馬元華

（山東核電有限公司，山東 煙臺 265116）

AP1000 作為第三代核電堆型，在設(shè)計和建造方面都有許多新的特點，如設(shè)計上應(yīng)用了非能動的設(shè)計理念，建造方面采用了模塊化建造技術(shù)，目前首批三門和海陽廠址的4 臺機組已經(jīng)建成投產(chǎn)。

模塊化施工技術(shù)實現(xiàn)了傳統(tǒng)工程從“模塊”到“模塊化”質(zhì)的飛躍，將模塊的規(guī)模和數(shù)量做到了最大化，為未來AP 系列核電標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化施工、批量化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。AP1000 采用的模塊化建造技術(shù)，使得所有的模塊（特別是大型模塊）和大型設(shè)備都采用“開頂法”吊裝就位。這種搭積木的施工方式，需要特大型吊車進(jìn)行吊裝，需要專門的拼裝場地、運輸?shù)缆泛蛙囕v。施工過程中所需的結(jié)構(gòu)及設(shè)備模塊多達(dá)170 多個，其中結(jié)構(gòu)模塊110 多個。一些模塊具有超重、超高、超尺寸的特點，如最大的結(jié)構(gòu)模塊CA01 重量超過850t，高度達(dá)23m，長度達(dá)20m，重達(dá)678t 的CV（鋼制安全殼）頂封頭的吊裝高度超過50m，給吊裝施工組織帶來困難。

模塊化施工技術(shù)的特點是最終要實現(xiàn)工廠拼裝完成的模塊與現(xiàn)場緊密對接，它很大程度上要依賴于發(fā)達(dá)的制造技術(shù)、施工技術(shù)與信息技術(shù)、相當(dāng)規(guī)模能力的運輸?shù)跹b設(shè)備，這不但需要對工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的模塊尺寸進(jìn)行嚴(yán)格控制控制，而且要對模塊是運輸和吊裝環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制。特別是對于一些異形模塊，由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，重心位置不在模塊本體上，吊點位置設(shè)置困難，需要進(jìn)行專門的變形和應(yīng)力分析，增加防變形工裝，以達(dá)到變形控制的目的。文章通過對海陽核電CA03 模塊的吊裝變形控制技術(shù)的介紹，為建筑施工大型異形設(shè)備吊裝提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 CA03 模塊概況

CA03 模塊位于核島11 廠房內(nèi)，其首尾兩端（CA03-01 號子模塊、CA03-17 號子模塊）分別與11廠房內(nèi)部CA01 模塊、CA02 模塊連接，共同構(gòu)成是IRWST（堆內(nèi)換料水箱）西南墻，如圖1 所示。

模塊呈弧形結(jié)構(gòu)，主要由厚度為16mm、材質(zhì)為A240-S32101 雙相不銹鋼構(gòu)成，位于CA01 結(jié)構(gòu)模塊西部，就位標(biāo)高約29.26m。模塊外形尺寸：圓弧對應(yīng)的弦長為35.48m、寬度為14.48m、高為12.75m，由17 個子模塊構(gòu)成，整體總重量為223.56t，如圖2 所示。

圖1 CA03 位置圖

圖2 CA03 結(jié)構(gòu)圖

2 吊裝方案

CA03 模塊外形尺寸較大，呈半圓弧狀，重心難以確定，且模板為單板墻體結(jié)構(gòu)，吊裝過程中容易產(chǎn)生變形，特別是模塊背部加裝了管道支架和鋼筋網(wǎng)片，與CV 筒體的最小間隙較小，只有87mm，吊裝就位過程調(diào)整余地十分有限。模塊就位的精度要求高，標(biāo)高偏差、模塊主要基準(zhǔn)點（DP 點）偏差要求控制在3.2mm 以內(nèi)，垂直度偏差控制在12.5mm 以內(nèi)。因此需要確定合理的吊點，選擇合理的吊裝結(jié)構(gòu)，吊裝設(shè)備。

在1#CA03 模塊防變形工裝設(shè)計完成后，為保證工裝能夠有效控制模塊在運輸?shù)跹b中的變形，委托大連理工大學(xué)對防變形性工裝的可行性進(jìn)行有限元分析計算（詳見文章第4 節(jié)）。根據(jù)理論計算和分析結(jié)果，對CA03 模塊防變形工裝形式進(jìn)行一定改進(jìn)，加入桁架結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)一步得到提高。

