼混凝土及其周邊物項的施工邏輯，按傳統模塊化施工方法將13段筒體分為3個模塊+8段高空散拼，存在常態化的高風險作業和交叉施工，結合核島施工邏輯、現場吊運能力、鋼廠生產及運輸能力、混凝土高差等對模塊進行設計優化，將直接影響施工邏輯、成本和安全管理。

2.3 確定吊裝工藝

按照模塊設計的重量情況，設計配套的吊索具系統，模擬模塊拼裝、吊裝、就位各階段的結構受力和形變情況，根據起吊重量、現場總平面實際情況，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單片吊裝，模塊的成型狀態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，必須提高預制、拼裝階段的工藝精度和驗收標準。

(2)模塊由拼裝成型狀態至安裝狀態，期間經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、安裝后的受力狀態進行模擬驗算，控制內外受力均勻，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據進行測量，建立全周期測量數據包，及時分析調整模塊精度控制方向。

3 施工工藝設計

3.1 安全殼施工邊界工序優化

按照核島安全殼的結構組成及施工工藝，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下部水平段

傳統工序：筏基澆筑→底板支撐系統安裝→底板安裝→加腋區下部L形板安裝→底板混凝土后澆層施工→加腋區豎直段安裝。

工序優化點：

1)為實現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下部水平段增加一圈環形外環板；

2)將加腋區下部水平段和外環板規劃至加腋區模塊中，規避加腋區安裝風險，取消底板混凝土后澆層，直接將底板澆筑至模塊安裝標高；

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

優化后工序有兩種,平行工序1：筏基澆筑→模塊安裝，平行工序2：筏基澆筑→底板支撐系統安裝→底板安裝。

(2)加腋區上部水平段與墻體鋼筋、混凝土澆筑

傳統工序：加腋區豎直段安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區墻板混凝土澆筑→加腋區上部水平段安裝→筒體1段安裝→加腋區墻板混凝土強度達到C30→模塊2安裝。

工序優化點：

1)在加腋區水平段下側增加支撐系統，加腋區上部水平段規劃至模塊1中[4]，加腋區墻板混凝土澆筑不需澆筑至加腋區水平段標高位置即可完成加腋區水平段安裝。

2)優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干涉問題。

3)因加腋區墻板混凝土強度澆筑至加腋區水平段標高才能進行模塊2安裝，在加腋區水平段下側設計豎向支撐系統，提前為模塊2安裝創造條件(加腋區墻板混凝土澆筑可減少1層)。

優化后工序：模塊1安裝→墻體鋼筋綁扎→加腋區墻板混凝土澆筑→模塊2安裝。

(3)PCS熱交換器安裝

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

工序優化點：實現PCS熱交換器能夠在穹頂吊裝前引入，且又不影響環形吊車安裝主線，將PCS熱交換支架規劃至鋼襯里模塊中，提前實現PCS熱交換器安裝條件。

(4)環形吊車組件、環形檢修平臺安裝

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

工序優化點：

1)連體貫穿件套筒、環吊牛腿、環形檢修平臺規劃至環吊牛腿模塊中，減少現場安裝、RT檢測時間等，規避交叉施工，減少高風險作業。

2)環形檢修平臺提前安裝可將安裝單位與土建內部結構施工面分開，減少核島塔吊資源占用，減少安裝單位環承梁安裝操作平臺搭設。

優化后工序：模塊環吊牛腿模塊安裝→環形吊車組件定位、施工準備→混凝土澆筑至+42 m→環形吊車組件安裝。

3.2 模塊組成設計

(1)鋼襯里筒體壁板分段劃塊設計優化

按照施工現場吊裝、運輸、拼裝實際水平及國內鋼廠寬度方向的實際生產、運輸水平(材料性能、平整度等各項指標滿足設計要求)，并結合鋼襯里環吊牛腿、貫穿件、錨固件的安裝位置與鋼襯里組拼焊縫避讓最優(減少丁字接頭數量)等原則，將鋼襯里筒體由13段優化為10段。

