核電站艙室頂蓋制造技術研究與應用

文／張希旭 中國核工業二四建設有限公司石島灣核電項目部 山東榮成 264300

引言：

核電站艙室頂蓋是某核電站最為核心的部分，保證系統運行的負壓運行要求，其建造的質量決定著核電的安全運行。本文針對艙室頂蓋的結構特點和預制難點進行分析和研究，提出螺栓集群控制技術、箱形體鋼結構焊接變形控制技術、艙室頂蓋現場應用試驗技術等，有效解決了組裝精度高、焊接變形大、焊縫質量要求嚴及施工工藝復雜等問題，隨著工程實體的成功應用，滿足了高精度的技術要求，為安全殼屏蔽性能的實現提供了保障。

1、艙室頂蓋研究的背景和意義

某核電站一回路艙室低耐壓型鋼混凝土結構安全殼與艙室平臺、艙室密封件、艙室筒體共同實現屏蔽放射性物質釋放到外界環境的重要密封性功能。艙室蓋板分為反應堆艙室蓋板和蒸發器艙室蓋板，設計將反應堆艙室蓋板和蒸發器艙室蓋板各分成了4 個箱型鋼結構單元體，并通過單元體上的螺栓孔采用200 余顆螺桿與艙室筒體頂部預埋件上的螺套之間進行螺紋連接實現艙室蓋板的固定。為實現艙室頂蓋密封性的功能要求，必須在制造階段采取特殊的制造工藝，嚴格控制其組合和焊接變形的偏差量、螺栓孔的偏差量，滿足整體的高精度要求，并通過現場應用試驗進行檢驗，滿足施工精度要求后，方可進行后續的灌漿、封堵和正式安裝施工。（圖1、圖2）

圖1 艙室密封性功能結構示意圖

圖2 反應堆艙室蓋板和蒸發器艙室蓋板示意圖

2、工程特點與難點分析

2.1 蓋板組裝難點分析

2.1.1 零部件數量多，組裝難度大

設計將反應堆艙室蓋板和蒸發器艙室蓋板各分成了4 個單元體，每個單元體由8 個構成組合而成，而每個構成又由若干構成單元組對而成。每個構成均有其獨立的定位要求和功能要求，組裝完成后必須滿足整體尺寸的要求，為此單元體的組裝必須嚴格按照從下往上、從內到外的順序進行。通過對單元體進行圖紙轉化、拆分，并對構成單元的數據進行統計，發現單元體的平均零部件數達到180 余件，零部件數量多，且每一步均有順序要求，給單元體的組裝帶來一定的難度。

2.1.2 螺栓孔定位精度高，控制難度大

艙室頂蓋螺栓孔通過螺桿與艙室結構頂部預埋件上的螺套進行螺紋連接實現艙室頂蓋的固定，其自身的螺栓孔必須與預埋螺套匹配，以滿足功能需求。單個艙室頂蓋均有50 余個螺桿，螺桿長近2m，通過與預埋螺套之間的螺紋連接實現艙室頂蓋的固定。預埋螺套的安裝精度將直接決定螺桿與螺栓孔之間的匹配程度，通過數據分析發現，預埋螺套每傾斜1 度，螺栓孔的最大偏移量將達到近30mm，相應的螺栓孔與螺桿之間凈距將縮小30mm。而螺桿與螺栓孔之間的理論凈距小于20mm，將不能保證螺桿的安裝要求?？刂祁A埋螺套、安裝螺桿、螺栓孔之間的相對位移對蓋板安裝精度的影響是施工的重難點。（圖3）

圖3 艙室頂蓋蓋板安裝節點1 詳圖

2.2 焊接變形控制難點分析

2.2.1 焊接工程量大，焊接操作難度高，需采用合理的焊接方法

艙室蓋板零部件數量多，多種構件間的組對焊接形成縱橫交錯的焊縫，極易造成較大的焊接變形，并且艙室頂蓋總計焊縫長度達到6000 余米，其中5000 余米焊縫為熔透焊縫，均布置在各結構箱體的內部。其中，一級焊縫占總焊縫長度的60%，要求做100%的UT 檢測。艙室頂蓋焊接工程量大，焊接操作空間有限，選用合理有效的焊接方法，將對提高工效有積極的作用。

2.2.2 焊接變形量大，需采用合理的控制措施

艙室頂蓋零部件數量多，尺寸各異，基本都是通過對接與角接組合焊縫進行連接。錯綜復雜的節點，縱橫交錯的焊縫，極易造成較大的焊接變形。為此，采用合理的防變形控制措施，將對蓋板預制質量起著關鍵的作用。