2.1 吊點的選擇

選擇合適的吊點，首先要確定吊裝總質(zhì)量，確定模塊的重心。CA03 模塊的吊裝總重量包括17 個子模塊、貫穿件及附件、吊耳、管道及附件、防變形工裝、分配器、吊鉤、滑輪組和吊索具，總重量約223.56t。根據(jù)設(shè)計圖紙，模塊的初始重心坐標(biāo)為（-1165mm，+14537mm），即距核島中心坐標(biāo)（0，0）正南、正西方向的距離分別為1165mm、14537mm。由于上述支架、工裝安裝于模塊上，需要重新對重心進(jìn)行計算。按照力矩平衡的方式重新計算重心（本文不詳細(xì)列出），經(jīng)過計算，得到模塊吊裝重心坐標(biāo)為（-1115mm，+14417mm），即初始重心坐標(biāo)（-1165mm，+14537mm）向正北、正東方向分別偏移40mm、120mm。然后根據(jù)吊裝重心確定一級梁長度及連接點，由于原設(shè)計已經(jīng)給出CA03 模塊上部合理的4 個吊點（吊點1、吊點2、吊點3、吊點4）位置，由此可以推算二級次梁的長度和連接點，如圖3 所示。

2.2 吊裝荷載計算

圖3 重心及吊點示意

（1）4 個吊耳荷載分布計算。根據(jù)模塊吊裝重量、重心，以及4 個吊耳位置，計算出的一級、二級梁的長度及連接點（A、B、C、D 分別代表吊點1、吊點2、吊點3、吊點4），具體如圖4 所示。

圖4 一級、二級梁布置

按照力矩平衡計算出4 個吊耳的荷載分布情況，如表1 所示。

表1 吊耳荷載計算

吊 耳A 荷 載F=223.6×1/2×6862÷11011=69.7t，同樣計算出吊耳B、C、D 的荷載分別為42.1t、42.1t、69.7t。對比表1 中設(shè)計允許最大荷載，得知滿足吊裝條件。吊耳連接前按照設(shè)計要求用400t 吊機對4 個吊耳分階段加載到實際吊裝載荷的75%、90%、100%、110%，試驗過程中測量4 個吊耳位置的應(yīng)變情況。

（2）吊梁及索具重量。模塊總重223.56t，考慮吊裝風(fēng)荷載（小于5.6m/s）、起升速度（小于0.36m/s）、吊梁自重等，現(xiàn)場提出主吊梁的額定起重量為400t，委托巨力索具公司進(jìn)行吊梁及索具的專門設(shè)計及復(fù)核計算（本文不列出），計算結(jié)果為吊梁及索具總重44.82t，400t 的額定起重量滿足吊裝要求。

吊裝荷載Q 按式（1）計算。

式中：G 為CA03 模塊整體重量，223.56t；q1為吊鉤重量，39.5t；q2為吊梁及索具重量，44.82t；FW風(fēng)荷載，0.998t。

代入公式，可得吊裝荷載為307.88t。

2.3 吊機工況選擇

海陽核電大型模塊等大件的吊裝采用德國特雷克斯德瑪格（Terex Demag）公司生產(chǎn)的CC8800-1 雙臂履帶式起重機。最大起吊能力為3200t，最大起重力矩41800tm。經(jīng)計算，吊裝高度86.8m，吊裝半徑52m，吊裝荷載307.88t，根據(jù)以上條件選擇大吊車的吊裝工況如圖5 所示：起重機主臂選擇81m；起重機固定副臂42m，與主臂夾角15°；超起桅桿56m，配重135t；超起配重1100t，額定起重量為337t；吊車負(fù)載率為307÷337=91.1%。

圖5 吊裝工況

3 變形及應(yīng)力計算

為了確定模塊吊裝變形和應(yīng)力情況，以便選擇合適的防變形控制工裝，委托大連理工大學(xué)進(jìn)行ANSYS 有限元分析。首先進(jìn)行不加防變形工裝分析，然后根據(jù)應(yīng)力和位移情況優(yōu)化工裝設(shè)計，再利用ANSYS 進(jìn)行有限元分析是否滿足要求。

3.1 主要輸入條件

模塊形狀：圓弧形，弦長為35.48m，寬度為14.48m，高為12.75m。模塊材料：A240-S32101(雙向不銹鋼）。工裝材料：Q345B，HW200×200×12×8（H型鋼）。鏈接方式：剛性連接（焊接）。加載情況：模塊重量223.56t，3 級風(fēng)載，吊點4 個。

