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作者張毅

   由于是新堆型，且工期緊，設(shè)計建造面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中一回路艙室作為包容反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)主要設(shè)備的安全殼，由于其構(gòu)成復(fù)雜、工程量大、施工要求高、建造周期長，且處于工程建設(shè)的關(guān)鍵路徑之上，已成為示范電站建造的關(guān)鍵難點之一，迫切

需要采用先進技術(shù)手段來提升其建造質(zhì)量和效率。模塊化技術(shù)作為一項新的先進建造技術(shù)在核電工程中得到了日益廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，它可有效提高工程的建造質(zhì)量，縮短建造周期，降低工程的綜合成本。所以，示范電站首先在一回路艙室區(qū)域引入了模塊化技術(shù)，開展了該區(qū)域的模塊化技術(shù)應(yīng)用研究，并實際應(yīng)用于工程，取得了良好效益。后續(xù)高溫堆工程將以此為起點，在更大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用模塊化技術(shù)。

1-回路艙室建造難點分析

  示范電站采用兩個完全相同的球床模塊式高溫氣冷堆帶一臺發(fā)電機組方案，每個反應(yīng)堆的熱功率均為250MWt，總熱功率為500MWt、電功率為200MWe。反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器分別放置在兩個混凝土屏蔽艙室內(nèi)，其間用熱氣導(dǎo)管殼體相連接，構(gòu)成“肩并肩”的布置方式。每個一回路艙室由反應(yīng)堆艙室和蒸汽發(fā)生器艙室構(gòu)成，兩艙室間從反應(yīng)堆艙室底部開一矩形孔用于安裝熱汽導(dǎo)管（見圖1）。兩個一回路艙室并列布置在核島反應(yīng)堆廠房內(nèi)。示范電站一回路艙室建造具有如下難點：

  (1)工程量大，施工周期長

  反應(yīng)堆艙室壁厚2.4m，高度為32.1m，蒸發(fā)器艙室壁厚1.5m，高度為43.6m，墻厚鋼筋密，工程量大，施工周期約占工程建安總工期的45.3%，且在關(guān)鍵路徑上，對工程周期影響很大。

  (2)屏冷水系統(tǒng)為高溫堆所特有，施工難度大

  高溫堆為防止艙室混凝土溫度過高，在兩艙室墻壁內(nèi)各設(shè)有兩套屏蔽冷卻水系統(tǒng)（簡稱屏冷水系統(tǒng)，見圖2），主要由上下聯(lián)箱、冷卻水管及水冷壁構(gòu)成，成籠狀結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)管道量大且布置密集（全長約24000 m．重約80t，管間距僅為13.7cm），與大量預(yù)埋件關(guān)系緊密（繞行或冷卻），形狀復(fù)雜（彎頭約為2000個），水管安裝技術(shù)要求超過鍋爐對流管，且埋在混凝土中，土建安裝作業(yè)需多次重復(fù)、交叉施工，工程量大且難度高。

  (3)預(yù)埋件、貫穿件數(shù)量多，種類雜，施工要求高

  預(yù)埋件數(shù)目上百件，貫穿件約兩百余件，涉及機械、管道、電氣、儀表、通風(fēng)等多個專業(yè)，涉及施工區(qū)域廣，作業(yè)量大，安裝要求高，尤其是反應(yīng)堆壓力容器和蒸發(fā)器的承重支座

（見圖3）重量大（壓力容器承重支座每個約20 t）、安裝精度高（方位高度偏差不大于1 mm，水平度偏差不大于0.5 mm等），施工難度很大。

  (4)施工場地狹窄，且為高空作業(yè)

反應(yīng)堆艙室為半徑8.76 m圓柱形，高度為32.1 m，蒸汽發(fā)生器艙室的尺寸為7.11 mx7 m，高度為43.6 m．施工場地小，且是高空作業(yè)，對施工和安全保障帶來很大挑戰(zhàn)。

2一回路艙室區(qū)域模塊化設(shè)計研究

  針對一回路艙室建造所面臨的這些挑戰(zhàn)，示范電站引入模塊化建造方法的設(shè)想，即將該區(qū)域相關(guān)部件設(shè)計組合為數(shù)個模塊，提前在現(xiàn)場預(yù)制場完成模塊制造，逐層用大型吊車將模塊吊裝到位，待模塊安裝、土建插筋和支模作業(yè)完成后再澆灌混凝土。以實現(xiàn)縮短建造周期、降低建造難度、保證建造質(zhì)量和安全的目標。

2.1模塊型式

  針對一回路艙室的特點，示范電站經(jīng)多種方案比選，最終確定模塊采用支架模塊型式（見圖4)。該方案以一回路艙室中的預(yù)埋件為模塊化的對象，模塊型式是以屏冷水系統(tǒng)為主體，增設(shè)1個由型鋼組成的鋼結(jié)構(gòu)骨架，用于支承和定位屏冷水系統(tǒng)管道、貫穿件套管等預(yù)埋件，最后形成一網(wǎng)狀籠式結(jié)構(gòu)模塊。鋼結(jié)構(gòu)骨架主要由3部分組成：鋼立柱、環(huán)形鋼圈和中間支撐。鋼立柱用于固定和支承模塊，環(huán)形鋼圈用以固定屏冷水水管，中間支撐用于骨架補強和模塊吊裝，待模塊安裝好后拆除。

