“华龙一号”钢衬里穹顶拱膜成型胎架施工技术

2022-03-31汤志孟刘志强夏倩文

中国核电 2022年6期

汤志孟，刘志强，夏倩文

(中国核工业二四建设有限公司，福建漳州 363300)

“华龙一号”是中国自主研发的、具有完全自主知识产权的第三代核电技术，具有核电发展战略性意义。其核岛设计为双壳结构，内壳钢衬里穹顶、外壳钢制穹顶是反应堆厂房安全壳的重要组成部分。为优化目前行业内穹顶拼装及喷淋系统安装施工工艺，解决穹顶拼装过程反复搭拆满堂脚手架的现状，优化穹顶拼装施工作业平台和测量、检测空间，改善作业环境，实现土建、安装单位胎架一体化，达到“一劳永逸”的效果，有效服务于“华龙一号”穹顶拼装及喷淋系统安装施工，并进一步应用于外穹顶拼装施工，对提升“华龙一号”高水平的标准化建造能力及同领域核电建设竞争力具有重要意义。

1 工程概况

“华龙一号”钢衬里穹顶是反应堆厂房安全壳的主要组成部分，位于核岛顶部，起着防泄漏及穹顶顶部预应力混凝土的模板作用。穹顶为重约345 t(含安装物项约40 t)、外径φ46 812 mm、高23 406 mm的带肋半球壳体，周边均匀布置纵横网状加劲肋角钢，在不同位置布置贯穿性和非贯穿性锚固件，穹顶内部设置有喷淋、通风系统，安装有仪表管道、支架、电缆次托盘和通风管道等，球面上无规则地分布着约535个锚固件测量点和约750 个通风管道支架拐点。穹顶具有整体结构大、拼装工艺复杂、设计技术要求高等特点。穹顶分为5部分，约由153 块球瓣钢板拼焊而成，其为Q265HR、壁厚6 mm的薄壁双曲面结构体，拼装精度要求高，组对间隙允许范围为0～3 mm，错边量要求≤1.5 mm，拼接处的凹凸度≤5 mm/300 mm。穹顶结构如图1所示。

图1 钢衬里穹顶结构示意图Fig.1 Schematic of steel lined dome structure

2 施工重难点分析

2.1 穹顶拼装及喷淋系统安装工艺优化

1)穹顶拼装及喷淋系统安装过程中涉及支撑体系、壁板组对/焊接/检测平台、测量通视及操作平台、管道设备倒运/组装、油漆等工序，本技术通过融合钢结构与机电安装专业的施工工艺逻辑和需求，设计土建、安装一体化操作架，通过对胎架结构和施工工艺的双向促进优化，实现各工序所需要的施工条件与施工工艺的高度匹配。

2)将穹顶拼装过程的结构受力分为穹顶受力系统和胎架受力系统，结构受力简洁、安全，胎架作为操作架同时也兼顾壁板组对的定位支撑作用，实现壁板的快速定位和调整。

3)通过三维建模和详图深化设计，模拟穹顶“西瓜瓣”子模块制作尺寸控制和拼装尺寸控制技术。

2.2 穹顶拱膜成型胎架设计

按照穹顶拼装及喷淋系统安装工艺施工需求，自主设计的球状拱膜钢结构作为半球体穹顶的拼装胎架系统，将双曲率球体胎架结构设计为拱膜成型胎架，主要有地面系统设计、胎架主体设计和施工操作平台设计三部分。

2.3 穹顶拱膜成型胎架机械化安拆技术

通过三维建模，合理规划胎架安装施工逻辑，将胎架分解为标准模块，由每一榀桥体绕着中心筒架旋转成型，中心筒架分解为标准桁架节，可迅速堆积成型。在地下系统中设计有机车通道，能够实现胎架机械化安拆。

3 关键施工技术

3.1 双曲率半球体胎架结构设计

(1)穹顶设计

将穹顶划分为多个环形层，每个环形层沿纵向分为多个子模块。结合穹顶双曲面子模块吊装工艺、车间胎具成型生产工艺、拼装胎架拱架布置等，将穹顶由设计的153 块球瓣体划分为车间预制出厂65 块子模块。按照穹顶胎架拼装工艺施工需求，将双曲率球体胎架结构设计为拱膜成型胎架，结合施工需求主要分为地面系统设计、胎架主体设计和施工操作平台设计[1]，如图2所示。