3.2 不加工裝位移分析

無防變形工裝的CA03 模塊吊裝變形位移云圖如圖6 所示，最大變形量為63.24mm，CA03 模塊弦長變化量為95.56mm，模塊水平板應(yīng)力較大，呈現(xiàn)出上口外漲、下口內(nèi)縮的狀態(tài)。根據(jù)該情況進(jìn)行防變形工裝設(shè)計，變形工裝加裝按照改善吊裝應(yīng)力分布、不影響模塊就位（CA03 模塊吊裝時需從CA01 模塊與CV2#加強圈之間通過，根據(jù)CA01 模塊與CV2#加強圈的高度差，防變形工裝在空間上避讓，避免吊裝過程中與二者沖突，與核島內(nèi)部其他物項碰撞）、易于制作安裝的選擇進(jìn)行，增加工裝后的模塊有限元模型如圖7 所示。

圖6 不加工裝位移云圖

圖7 增加工裝后模型

3.3 增加工裝后的位移應(yīng)力分析

增加防變形工裝后，加入風(fēng)載對吊裝的影響，按照無風(fēng)、有風(fēng)（M、K、L 三個方向）分3 種工況進(jìn)行計算，如圖8 所示。

圖8 風(fēng)載示意圖

經(jīng)過有限元分析的位移云圖、應(yīng)力云圖如圖9、圖10 所示。CA03 模塊吊裝變形主要發(fā)生在工裝上，最大變形量為53.49mm，模塊板的最大變形量12.01mm，CA03 模塊弦長變化量為16.01mm，變形量得到了很好的控制。吊裝中應(yīng)力較大的點均為工裝與模塊連接點，模塊位移及應(yīng)力計算具體結(jié)果如表2 所示。Q345B（工裝）的抗拉強度257MPa，A240 雙向不銹鋼的抗拉強度為334MPa，模塊和工裝都有充足的安全系數(shù)，滿足吊裝要求。

圖9 增加工裝位移云圖

圖10 增加工裝應(yīng)力云圖

表2 模塊位移及應(yīng)力計算表

4 其他防變形措施

運輸過程變形控制。海陽CA03 的運輸車輛采用德國的索埃勒運輸車，模塊由中遠(yuǎn)物流公司（COSCO）承擔(dān)運輸任務(wù)，采用2組6縱列形式，如圖11 所示，同時增加了以下措施防止CA03 變形。

圖11 運輸車輛布置

（1）為了提高車輛的剛性，在兩組液壓平板之間增加了2 根17m 長的連接梁。

（2）為了防止CA03 在兩組車中間懸空的部分產(chǎn)生向下的變形，在懸空部分的下方設(shè)置了2 根300mm的H型鋼，使CA03 中間懸空部分有4 個支腿落在H型鋼上。

（3）運輸前車輛檢查中增加了運輸車輛胎壓測試項目，并形成記錄，及時更換胎壓不足的輪胎，保證運輸過程中的安全，在進(jìn)車和頂升過程中采用2 臺130t汽車吊進(jìn)行吊裝，在一定程度上防止運輸進(jìn)車時造成1#CA03 模塊變形。

（4）在模塊柱腳增加卡塊，以防止模塊在運輸過程中發(fā)生上下位移。

（5）嚴(yán)格控制模塊運輸速度，直行速度為1km/h、轉(zhuǎn)彎速度0.5km/h。

（6）增加可調(diào)拉桿。在由于吊梁設(shè)計時重心與目前實際重心有一定的差異。為了盡量減小模塊吊裝過程產(chǎn)生的變形，提出以下兩種調(diào)平措施：吊耳與吊梁的二級梁間使用4 根可調(diào)拉桿連接，用于調(diào)節(jié)CA03 模塊的水平度，調(diào)節(jié)范圍200mm；如果可調(diào)拉桿無法調(diào)平，采用設(shè)置2 個20t 的手拉葫蘆進(jìn)行輔助調(diào)平。

5 結(jié)束語

根據(jù)變形控制計算、工裝措施，現(xiàn)場編制了專門的吊裝、運輸方案并進(jìn)行嚴(yán)格控制，按照模塊運輸—吊具連接—解除捆綁—試吊裝—起吊—就位6 個板塊進(jìn)行細(xì)致準(zhǔn)備；運輸、起吊、就位3 個階段對17 個DP 點（對應(yīng)17 個子模塊）的坐標(biāo)進(jìn)行測量，并嚴(yán)密監(jiān)控。CA03模塊幾個DP 點就位前后的差值比較如表3 所示，基本控制在25mm 以內(nèi)，證明吊裝變形很小，防變形控制措施是有效的。

表3 吊裝前后變形偏差表 單位：mm