  該方案的優(yōu)點在于：設(shè)計變更時調(diào)整容易；不需對相關(guān)工藝系統(tǒng)作太多設(shè)計變動；增加的鋼支架材料較少（約40 t）；模塊重量小，對吊裝能力要求不高；模塊現(xiàn)場預(yù)制時間短，完全能滿足工程進度需要；方案節(jié)雀工期的效果也很好。

2.2模塊方案設(shè)計研究

  模塊方案設(shè)計的難點在于如何合理劃分模塊，協(xié)調(diào)好土建與安裝之間的沖突，以提高建造效率。根據(jù)一回路艙室的特點，確定了該區(qū)域模塊妃分時遵循以下原則：

  （1)減少模塊數(shù)目。每個模塊集成更多部件，以提高建造效率，減少模塊連接工作量；但各模塊的重量不能超過現(xiàn)場吊車能力。

  (2)降低模塊連接難度。為便于焊接定位，模塊分界面一般取在形狀規(guī)則的水冷管處，避開支承件、貫穿件等特殊部位。

  (3)特殊預(yù)埋件子模塊化。對于周圍繞有復(fù)雜形狀水管的較大預(yù)埋件，將預(yù)埋件和其上的水管劃為一獨立子模塊，提前預(yù)制再在現(xiàn)場組裝。

  (4)設(shè)備支座區(qū)別考慮。蒸發(fā)器設(shè)備支座納入模塊整體制作和安裝，以提高支座的安裝精度和安裝效率；壓力容器設(shè)備支座因重量較大，作為子模塊分別安裝，為減輕模塊吊裝重

量，將支座可拆卸的部件先行拆除，模塊安裝到位后再裝上。

  (5)統(tǒng)籌考慮土建與安裝協(xié)調(diào)。模塊劃分盡量與土建施工分層相對應(yīng)，統(tǒng)籌考慮澆筑面高度和模板長度，以利于土建施工與模塊安裝之間的交叉作業(yè)和進度協(xié)調(diào)；為方便拼接，模塊分界面一般選擇在樓層以上，以便于焊接操作；盡量保證反應(yīng)堆艙室和蒸發(fā)器艙室的模塊焊接基準面等高，以利于兩個艙室統(tǒng)籌施工進度。

  (6)保持與設(shè)計采購進度匹配。由于是示范電站，所以模塊劃分設(shè)計時要考慮與關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計采購進度相協(xié)調(diào)，以減少設(shè)計變動影響，滿足模塊制造與工程進度要求。

  按照以上原則完成了一回路艙室區(qū)域的模塊劃分與設(shè)計，并利用三維設(shè)計軟件CATIA構(gòu)建了各模塊的三維模型，模塊方案（見圖4）。蒸發(fā)器艙室和反應(yīng)堆艙室模塊設(shè)計方案（見表1、2）。

2.3模塊支承結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算校驗

  模塊支承結(jié)構(gòu)必須要有足夠的強度保證模塊在制造、吊裝等過程中的穩(wěn)定性，同時還要易于施工。我們利用有限元分析軟件，針對如下3種典型工況，對模塊支承結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計

和力學(xué)性能的分析校驗。

  (1)工況1：預(yù)制工況。全部立柱固定在同一個平臺上，相當(dāng)于在底部連接點施加固定端約束，并考慮該段模塊中屏冷水系統(tǒng)水管水壓試驗時水的重量，校驗鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力和外部變形量。

  (2)工況2：吊裝工況。主立柱固定在吊具上，相當(dāng)于在上端連接點施加固定端約束，模塊移動緩慢，近似于靜載荷作用，校驗鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力和外部變形量。

  (3)工況3：事故工況。子模塊在混凝土中為永久結(jié)構(gòu)，反應(yīng)堆正常運行時混凝土溫度為20℃，發(fā)生事故時混凝土可達到最高溫度1 00℃，校驗此時鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱應(yīng)力和變形量。

  計算結(jié)果表明，對于工況1和工況2．各模塊的最大內(nèi)部應(yīng)力和外部變形量大多出現(xiàn)在聯(lián)箱或設(shè)備支承挑梁處、井字撐與立柱焊接處、立柱與槽鋼焊接處、蒸發(fā)器艙室牛腿周圍形狀變化較大處等區(qū)域，設(shè)計時通過增加挑梁數(shù)量、將槽鋼挑梁換成工字鋼挑梁、選用較大型號的型鋼以增強抗彎能力等多種方式進行了強化。校驗結(jié)果表明，支承結(jié)構(gòu)滿足強度要求。對于工況3，由于溫差變化不大(80℃)，模塊支承結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和熱變形均很小，不會

