核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构及其安装方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，涉及用于核岛钢衬里的底板环段与加腋区的模块现场拼装、吊装和安装，具体的说，是核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构及其安装方法。

背景技术

“华龙一号”堆型核电站具有完整自主知识产权的三代核电技术，核岛钢衬里底板环段与加腋区作为反应堆厂房钢衬里的一部分，其主要功能是抵御异常事故工况下的核污染扩散，是核电站第三道防泄漏屏障，属于核质保I级、核安全II级的核安全设备。核岛钢衬里下部的加腋区(包括加强节点、垂直段和水平段)与底板环段的模块(以下简称“加腋区模块”)，结构形式复杂、外形尺寸大，质量要求高。

以往核岛钢衬里多采用现场单件拼装，与内壳土建交叉施工，安全风险高，焊接施工操作空间受限、存在钢筋障碍，施工工期长，增加了现场安装施工时间，占用了关键路径施工工期。随着核电站建设步伐的加快和建造要求的提高，传统的单件安装工艺难以满足核电站建设的需要，超大型吊装机械投用到核电站的建造施工中，开发钢衬里施深度模块化施工技术，以解决在保证焊接施工质量的基础上，进一步减少占用核岛施工的关键路径，为核岛土建施工创造条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对核电站安全壳钢衬里加腋区与底板环段现场安装的焊接操作空间狭小、模块就位难度大、与内壳交叉施工时间长、高空作业风险大、专用关键路径工期长等问题，提供一种核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构及其安装方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构，其中：包括底板环段、加腋区壁板以及水平段，底板环段与核电站底板固定连接，水平段与核电站安全壳钢衬里筒体的最下层固定连接，底板环段和水平段均水平设置，加腋区壁板竖直设置，加腋区壁板的下端与底板环段固定连接，加腋区壁板的上端与水平段的一端固定连接，底板环段与加腋区壁板的连接处设置有第一加强节点，腋区壁板与水平段的连接处设置有第二加强节点，水平段远离加腋区壁板的一端设置有第三加强节点，底板环段、加腋区壁板、水平段第一加强节点、第二加强节点以及第三加强节点均一体化安装组成一个整体后，再与底板环段和核电站安全壳钢衬里筒体的最下层固定连接。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

底板环段由十六块环段组件呈环状拼装而成，相邻环段组件之间通过焊接固定。

加腋区壁板由十三块垂直段壁板组件组成，相邻垂直段壁板组件之间通过焊接固定，加腋区壁板外侧面设置有垂直段壁板加劲角钢，垂直段壁板加劲角钢通过焊钉与加腋区壁板固定连接。

水平段由十六块水平段组件呈环状拼装而成，相邻水平段组件之间通过焊接固定。

核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、定位放线：选择一块拼装地点，在拼装地点安装若干块呈环形布设的钢支撑，对拼装中心定位点和钢支撑的位置和标高进行测量，将测量数据与预定数据比较，根据比较结果调节钢支撑位置和标高，使钢支撑位置和标高在预定误差范围内；

步骤二、底板环段吊装就位：将底板环段的环段组件吊至钢支撑上，待所有环段组件就位后，将环段组件相互组队焊接，形成底板环段；

步骤三、定位放线、安装扶壁柱：在底板环段外侧埋设预埋件，用全站仪放出扶壁柱拼装位置的角度线，做好标记；用全站仪测量放出扶壁柱在预埋件的定位中心线和半径后，将扶壁柱吊装至预埋件上固定，扶壁柱数量有若干根，呈环状布设在底板环段外侧；

步骤四、安装加腋区壁板：将垂直段壁板组件吊装至底板环段上，垂直段壁板组件放置在第一加强节点上，扶壁柱通过调节装置与垂直段壁板组件连接、固定，待所有垂直段壁板组件就位后，将垂直段壁板组件相互组队焊接，形成加腋区壁板；

步骤五、安装水平段：根据水平段的平面布置用全站仪放出水平段定位线，标号标记，在加腋区壁板上安装水平段支撑，水平段支撑的数量为若干个，均匀分布在加腋区壁板上部外侧，水平段支撑由斜支撑、水平支撑和竖直支撑组成，斜支撑、水平支撑和竖直支撑相互连接共同组成三角稳定结构，斜支撑、水平支撑与加腋区壁板固定连接，竖直支撑的上端标高与水平段下表面标高相同，将水平段组件按布置图顺序依次吊装至竖直支撑上呈环形放置，水平段组件一端与第二加强节点对接，待所有水平段组件就位后，将水平段组件相互组队焊接，形成水平段，底板环段、加腋区壁板以及水平段组成一体式连接模块结构；

