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(yáng) 265118)

非能動(dòng)壓水堆核電廠鋼制安全殼是一個(gè)獨(dú)立的圓柱形立式鋼容器，由上、下兩個(gè)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(xiǎn)廢液向外釋放；另一方面，鋼制安全殼容器本體也是非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCS)的主要組成部分，作為非能動(dòng)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(shí)，通過(guò)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(guò)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(guò)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埽谥圃斐杀?、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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(guò)拼裝支架對(duì)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(mén)核電一期項(xiàng)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(chǎng)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及分析，該拼裝支架在使用過(guò)程中存在如下不足。

1)支架設(shè)計(jì)鋼材耗用量較大(超過(guò)300 t)，制造成本高。

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

3)頂封頭運(yùn)輸時(shí)，支撐平臺(tái)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(shí)間。

4)2號(hào)機(jī)組頂封頭拼裝時(shí)，拼裝支架復(fù)位安裝工期長(zhǎng)。

2.2 新型頂封頭拼裝支架

針對(duì)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(jì)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(gè)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(gè)支撐柱(例如僅圓周序號(hào)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(guò)2個(gè)下部鋼支堆和1個(gè)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?jī)?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(guò)銷(xiāo)軸連接，小立柱連接板與底部法蘭通過(guò)四套雙頭螺柱連接。頂封頭組對(duì)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(guó)和一號(hào)”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(duì)拼裝支架進(jìn)行測(cè)量放線。在拼裝場(chǎng)地測(cè)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(duì)封頭瓣片的固定

鋼支堆通過(guò)地腳螺栓或膨脹螺栓固定在基礎(chǔ)上之后，對(duì)上表面進(jìn)行水平度測(cè)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(guò)程中免受磕碰，并且保證封頭下端半徑滿足設(shè)計(jì)要求，避免與筒體組對(duì)時(shí)環(huán)縫錯(cuò)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(shí)與焊接在第一層封頭瓣片上的連接板通過(guò)銷(xiāo)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(gè)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(guò)銷(xiāo)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(duì)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(shí)，需間隔吊裝。相鄰由支撐柱支撐的瓣片(如1號(hào)瓣片和3號(hào)瓣片)調(diào)整就位后，通過(guò)縱焊縫之間的卡具和擋板，支撐調(diào)整中間瓣片(如2號(hào)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(guò)拆卸地腳螺栓分為上、下兩截。在頂封頭運(yùn)輸時(shí)，可根據(jù)運(yùn)輸車(chē)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?jī)?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?jī)?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(shí)，中心支架通過(guò)八角形立柱承載在運(yùn)輸小車(chē)上，上部可對(duì)封頭提供足夠的支撐，運(yùn)輸車(chē)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(chē)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(shì)

通過(guò)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(guò)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(chē)間制造周期可縮短約1個(gè)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(duì)封頭瓣片形狀進(jìn)行調(diào)節(jié)，測(cè)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(zhǎng)久承載。銷(xiāo)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(guò)程中更加穩(wěn)定。相對(duì)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(shí)，需待頂封頭拼裝支架組裝完畢后才能開(kāi)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(kāi)展第一圈瓣片的組裝，支撐柱隨封頭瓣片的吊裝同時(shí)就位。在第一層封頭瓣片焊接過(guò)程，可同期開(kāi)展中心支架的拼裝，通過(guò)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(gè)月開(kāi)展頂封頭的拼裝工作。

采用原拼裝支架，需待1號(hào)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(kāi)展2號(hào)機(jī)組CVTH的拼裝工作。而采用新型拼裝支架，當(dāng)1號(hào)機(jī)組頂封頭運(yùn)輸出拼裝場(chǎng)地后，就可以恢復(fù)外圈鋼支堆和中間支撐柱，開(kāi)展2號(hào)機(jī)組第一層封頭瓣片拼裝工作。相比原方案，可為2號(hào)機(jī)組頂封頭爭(zhēng)取3周左右的時(shí)間提前開(kāi)展拼裝。

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

(4)減少頂封頭運(yùn)輸前的支架拆除等待時(shí)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(kāi)展拼裝支架下方影響進(jìn)車(chē)和站位的邊緣固定桿拆除工作，累計(jì)需要拆除16個(gè)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€(gè)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(gè)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(shí)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(tái)以上部分和頂封頭一同運(yùn)輸，當(dāng)2號(hào)機(jī)組復(fù)用時(shí)，需要對(duì)整個(gè)支撐平臺(tái)下放的支撐柱進(jìn)行復(fù)位對(duì)中和安裝，由于支架尺寸大，復(fù)位對(duì)中耗時(shí)長(zhǎng)。

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(tái)運(yùn)輸車(chē)和1臺(tái)中間支撐承載運(yùn)輸車(chē)實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸。整體拼裝復(fù)位時(shí)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(duì)中支柱少，復(fù)位安裝簡(jiǎn)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(jiǎn)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。