(2)地面系统设计

1)按照穹顶轮廓直径及穹顶子模块组拼纵向焊缝位置布置穹顶支墩，支墩为可重复使用标准件；穹顶子模块组拼支墩应预留500～800 mm操作空间，并设置可调整钢支墩；按照穹顶拼装施工过程结构侧向力情况，预埋环向抗剪键。

2)按照穹顶受力状况均布置胎架支墩，穹顶支墩与胎架支墩之间错开约50～100 mm，为穹顶各层组装焊缝角度线测量留出通视条件；穹顶支墩距离地面预留约700～800 mm的自然通风通道，根据气候变化必要时可快速配套机械排风，与穹顶顶部通道口形成通风系统。

图2 半球体胎架结构设计示意图Fig.2 Structural design sketch of half sphere frame

3)穹顶拼装胎架设计2条地下通道，分为人行通道和机车通道，为穹顶壁板拼装完成后的机械化施工提供条件，与穹顶内部物料通道连接，实现物料至穹顶操作平台的快速周转。人行通道与穹顶内外部人行通道、梯笼走道形成系统，能够快速、安全通往穹顶台架上布置的各操作平台。

4)穹顶拼装场地设计施工用电系统、排水系统、防雷接地系统，通往各施工操作平台；排水设置约1.5°的中间往四周的散水和纵环向排水槽，并通过找坡通往人行通道和机车通道两个集水井；防雷接地通过纵环向连接穹顶内外侧的穹顶支墩、穹顶胎架支墩、中心筒架支墩，形成穹顶、胎架接地系统。

(3)胎架主体设计

1)排布轮廓位置的每个胎架支墩安装有下角支点，设计为“A字型”三角支点，与胎架支墩通过销轴连接形成整体。

2)轮廓中心的胎架支墩上安装中心筒架，设计为脚手架承载体系+网架，中心筒架的底部固定在胎架支墩上，中心筒架的上部为网架结构；网架沿环向排布安装多个上角支点，与网架形成整体。

3)设计拱形桁架张弦梁，类似于结构的拱形屋顶，通过张弦梁实现整个穹顶胎架张压的稳定受力结构；每个张弦梁的两端分别与下角支点和上角支点的自由端连接，形成立面拱形桥体结构，具有良好的承载作用。

4)多榀立面拱形桥体结构架体对称同步拼装，通过次梁连接，形成半球体拱膜胎架；实际施工过程中需将下三角拼装为整体、将中心筒架拼装为整体，再对称安装张弦梁。

(4)施工操作平台设计

1)总结穹顶拼装施工需求，在穹顶3条环向拼装焊缝处设计3圈环形操作平台，操作平台搭设在穹顶内侧、胎架上部；穹顶第一层纵向拼接焊缝处设计踏步梯笼作为操作平台，梯笼生根放置地面；穹顶第二层纵向拼接焊缝处设计踏步式操作平台，操作平台搭设在穹顶内侧、胎架上部。

2)总结锚固件安装施工需求，通过环形操作平台和纵向操作平台采用标准平台框架延伸至锚固件安装位置，平台框架上铺设跳板，便于锚固件投点通视拆卸；锚固件安装操作平台与管道支架安装操作平台可以综合考虑。

3)总结穹顶内部管道安装需求，在4圈环形管道布置位置下方设计4圈环形操作平台，在纵向连接管道位置下方设计纵向踏步式操作平台，并在纵、环操作平台间考虑倒料转角区。

4)总结通风安装需求，在其安装位置上设计挂梯，环向操作平台上设计可拆卸式单元，便于通风管道连续性施工；仪控安装需求基本上能够利用管道安装平台，不需考虑。

5)在穹顶内侧7圈环形平台的不同位置上设计悬挑式的物料倒运通道。

6)中心筒架上环向布置3圈测量平台，可实现穹顶内部所有区域全方位测量作业。

3.2 穹顶拱膜胎架安装技术

1)通过三维建模，合理规划胎架安装施工逻辑和节点碰撞分析，对部分节点和部位进行详图深化设计，车间预制出厂前进行试拼装和一一对应编号，确保胎架预制、安装满足技术要求。