對混凝土造成負面影響，計算結(jié)果證明模塊支承結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

3模塊預(yù)制與安裝

  一回路艙室模塊將在現(xiàn)場預(yù)制，共設(shè)有兩個預(yù)制鋼平臺，每個平臺尺寸為12m×24 m，可同時預(yù)制1個反應(yīng)堆艙室模塊和1個蒸發(fā)器艙室模塊。每一模塊在鋼平臺上完成預(yù)制后由一臺LIEBHERR LR1400-400t履帶式起重機吊車直接吊至安裝位置，省去模塊運輸工作，反應(yīng)堆艙室RM A模塊的預(yù)制與安裝示例（見圖5）。

  一回路艙室區(qū)域的模塊安裝與土建施工將交替進行，原則上先吊裝模塊，然后再綁扎鋼筋，澆筑混凝土。對于局部區(qū)域模塊安裝后不易綁扎的鋼筋，將在模塊吊裝之前綁扎完畢。

提前預(yù)制的特殊預(yù)埋件子模塊將在模塊安裝到位后再組裝。

4應(yīng)用效果分析

  一回路艙室區(qū)域的模塊化設(shè)計方案已在示范電站中得以實際應(yīng)用，2013年4月14日，示范電站兩個蒸發(fā)器艙室的GM A模塊順利吊裝到位。截至目前，已完成兩艙室全部16個模塊預(yù)制和安裝。在提高建造質(zhì)量和安全的同時，有效縮短了工程的建造周期。經(jīng)初步分析，一回路艙室采用模塊化建造后示范電站至少縮短了2個月的建造工期，應(yīng)用效益顯著。

5  模塊化技術(shù)在高溫堆工程中的應(yīng)用前景分析

  模塊化設(shè)計是模塊化建造的前提，模塊化建造需要工程設(shè)計、采購、建造( EPC)各環(huán)節(jié)更加緊密的協(xié)作。高溫堆是由中國自主研發(fā)設(shè)計的新一代堆型，同時在核島建造過程中又采用由中核能源科技有限公司EPC總承包的建造模式，從而為高溫堆廣泛開展模塊化設(shè)計與應(yīng)用提供了有利的技術(shù)條件和管理支撐。

  一回路艙室區(qū)域模塊是高溫堆第一個投入工程應(yīng)用的模塊，其成功實施證明了模塊化技術(shù)應(yīng)用的良好效益，也為高溫堆應(yīng)用模塊化技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗。我們以此為起點，針對

高溫堆工程廣泛推廣應(yīng)用模塊化技術(shù)開展了大量研發(fā)工作，取得了一大批成果；提出并掌握了包括高溫堆模塊化風(fēng)險評估方法、模塊化區(qū)域選擇方法、模塊分類與劃分方法等在內(nèi)的一整套高溫堆模塊化設(shè)計的準則和方法；開展了鋼板混凝土組合墻結(jié)構(gòu)、半鋼板混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)的性能、抗震及耐火性能試驗研究，并形成設(shè)計指南；建成了能夠滿足模塊化設(shè)計需要的專用信息化設(shè)計平臺；確定了高溫堆核島24個適宜模塊化設(shè)計的候選區(qū)域，并通過分析評價進一步確定了1 0個關(guān)鍵區(qū)域；完成了氦凈化系統(tǒng)、鋼板混凝土結(jié)構(gòu)艙室等典型區(qū)域的模塊化設(shè)計方案與效益評價（見表3）。這些成果為高溫堆在更大范圍內(nèi)應(yīng)用模塊化技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)，也將為更快更好建設(shè)高溫堆發(fā)揮更大作用。

  后續(xù)的高溫堆商用電站將采用模塊式建造，規(guī)模更大，可以預(yù)測，模塊化技術(shù)的推廣應(yīng)用，其效果也將更加顯著。

6結(jié)論

  示范電站在一回路艙室區(qū)域應(yīng)用了模塊化建造技術(shù)，這是高溫堆在工程上應(yīng)用模塊化技術(shù)的第一次嘗試，有效提升了一回路艙室的建造效率和質(zhì)量，應(yīng)用效果顯著，并積累了寶貴

經(jīng)驗。高溫堆工程推廣應(yīng)用模塊化技術(shù)具有良好的技術(shù)和管理基礎(chǔ)，我們將在后續(xù)60萬千瓦商用高溫堆項目中進一步擴大模塊化技術(shù)的應(yīng)用范圍，縮短建造周期，提升建造質(zhì)量，更快更好地建成高溫堆。  

7 摘要：一回路艙室是高溫氣冷堆示范電站建造的關(guān)鍵區(qū)域和難點之一，針對該區(qū)域開展了模塊化設(shè)計和建造技術(shù)的研究工作，其成果已應(yīng)用于實際工程中，有效地提高了一回路艙室的建造效率和質(zhì)量，應(yīng)用效益顯著。本文總結(jié)了一回路艙室模塊化技術(shù)應(yīng)用研究和工程實施的成果，分析介紹了模塊化技術(shù)在高溫堆工程中推廣應(yīng)用的現(xiàn)狀和前景，為類似工程提供參考和借鑒。