步骤六、防腐涂装：采用手工或动力除锈工艺去除一体式连接模块结构上的铁锈、灰尘、水分和油污，并现场焊缝区域涂装底漆和中间漆后，清理干净一体式连接模块结构内侧表面，然后涂刷面漆。

步骤七、模块安装：依据设计图纸在反应堆厂房筏基上放出一体式连接模块结构就位角度线和半径，然后在半径所对的圆上等弧度布置若干根导向柱，将一体式连接模块结构整个吊装至反应堆厂房筏基上，通过导向柱对一体式连接模块结构导向，使一体式连接模块结构能放置到预定位置；组对底板环段与核电站底板的底肋、第一加强节点与核电站底板的底肋焊接固定为一体，完成模块安装。

步骤二中，环段组件相互组队焊接的方式为：留出两组对称布置的环段组件，组内环段组件的间隙作为收缩缝，暂不组对焊接，其余组环段组件采用焊条电弧焊工艺，焊材为E5018-1的碳钢焊条，先焊接相邻环段组件第一加强节点的“L”形对接焊缝，再焊接相邻环段组件之间的对接缝，采用多层多道焊、背面清根，层间进行100％液体渗透检测检测，重新调整底板环段半径，将两组未焊接的收缩缝同时施焊，焊接工艺同其他环段组件的焊接。

步骤三中垂直段壁板组件相互组队焊接的方式为：相邻垂直段壁板组件之间形成立缝，垂直段壁板组件与第一加强节点之间形成环缝，先组对立缝后组对环缝，留出一条立缝作为收缩缝暂不组对，立缝做V形60°坡口、环缝做V形45°坡口，先焊接立缝后焊接环缝，焊接采用焊条电弧焊工艺，采取多层多道焊，立缝由上至下分段退焊法进行焊接，先焊接立缝外侧焊缝，待外侧焊接完毕后在内侧采用碳弧气刨清根，清根完成后进行100％液体渗透检测，合格后进行内侧焊缝的焊接，环缝焊接时，由数名焊工均布在圆周上同时进行逆向对称分段退焊法施工，先焊接环缝外侧焊缝，在外侧焊缝全部焊接完成后进行内侧焊缝的清根和焊接，环缝打底焊时距离伸缩缝两侧各留出1～1.5m不焊，待伸缩缝打底后再与立缝伸缩缝同步进行焊接，在环缝外侧焊接完成后调整垂直段壁板组件的垂直、圆度和周长，经验收合格后进行伸缩缝的焊接，先焊接伸缩缝外侧，待外侧焊接完毕后在内侧清根，清根完成后进行内侧焊缝的焊接。

步骤四之后、步骤五之前，还具有临时加固步骤：在垂直段壁板组件立缝100％液体渗透检测合格后，在直段壁板组件上组对、焊接环向加劲角钢，使环向加劲角钢形成闭合环，在环向加劲角钢安装完成后，用底板环段上安装加固角钢和加固槽钢，加固角钢与底板环段上表面固定，加固槽钢一端与加固角钢连接，一端与加腋区壁板固定，防止水平段吊装时下塌和波浪变形。

步骤五中，水平段组件相互组队焊接的方式为：留出两组对称布置的水平段组件，组内水平段组件的间隙作为收缩缝，暂不组对焊接，调整第三加强节点的上口标高满足要求后，先焊接第二加强节点之间的对接缝，再焊接第三加强节点之间的对接缝，然后焊接水平段组件之间的对接缝，焊材为E5018-1的碳钢焊条，采用多层多道焊、背面清根，层间进行100％液体渗透检测检测，重新调整水平段半径，将两组未焊接的收缩缝同时施焊，焊接工艺同其他水平段组件的焊接。