(2)鋼襯里模塊結構設計

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

圖2 鋼襯里模塊結構設計圖Fig.2 Structural design drawing of steel lined module

(3)鋼襯里與混凝土層高差驗算

結合模塊預制、拼裝產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。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，最大限度實現土建與鋼結構施工無縫連接。

3.3 吊裝工藝設計

(1)模塊重量

按照鋼襯里模塊結構設計，結合匹配的施工工裝、吊索具系統，對模塊重量進行統計。

(2)吊索具系統

按照鋼襯里模塊結構及薄壁、偏心等特點，優先選用桁架結構二級平衡吊索具系統[3]，并進行吊裝全過程的模擬計算。詳見圖3。

圖3 吊索具系統示意圖(以環吊牛腿模塊為例)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”堆型設計為核島中心、周邊輔助廠房環抱的方式，吊車站位點距離廠房的作業半徑通常會比較大，一般都能達到70 m以上，按照這種特點首選塔式履帶起重設備。模塊由廠房負挖狀態即開始吊裝施工、且模塊體積較大，因此模塊拼裝場地一般都距離廠房較遠，需要考慮負載行走的吊裝模式，且起重負載率一般控制在78%～88%。吊車行走路線、起重站位點、配重存放點等地基情況應滿足吊車設備性能要求。

(4)吊裝工藝

吊裝過程分三個階段進行:

1)模擬吊裝：按照正式吊裝流程、路徑和起重機操作動作進行空載演練，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、配重的調整，使模塊達到吊裝技術條件，同時驗證起重機、吊索具的可靠性。

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

4 主要技術措施

4.1 模塊重心調平措施

1)通過有限元分析，得出模塊的重心坐標(X，Y，Z)，見圖4。

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

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

3)根據調平配重的重量和預施加位置，加載至有限元模型中，驗證確認調平配重施加后的受力狀況。配重材料選用鋼筋或者型鋼；在施加區域內均勻固定在平臺上鋪設，并對平臺進行承載計算。

4)在模塊試吊過程中進行應力監測，通過在吊裝吊索具系統上設置應力監測系統(連接鋼索計和應變計等)，用于重心調平過程吊索具系統的應力監測，確保吊裝系統受力穩定。

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，通過設計模塊安裝工裝系統控制模塊就位角度，包括環向限位裝置、環向調整裝置、徑向限位裝置、錯邊調整裝置。

2)將拼裝完成的模塊上口數據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。在場地中標識出幾組關鍵數據，包括坐標系、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、弧度在設計要求范圍，符合要求后才進行下一層拼裝。對于因環形角鋼設計位置有貫穿件套筒或錨固件的位置，補充臨時防變形角鋼。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，根據模塊高度切割上個模塊上口。將密集區域的安裝物項定位角度提前投影標識至模塊下口位置，并在核島上個模塊上口上提前測量出此角度位置并標識。模塊就位時嚴格控制安裝物項的標識重合度。

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

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，包括吊裝活動過程中的工程施工狀態、現場機械運行狀態(特別是塔吊、布料機、施工電梯等)，就位期間周邊物項狀態，吊車大臂、履帶行走路線及配重回轉區域的狀態(包括地質情況、基地沉降觀測、廠房安全距離等)。

2)按照現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督重點，進一步核實現場該部分物項狀態。

3)通過模擬吊，讓吊車空載運轉，模擬吊裝過程的機械動作，利用空間測量，1∶1模擬模塊吊裝實際情況，進一步驗證空間干擾及吊車操作系統安全。

4)通過試吊，原地提升模塊，使吊索具系統達到吊裝狀態，驗證吊車、吊索具連接可靠性及受力狀態，同時驗證吊車站位地基受力穩定性，通過應力監測進行偏心調平確保吊裝安全。

5 結論

“華龍一號”是我國具有完整自主知識產權的第三代核電技術，其鋼襯里模塊化建造施工技術將會對后續國家核電產業布局產生深遠影響。鋼襯里全模塊化施工代表著目前國際領先建造技術水平，充分體現了建筑行業綠色施工、裝配式施工的創造性與先進性，具有重要的推廣價值。