為實現一回路系統的屏蔽和密封功能，艙室頂蓋的預制偏差需在合理的范圍內：螺栓孔±5mm、外形尺寸±3mm、底板平整度±5mm。焊接變形控制將成為艙室頂蓋防變形控制的主要手段。

2.3 艙室頂蓋現場應用試驗難點分析

2.3.1 艙室蓋板重心布置特點及難點分析

根據結構特點，可將艙室蓋板單元體劃分為四種類型，每種蓋板的結構不一，形狀各異，重心布置不一樣。艙室蓋板的偏心結構特征極大的增加了吊裝難度。

重心在吊裝工程中起著關鍵性的作用，其分布決定吊耳的布置，影響著吊索具受力，對吊裝作業的平衡穩定至關重要。因艙室蓋板最大尺寸為9700mm 長，吊裝孔最大尺寸為5000mm，故需要以傾斜狀態將其運輸至吊裝區域。同時，設計吊耳僅供正式安裝使用，亦不允許側向受力，為此在預制階段需設置臨時吊耳。如何在蓋板偏心結構上設置臨時吊耳，以滿足其傾斜狀態吊裝的需求，是在艙室蓋板制作階段需要解決的關鍵技術難點。

2.3.2 現場應用試驗難點分析

經測量分析和三維模型放樣顯示，艙室頂蓋的已施工的緊固螺栓每顆螺桿均有一定程度的傾斜，將極大的增加艙室蓋板的就位難度。

3、艙室頂蓋預制關鍵技術研究與應用

3.1 大型箱形體鋼結構組裝關鍵技術研究與應用

3.1.1 基于BIM技術的組對焊接工藝流程選擇

設計將艙室蓋板各分成了4 個單元體，每個單元體由8個構成組合而成，而每個構成又由若干構成單元組對而成。針對艙室頂蓋零部件數量多，多種構件間的組合有嚴格的順序要求的施工特點，通過BIM技術數字化建立三維模型，對施工邏輯進行推演，確定最優組對和焊接施工工序，確定單元體制作施工工藝流程圖。在艙室頂蓋三維數字模型和施工邏輯推演的基礎上采用流程圖的形式將施工工藝流程更加形象直觀展示出來。（圖4）

圖4 典型單元體結構示意圖

3.1.2 螺栓集群控制技術

艙室頂蓋共計200 余顆螺桿，現場預埋螺套的實際安裝位置決定了螺栓孔的位置，而螺栓孔的位置和尺寸決定了螺桿安裝的空間大小。通過坐標系移植和數據的推演對比，根據現場實測位置坐標信息建立艙室頂蓋螺桿等比例數字化模型，確定車間艙室蓋板制作施工時螺栓孔具體位置。通過車間開孔前最終定位確定的艙室頂蓋螺栓孔實測位置信息建立三維模型與現場艙室頂蓋螺桿等比例數字化模型進行三維碰撞試驗，核實螺栓就位的精度，及時反饋信息并做出調整，保證預埋螺套、安裝螺桿、螺栓孔之間的相對位移，形成螺栓集群控制技術，確保艙室頂蓋安裝時全部螺栓孔和對應螺套之間空間位置的精準匹配，為固定螺桿安裝的精度控制創造了條件。（圖5）

圖5 艙室頂蓋制作車間拼裝圖

為驗證螺栓集群控制技術的可靠性，在單元體焊接完成之后進行制作車間現場應用試驗，對蓋板螺栓孔坐標測量并與現場實際位置坐標對比分析，確保螺桿安裝空間滿足要求。

為保證螺栓集群的質量控制要求，經研究確定技術路線如下：在拼裝場地建立核島坐標系→使用高精度全站儀放出螺桿底部和頂部的實際坐標（現場預埋螺套的坐標），并以該坐標分別劃出螺栓的位置→結合施工偏差需要進行擴孔。

3.2 箱形體鋼結構焊接變形控制關鍵技術研究與應用

3.2.1 多類型焊接方法組合技術的應用

艙室頂蓋的焊縫包含有全熔透焊縫、部分熔透焊縫、角焊縫，最小的焊接高度空間為200mm，最長的焊縫長度有9700mm，最短的焊縫長度有60mm。其中，一級焊縫主要布置于大T 型鋼、內環板、螺栓孔、外環板區域；二級焊縫主要布置于企口處；三級焊縫主要布置于小T 型鋼、封堵板處。艙室頂蓋焊接工程量大，焊接操作空間有限，焊接方法的選擇要統籌考慮鋼結構焊接變形、焊工操作空間、焊縫質量等級、焊工身體要求、焊工焊接手法、焊縫打磨、焊縫冷卻速度、焊接熱輸入等因素。選擇經過研究與分析選擇匹配的焊接方法，如手工電弧焊，氣體保護焊、氣體保護焊等。