导向柱上端设置有斜豁口，斜豁口的斜面位于导向柱内侧，当一体式连接模块结构下部放到斜豁口上时，斜豁口能使一体式连接模块结构滑到导向柱内侧，从而完成导向作用。

钢支撑包括限位板、临时加劲板、支撑立柱工字钢、钢支撑预埋件和钢支撑顶板，钢支撑预埋件埋在地基中，支撑立柱工字钢安装在钢支撑预埋件上，以临时加劲板加固，钢支撑顶板安装在支撑立柱工字钢上，钢支撑顶板上安装限位板。

本发明的核电站安全壳钢衬里一体式连接模块结构及其安装方法，将部分底板和整个加腋区在内采用地面分段组装、焊接、检测而形成一个模块整体，采用大型吊装机械和专用吊装网架进行整体吊装至核岛反应堆厂房中心就位，实现了底板环段与加腋区的最大限度的模块化施工，为后续施工创造了条件。

在拼装场地上施工，操作空间大，组对接头复杂的第一部分(底板环段+第一加强节点)、第二部分(加腋区壁板)和第三部分(第二加强节点+水平段+第三加强节点)，利用钢支撑、垂直段拼装固定装置、水平段固定装置和导向装置，操作简便，能有效控制加腋区模块的上扣和下口半径及周长、垂直度，以及就位精度。新工艺采用整体装配式的构思，借鉴筒体模块吊装施工经验，利用大型机械和专用吊装网架将拼装成整体的钢衬里加腋区吊装安装。新工艺能保证衬里的安装质量更好的满足设计要求。

综上，本发明具有以下优点：

本发明在拼装场地进行模块拼装和一次吊装就位，减少与内壳施工的交叉施工时间；

采用钢支撑、扶壁柱和水平支撑等拼装，避免了钢筋对焊接操作空间的影响，加强节点、加腋区上下口的对接缝操作空间开阔；

采用竖向导向柱、环向和径向限位装置保证模块按要求顺利就位，缩短吊装时间，降低吊装作业风险；

采用模块拼装降低了高空作业高度和与内壳的交叉施工，降低了现场安装作业风险。

采用大型起重设备一次将模块吊装就位，减少了现场安装施工内容，减少塔吊占用时间，为内壳混凝土施工创造了条件，缩短关键路径工期至少20天。

附图说明

图1是本发明的底板环段与加腋区一体式模块结构示意图；

图2是底板环段与加腋区一体式模块结构的施工工艺流程图；

图3是钢支撑的示意图；

图4是底板环段临时加固的结构示意图；

图5是扶壁柱的结构示意图；

图6是垂直段壁板组件焊缝接头形式示意图；

图7是水平段支撑的结构示意图；

图8是导向柱的示意图；

图9是双直径吊装网架结构示意图。

其中的附图标记为：底板环段1、加固角钢11、加固槽钢12、加腋区壁板2、垂直段壁板加劲角钢21、水平段3、第一加强节点4、第二加强节点5、第三加强节点6、钢支撑7、限位板71、临时加劲板72、支撑立柱工字钢73、钢支撑预埋件74、钢支撑顶板75、扶壁柱8、调节装置81、爬梯82、扶壁柱预埋件83、水平段支撑9、斜支撑91、水平支撑92、竖直支撑93、导向柱10。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的模块由三部分组成—底板环段、垂直段和水平段，包括第一、第二、第三加强节点，模块的上下分别于钢衬里筒体第一层和底板相连，作为安全壳钢衬里的一部分，起到承上启下的作用。

本发明解决了加腋区与底板环段现场安装的焊接操作空间狭小、模块就位难度大、与内壳交叉施工时间长、高空作业风险大、专用关键路径工期长等问题。采用本发明，在拼装场地拼装成模块(见图1)、采用专用双直径吊装网架和大型吊装设备一次将加腋区模块吊装就位，利用环向和径向限位装置保证模块就位精度。采用本发明可缩短底板与加腋区的安装施工工期至少20天。

本发明的底板环段与加腋区模块化施工工流程见图2。步骤如下：

1)底板环段拼装：在拼装场地设置60个钢支撑用于底板环段组对(见图3)，设置4块轴线的预埋件，以及第一加强节点4的角度线。将底板环段吊装就位，进行组对、焊接和临时加固(见图4)。