2)场地平整和基础施工完成后，先进行下三角安装，下三角“A字型”按顺序依次连接安装，最终形成整体，下三角安装完成后即可进行穹顶一层拼装；下三角与中心筒架可以平行施工，不存在逻辑关系；再进行张弦梁安装，张弦梁4个对角角度对称安装，张弦梁安装后才可进行穹顶二层拼装；再进行中间次梁杆件安装；最后安装次梁杆件上的施工平台，施工平台自下而上，先装径向平台后装环形平台逐层爬升[2]。如图3所示。

图3 胎架安装效果图Fig.3 Effect drawing of tire frame installation

3.3 穹顶拼装成型技术

1)穹顶拼装过程中自身逐步形成承重基座，拼装过程按下层衬托上层的拼装方式实现，提前在下层壁板上口设置限位板，实现壁板快速定位；通过在每一层径向平台上和上口环向平台上设置顶托支撑，根据上层壁板就位时的标高和半径，提前测量调整好顶托支撑的位置，实现壁板的快速定位和调整[3]。

2)车间制作时，以子模块下口和径向大角钢作为基准，上口壁板和右侧壁板均预留拼装切割预留；现场拼装时，水平面以穹顶各层下口标高作为定位基准，角度以径向大角钢作为定位基准、焊缝角度线作为辅助参考，拼装过程以圆弧弧面半径作为控制基准，通过径向叠合切割和水平面标高超平切割，实现整体拼装成型。

3.4 穹顶拼装成型质量控制要点

(1)材料控制要点

1)编制材料采购技术规格书，按技术要求组织验收；

2)材料按规格型号、类型码放整齐，分类存放、标识。

(2)预埋件控制要点

1)严格控制埋件钢板平整度；

2)安装前应进行测量定位及加固固定，确保混凝土浇筑后不产生变形。

(3)胎架结构安装控制要点[4]

1)控制好下三角垂直度及下三角上部与张弦梁连接节点的半径及标高位置；

2)严格控制中心内筒垂直度在2/1000 mm要求范围内；

3)提前对张弦梁进行张紧处理，将安装间距控制在合适范围内；

4)张弦梁对称安装，优先安装4个方位角度的4榀张弦梁(带张紧支撑)；

5)张弦梁安装完成后，对张弦梁上部拱度进行测量，将实际拱度情况反馈至张弦梁上部平台支架上，确保张弦梁上部平台安装标高及稳定性；

6)操作平台、楼梯安装时，应确保安装垂直度和水平度满足技术要求，严禁出现倾斜或漏连接情况。

(4)焊接控制要点

1)制定焊接工艺卡，规定焊接/打磨技术要求；

2)坡口焊缝焊接前应进行外观检查，确保点焊间距和坡口角度满足要求；

3)焊后对焊脚高度、焊缝余高进行测量，并进行VT、PT检验；

4)焊工应具备焊接资质。

(5)螺栓拧紧控制要点[4]

1)普通螺栓和高强螺栓区分开管理；

2)100%检查螺栓拧紧及摩擦面情况；

3)高强螺栓严格按技术要求进行初拧和终拧，并验收和记录。

4 效益分析

4.1 经济效益分析

拼装胎架与传统脚手架相比，具有循环利用、降低人工成本优势，并同时服务于土建及安装施工单位，减少反复搭拆。以某核电内穹顶拼装为例进行对比分析，如表1和表2所示。

表1 脚手架操作平台搭拆费用明细

脚手架与拼装胎架通过人工、材料、机械方面的费用对比分析可知，按照单个核电厂址规划6个机组内外穹顶重复使用考虑(实际可周转次数不止)，拼装胎架比脚手架节省2587.2万元，具有可观的经济效益。

4.2 社会效益分析

该技术成果为国际首创，穹顶拼装技术改进及施工高效性、安全性、经济性等提升为类似工程提供了借鉴，具有重要的参考价值。该技术积极响应国家对安全管理、职业健康等政策的要求，降低施工安全风险，实现施工的机械化、模块化，提高作业效率，实现建安一体化胎架施工，保障了广大施工人员的人身安全和健康，创造了安全、卫生、舒适的工作环境。