3.2.2 箱形體鋼結構焊接工藝控制技術

基于艙室頂蓋焊接坡口均為單V 坡口，為減小焊接施工應力和焊接變形，提高焊接質量，將部分焊接區域的坡口變更為K 形坡口，以實現雙面近似對稱焊接工藝。進行T 型鋼焊接時，焊接坡口為K 型坡口全熔透一級焊縫，為減小焊接構件的角變形，對K型坡口升級運用，采用非對稱加工的方式，先焊接坡口角度較大側，焊接1/2 板厚之后，清根焊接另一側焊縫至3/4 板厚，再進行兩側填充蓋面。施焊過程中并結合了反變形法控制技術，優化焊接順序，根據實際需要采用冷矯正法，熱矯正法等措施有效控制艙室構建的變形。

3.3 艙室頂蓋現場應用試驗技術

3.3.1 偏心結構吊裝技術

艙室蓋板單元體為非標準件，預制完成后的重心位置與理論值有一定的偏差，為此在其預制完成后需進行重心驗證試驗，以進一步完善數據，作為臨時吊耳的設置依據。

為驗證重心及臨時吊耳的布置，依據理論重心位置進行臨時吊耳的設置。吊裝時，在蓋板上和地面畫出蓋板的輪廓線和重心位置，然后進行起吊。待蓋板在空中2m 位置靜止10 分鐘后，在依次以實際重心位置和理論位置作對比，并做好標記。數據整理完畢進行分析對比，依據實際重心的位置進行臨時吊耳位置的調整，確保其圍繞重心對稱。

3.3.2 大型鋼結構安裝導向技術

艙室頂蓋每個單元體均分布著成組的螺栓孔，為確保頂蓋螺栓孔與預埋螺套的一一對應，確保艙室頂蓋的順“勢”就位，采用導向螺桿作為安裝就位裝置，使蓋板按照螺桿的方向完成吊裝。導向螺桿為近2m 長度的臨時螺桿，安裝位置同正式螺桿。其僅做導向使用，每個艙室頂蓋單元體配套使用2 顆，在艙室頂蓋就位后對導向螺桿進行拆除。(圖6)

圖6 艙室頂蓋就位實況

4、關鍵技術應用效果

4.1 大型箱形體鋼結構組裝關鍵技術應用效果

針對艙室頂蓋零部件數量多，組裝難度大，施工精度高等特點，通過BIM技術數字化建立三維模型，對施工邏輯進行推演，確定最優組對和焊接施工工序。通過螺栓集群控制技術，保證預埋螺套、安裝螺桿、螺栓孔之間的相對位移，確保艙室頂蓋安裝時全部螺栓孔和對應螺套之間空間位置的精準匹配，為固定螺桿安裝的精度控制創造了條件，確保了艙室頂蓋安裝就位。

4.2 箱形體鋼結構焊接關鍵技術應用效果

艙室頂蓋的焊接具有焊接工程量大、焊縫質量要求高、焊接變形量大等特點。通過科學的分析論證，采用手工電弧焊和二氧化碳氣體保護焊配套使用的焊接方法、優化了適合實際操作要求的坡口形式、并通過冷、熱矯正來控制焊接變形，確保蓋板焊縫質量滿足要求。

4.3 艙室頂蓋現場應用試驗技術應用效果

艙室蓋板現場應用試驗施工具有就位精度高、吊裝空間有限、施工環境苛刻等特點，通過設置合理的臨時吊耳，采用特殊的工機具和施工工藝，并利用螺桿導向技術作為引導措施，最終實現了艙室頂蓋的預就位安裝，同時檢驗了艙室預制蓋板與設計和現場實際情況的偏差性，便于及時變更和調整。通過艙室蓋板安裝的順利就位，確保了艙室蓋板制造精度滿足技術要求，驗證了艙室蓋板制造技術的可靠性。

結語：

某核電站一回路艙室頂蓋制造施工采用BIM三維數字建模邏輯推演技術、螺栓集群控制技術、箱形體鋼結構焊接變形控制、艙室頂蓋現場應用試驗技術等關鍵技術，成功解決了箱形體結構組裝精度高，焊接變形大、焊縫質量要求高，就位精度高，施工工藝復雜等技術難題，形成了一套核心技術成果，成功應用于某核電站艙室頂蓋制造施工過程中，經現場驗收和質量評定其各項參數均滿足設計和規范要求，降低了施工成本，優化了建造工期，為后續同類型箱型鋼結構制造提供了技術支持。