2)加腋区垂直段拼装：定位放线、安装扶壁柱，将加腋区垂直段吊装就位后用调节装置(见图5)连接、固定、调整半径及周长和垂直度。

依次进行立缝组、下口环缝和收缩缝的组对焊接，焊缝接头形式为V形60°坡口、环缝为单V形45°坡口(见图6)。

待垂直段立缝无损检测合格后，组对、焊接环向加劲角钢，使环向加劲形成闭合环。

先测量放出垂直段上口标高线，采用割枪切除上口余量。

3)加腋区水平段拼装：

水平段的平面布置用全站仪放出定位线，安装48个三角支撑(见图7)。

将水平段按布置图顺序依次吊装就位。

依次进行水平段第二加强节点、第三加强节点的对接缝、6㎜板对接缝、第二加强节点下口环缝和收缩缝的组对焊接。

4)焊钉补焊：

采用螺柱焊工艺将垂直段和水平段的焊缝所缺焊钉补焊。

5)防腐涂装

去除焊缝区域的铁锈、灰尘、水分、油污等，进行现场焊缝区域涂装底漆、中间漆和面漆。

6)模块安装

依据设计图纸在反应堆厂房筏基相应标高位置放出模块就位角度线和半径，做出醒目标记。

安装均布的24根导向柱(见图8)和2个限位安装。

根据经批准的吊装方案利用履带式起重机号和吊装网架(见图9)进行吊装就位，吊装就位后利用导向柱和楔铁调整模块下口半径，保证底板环段与底肋角钢中心线距离控制在±15㎜(优先保证)、下口环段半径偏差控制在±20㎜范围内。

进行组对底和焊接板环段与底肋、第一加强节点与底肋缝。焊接时，先焊接第一加强节点与底肋之间的角焊缝，后焊接底板环段与底肋的对接焊缝。焊接时采用分段跳焊、退焊和对称焊措施。

7)涂装修补

对于模块吊装和焊接中损坏的涂层进行修补。

以下以用于巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3核电项目的3号机组核岛钢衬里的底板环段与加腋区的模块化安装施工为例，具体讲解本发明的实施方式如下：

底板环段与加腋区模块化施工工流程见图2。

(1)底板环段拼装

①定位放线

在沿半径R＝22753㎜的圆周上每6°均匀设置钢支撑(见图3)，共设置60个。模块拼装前使用全站仪对拼装中心定位点和钢支撑的位置(半径、角度)及标高进行测量，根据测量数据调节钢支撑上表面标高，标高差在3㎜范围内。

在拼装场地定位轴线的预埋件上标识出0°，90°，180°270°轴线，在拼装场地标识每一块底板加强板的安装定位角度线。

②吊装就位

利用汽车吊将16块底板环段按照布置图的编号吊装就位，放置在钢支撑上。

③组对焊接

待底板环段全部就位后进行组对，点焊固定在限位板上，正面焊接20㎜厚的临时加劲板，留出2条收缩缝(对称布置)暂不组对。

焊接采用焊条电弧焊工艺，焊材为E5018-1的碳钢焊条，先焊接第一加强节点的“L”形对接焊缝，第一加强节点对接焊缝完成后焊接6㎜底板环段的对接缝，采用多层多道焊、背面清根，层间进行100％液体渗透检测(PT)检测。

④收缩缝组对焊接

在14条焊缝完成后，重新调整半径，组对收缩缝，安排2名焊工同时施焊，焊接工艺同上。

⑤临时加固

在垂直段环向加劲角钢安装完成后，用L50×5角钢和C10槽钢加固(见图4)，防止水平段吊装时下塌和波浪变形。

(2)加腋区垂直段拼装

①定位放线、安装扶壁柱

根据垂直段布置图在第一加强节点上口用全站仪放出拼装位置的角度线，做好标记。

用全站仪测量放出扶壁柱在预埋件的定位中心线和半径R＝23240㎜，每个垂直段上设置2根扶壁柱共26根，利用汽车吊吊装就位后与柱底预埋件焊接固定。

②吊装就位

利用汽车吊将13块垂直段按照布置图的编号吊装就位，通过间隙板放置在第一加强节点上口，与扶壁柱通过调节装置连接、固定(见图5)。

③组对焊接

a)立缝组对焊接

待垂直段全部就位后，通过调节装置调整垂直段半径，误差控制在0～20㎜范围内，进行点焊、固定。先组对立缝后组对环缝，留出1条立缝作为收缩缝暂不组对，在环缝清根前进行组对。立缝接头形式为V形60°坡口、环缝为单V形45°坡口(见图6)。

