AP1000 的FCD混凝土浇筑时间管理研究及应用

2010-05-23丛九源

中国核电 2010年2期

吴杰，杨明，丛九源

（中国核工业第五建设有限公司，上海 201512）

随着全球气候变暖和环境污染日趋严重，各国都在积极调整能源结构、节能减排，核能作为清洁、可靠和安全的能源越来越被人们所接受。2006年底，我国引进由美国西屋公司设计的第三代AP1000先进压水堆核电站，它是按照美国核管会提出的用户要求，采用了先进的设计理念和施工理念：在安全性方面采用非能动系统设计，简化厂房结构和设备冗余度，安全性大幅提高CDF(Core Damage Frequency)为5.08×10-7/堆·年，LRF(Large Release Frequency)为5.94×10-8/堆·年[1]；在经济性方面采用模块化预制和“开顶法”施工等手段，突破传统的施工方式以期达到缩短建造周期的目的，这也意味着缩短了用户投资回收周期。在众多的先进理念和设计中，美国西屋公司提出FCD需进行整体一次性浇筑的设计要求，也是希望缩短建造工期。FCD一次整体浇筑在中国核电建设史上是首次，对工程的建设者来说是一个巨大的挑战，如何在引进、消化、吸收、再创新的第三代核电建设方针引导下将FCD的设计要求变成现实，这对施工过程控制提出了更加严格的要求。本文从FCD的时间过程管理的角度阐述了海阳核电工程FCD施工的工程实践，提出并验证了AP1000的FCD时间管理的数学模型。

1 FCD过程控制与时间管理

1.1 统计过程控制理论

统计过程控制(SPC)，是应用统计技术对过程中的各个阶段进行评估和监控，建立并保持过程处于可接受的且稳定的水平，从而保证产品与服务符合规定要求的一种质量管理技术。SPC非常适用于重复性生产过程，能够对过程作出可靠的评估，确定过程的统计控制界限，判断过程是否失控；为过程提供一个早期报警系统，及时监控过程的情况以防止废品的发生；减少对常规检验的依赖性，定时的观察以及系统的测量方法替代了大量的检测和验证工作[2]。

1.2 可行性分析

如果对FCD浇筑过程进行作业分解，则整个FCD混凝土浇筑过程是一个重复性的混凝土施工过程。以SPC为管理工具，统计各作业流程时间，分析各因素影响范围及影响程度，提取影响参数，建立影响参数模型，对施工过程进行时间管理，进而对工程进展进行控制、跟踪和反馈。SPC应用于FCD混凝土浇筑的时间管理可行性分析，如表1所示。

由表1可知，SPC是通过对生产过程进行控制，从而达到控制质量的目标；将SPC应用于时间控制管理中，可以通过对施工作业流程的统计分析控制，进而达到进度控制的目标。

1.3 必要性分析

FCD混凝土浇筑是一项在一段时间内连续进行的高强度施工活动，参与人员数量多，涉及工种复杂，所需机械设备和工机具规模大，浇筑前必须对整个FCD浇筑过程进行系统的分析，确保进度控制的有效性。浇筑过程控制不仅关系到FCD浇筑时间，而且对FCD质量控制及费用控制都有直接影响。

第一，混凝土出机后等待入泵时间越长，混凝土入模温度越高，将增加温度裂缝产生的可能性；第二，混凝土出机后等待入泵时间超过90 min，必须对混凝土进行报废处理；第三，混凝土供应量不足，连续分层浇筑停歇时间延长，将增加混凝土施工冷缝产生的可能性。因此，FCD混凝土浇筑全过程进行时间管理对保障最终质量具有重要意义。

表1 SPC应用于FCD可行性分析表Table 1 Feasibility analysis of applying SPC to FCD

2 FCD工程概况

海阳A P1000核电F C D——核反应堆厂房和核辅助厂房底板钢筋混凝土筏基础，长度为78.03 m，最宽处宽度为49.10 m，底板厚度为1.8 m，反应堆底板中心处有一条正十六边形的施工缝，板厚为1.22 m，其内切圆半径为11.58 m(见图1)，总面积为3015 m2，混凝土浇筑总量5 189 m3。设计采用56 d抗压强度为27.6 MPa（C35）混凝土进行底板整体一次性浇筑[3]。

厂区内设置混凝土搅拌站，搅拌站共有4台搅拌机组，产能情况详见表2。

1号机组FCD混凝土浇筑，罐车由搅拌站至浇筑点行驶路程3.5 km(见图2中红色路线)，罐车由浇筑点返回搅拌站行驶路程4 km(见图2中绿色路线)。浇筑过程中配备混凝土泵车6台(其中2台备用)，混凝土罐车19台(其中3台备用)。

图1 核岛底板平面图Fig. 1 Plan of nuclear island baseplate

表2 搅拌站机组及产能情况表Table 2 Stirring machines and their productivity

3 FCD时间管理模型

3.1 模拟数据记录及统计分析

2009年9月10日，2号机组核岛下垫层混凝土浇筑，历时9 h，共浇筑混凝土500 m3，浇筑整个过程中使用泵车2台，罐车9台。2号机组核岛下垫层混凝土整个浇筑过程，统计人员对各作业时间进行记录，并统计平均作业时间，详见表3。

图2 1号机组FCD罐车行走路线图Fig.2 Road map of tank car for Unit 1 FCD

表3 2号机组核岛下垫层混凝土浇筑作业时间统计表Table 3 Operation time staistics for the underlying bed concrete pouring for Unit 2 nuclear island

由表3可知，罐车在搅拌站耗时10 min 7 s，罐车运输到泵车时间11 min 40 s，泵车浇注时间10 min 48 s，罐车返回时间14 min。则现场罐车运输时间，如表4所示。

由表4可知，当4号罐车驶出搅拌站时，1号罐车已经返回搅拌站6 min 7 s，说明混凝土罐车与混凝土泵车按4 ：1比例进行配置，罐车运输能力能够满足混凝土浇筑要求。

表4 罐车运输时间表Table 4 Time table of tank car transportation

表5 实测罐车往返时间表Table 5 Measured tank car round trip time

根据表3实测数据的平均值，可以计算出罐车一个运输循环所需要的时间为46 min 35 s。但实际测定过程中，罐车平均往返时间为57 min 6 s（数据详见表5），实测数据与表4中计算有出入，这是由于表4计算时没有考虑混凝土试验检测耗时和随机因素（泵车故障、移位）耗时。

3.2 FCD混凝土浇筑模型设计

为了更好的对1号机组FCD混凝土浇筑的施工进行时间管理，建立以混凝土泵车为关键控制点的FCD混凝土浇筑模型：

（1）混凝土浇筑过程中，以泵车浇筑流程为参照物，单台泵车浇筑流程为周期性重复作业；

（2）以时间为过程控制点，利用时间及混凝土浇筑工程量的正比关系，通过每小时实际浇筑量与预算量对比趋势图，对现场浇筑效率进行控制分析；

（3）分析影响混凝土浇筑效率的因素的可控性与随机性。如单台罐车从搅拌站运输混凝土至泵车站位点的时间可控，而泵车自身出现泵管爆裂现象不可控；

（4）单台泵车每小时浇筑量与整体浇筑量均受环境因素、客观条件等多方面影响，呈现波动性。

3.3 模型参数选取

根据SPC理论，“以泵车浇筑流程为参照物，单台泵车浇筑流程为周期性重复作业”，单台泵车浇筑过程控制作为研究目标，进行时间管理，通过对整个浇筑活动流程分解及因素分析，从17个监测的数据中，选取6个最直接影响1号机组FCD混凝土浇筑效率的参数，如表6所示。

海阳AP1000 1号机组FCD时间管理混凝土浇筑预计浇筑时间按式（1）计算

3.4 模型参数测定及修正

影响FCD混凝土浇筑效率的6个主要影响因素。结合2号机组核岛下垫层混凝土浇筑的实际施工情况，对参数进行测定机修正。

（1）罐车入泵时间

式中：

T为预计浇筑时间，h；

Q为FCD混凝土浇筑总量，m3；

q为单台泵车混凝土浇筑效率，m3/h；

r为效率系数；

TC、TK、TS分别为试验检测时间，泵车空挡时间、随机因素时间，h；

n为泵车数量，台。

表6 FCD混凝土浇筑效率影响因素表Table 6 Influencing factors for FCD concrete pouring efficiency

式中：

a为罐车每次驶入泵车时间，min；

n为罐车驶入泵车次数。

由图3中现场实测罐车入泵时间数据，按式（2）可计算出TI1.4 min。（

2）泵车浇筑时间式

式中：

泵车平均浇筑时间，min；

b为罐车每次浇筑所需时间，min；

n为浇筑罐车数量，台。

由图4中现场实测泵车浇筑时间数据，按式（3）可计算出T7.9 min。

（3）罐车出泵时间式

式中：

c为罐车每次驶出泵车时间，min；

n为罐车驶出泵车次数。

由图5中现场实测罐车出泵时间数据，按式(4)可计算出T1.4 min。

（4）试验检测时间

式中：

检测不合格的平均耗时，min；

n为检测合格率。

（5）泵车空挡时间

式中：

泵车平均空挡时间，min；

e为泵车闲置时间，min；

t为浇筑总时间，h。

由图7中现场实测泵车空挡时间数据，按公式（6）可计算出=3.2 min（图中“+”表示泵车等待，“-”表示罐车等待）。

（6）随机因素耗时

现场除了上述影响因素之外，还有随机因素直接影响混凝土浇筑。如泵车故障、泵车移位、其他因素影响暂停施工等。

式中：

T为随机因素影响平均耗时，min；

f为随机因素影响时间，min；

n为浇筑过程中泵车数，台；t为浇筑总时间，h。

由图8中实测随机因素影响耗时数据，按式

图3 罐车入泵耗时图Fig.3 Time consumed for tank car entering pump

图4 泵车浇筑耗时图Fig.4 Time consumed for pump truck pouring

图5 罐车入泵耗时图Fig. 5 Time consumed for tank car exit pump

3.5 模型应用

海阳AP1000核电1号机组FCD混凝土浇筑分三个阶段进行（见图9），计划42 h完成整个FCD混凝土浇筑。

图9 海阳AP1000核电FCD分阶段浇筑图Fig. 9 FCD stage pouring for Haiyang AP1000 NPP

第一阶段，现场使用3台泵车进行浇筑，此阶段混凝土浇筑量约占FCD混凝土浇筑总量的22%，混凝土量为Q=5 000×22%=1 100 m3，由式（1）可得T1=11.8 h，即预计用时11 h 48 min。

第二阶段，使用5台泵车，此阶段混凝土浇筑量约占FCD混凝土浇筑总量的47%，混凝土量为Q=5 000×47%=2 350 m3，由式（1）可得T2=15.1 h，即用时为15 h 6 min。

第三阶段，使用4台泵车，此阶段混凝土浇筑量约占FCD混凝土浇筑总量的31%，混凝土量为Q=5 000×31%=1 550 m3，由式（1）可得T3=12.4 h，即用时为12 h 24 min。

综合以上3个浇筑阶段，预计1号机组FCD浇筑总时间为T=T1+T2+T3=39.3 h，即39 h18 min。考虑到FCD浇筑过程需要经历两个夜间施工，长时间混凝土连续浇筑，导致人员工作效率和机械工作性能降低，故按总效率的90%进行估算，此时1号机组FCD浇筑总时间预计为43 h 42 min。综上，预计FCD浇筑总时间在39 h 18 min至43 h 42 min之间。

考虑到日最高气温出现在14:00左右，基于上述39 h 18 min至43 h 42 min的浇筑时间预计，对FCD开始时间进行选择，尽量避开中午高温时段浇筑，以降低天气温度对入模温度的影响。如果FCD开始浇筑时间选择在上午，则浇筑过程将经历两个午间高温时段，如果FCD开始浇筑时间选择在下午，则浇筑过程只需经历一个午间高温时段，因此FCD的开始浇筑时间应选择在15:00至17:00之间，此时间段为FCD最佳开始浇筑时间段。

对影响FCD浇筑影响因素进行统计分析，得出参数可控状态的波动区间，如表7所示。

3.6 实证应用分析

海阳AP1000核电1号机组FCD混凝土浇筑于2009年9月26日16：00正式开始，在整个浇筑过程中通过实际浇筑进度与预计浇筑进度的实时比照，进而对工程进展进行控制、跟踪、反馈、分析和调整，经历41 h 58 min，于2009年9月28日9:58结束，共浇筑混凝土5 198 m3，其中，在27日18：00时出现了一次较大的机械故障，FCD浇筑进度如图10所示。模型预计浇筑总时间为42 h，实际浇筑用时为41 h 58 min，模型与实践吻合性良好，模型设计符合实际情况。

根据FCD实际混凝土浇筑总量（5 189 m3）及实际浇筑时间（41 h 58 min），可以计算出FCD单台泵车混凝土浇筑效率为30.9 m3/h，与理论计算单泵浇筑效率（31.2 m3/h）符合度良好。

4 结论

（1）本文将统计过程控制理论与方法应用于海阳AP1000核电1号机组FCD混凝土浇筑时间管理研究及应用过程中，以SPC作为工具，对FCD浇筑过程进行作业分解，统计各作业流程时间，分析各因素影响范围及影响程度，提取关键影响参数，建立影响参数模型并对参数进行测定和修正，利用模型对FCD浇筑时间进行预测分析和过程控制。