先焊接立缝厚焊接下口环缝。焊接采用焊条电弧焊工艺，采取多层多道焊。先焊接12条立缝，焊接完毕后开始焊接环缝。立缝由上至下分段退焊法进行焊接，分段长度为500mm～800mm。先焊接外侧焊缝，待外侧焊接完毕后在内侧采用碳弧气刨清根，清根完成后进行100％液体渗透检测(PT)，然后内侧焊缝的焊接。

b)环缝组对焊接

立缝焊接完毕后(伸缩缝除外)进行环缝的组对、焊接。环缝焊接时，由数名焊工均布在圆周上同时进行逆向对称分段退焊法施工。先焊接外侧焊缝，在外侧焊缝全部焊接完成后进行内侧焊缝的清根和焊接。

环缝打底焊时距离伸缩缝两侧各留出1～1.5m不焊，待伸缩缝打底后再与立缝伸缩缝同步进行焊接。

④收缩缝组对焊接

在环缝外侧焊接完成后调整壁板的垂直、圆度和周长，经验收合格后，切去余量进行伸缩缝的组对。先焊接外侧，待外侧焊接完毕后在内侧清根完成后进行内侧焊缝的焊接。

⑤环向加劲安装

待垂直段立缝无损检测合格后，组对、焊接环向加劲角钢L75X50X8，使环向加劲形成闭合环。

⑥余量切除

先测量放出垂直段上口标高线，采用割枪切除上口余量，留出打磨余量1～3㎜。

(3)加腋区水平段拼装

①定位放线

根据水平段的平面布置用全站仪放出定位线，标号标记。

②支撑安装

以靠近0°角度水平段对接缝距离0.8～1.2m处为起点(需保证距离每个水平段接头位置至少0.5m)，测放出三角支撑的角度线，在垂直段的外侧每块水平段设置3个三角支撑,16块水平段共48个，均匀分布在垂直段上口外侧(见图7)。先将斜向和水平角钢支撑焊接固定，待水平段就位后调整其标高合格后点焊固定竖向支撑角钢。

图5.2.3.2水平段支撑固定

③吊装就位

用汽车吊将水平段按布置图顺序依次吊装就位。

④组对焊接

先组对焊接水平段14条径向焊缝，留出2条(对称布置)作为收缩缝。调整第三加强节点的上口标高满足要求后固定点焊在支撑上，先焊接第二加强节点/J03对接缝，后焊水平段6㎜板对接缝，焊接顺序同1)条第③款“组对焊接”。

水平段与垂直段之间环缝的组对焊接同(2)条第③款“环缝组对焊接”。

④收缩缝组对焊接

加强节点2/3(见图1)的收缩缝组对焊接同(1)条第④款“收缩缝组对焊接”，环缝的收缩缝组对焊接同(2)条第第④款“收缩缝焊接”。

(4)焊钉补焊

加腋区垂直段和水平段的焊缝无损检测合格后，在垂直段的立缝和环缝部位标记出需补焊焊钉位置，采用螺柱焊将所缺焊钉补焊。

(5)防腐涂装

①除锈

采用手工或动力除锈工艺去除焊缝区域的铁锈、灰尘、水分、油污等，粗糙度达到国家标准GB/T 8923.1-2011《涂覆涂料前钢材表面处理表面清洁度的目视评定第1部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级》中St3级。

②涂装

涂装材料系统为PIC100I，在现场焊缝区域涂装底漆和中间漆后，清理干净模块内侧(底板环段6㎜除外)表面，然后手工涂刷面漆，涂层厚度需满足设计要求。

(6)模块安装

①定位放线

依据设计图纸在3NB反应堆厂房筏基-7.806标高上放出模块就位角度线和半径R＝22806，做出醒目标记。

②导向柱和限位安装

在半径R＝22915半径上以0°为起点均布24根导向柱(见图8)。在0°和180°设置2个水平限位。

③模块吊装就位

利用履带式起重机和吊装网架(见图9)进行吊装就位，所选用起重机的性能需满足模块吊装要求。巴基斯坦K-2/K-3核电项目3号机组的底板环段与加腋区的模块吊装采用利勃海尔LR13000履带式起重机(最大起重能力3000t)。模块吊装编制吊装方案，经专家论证审批后用于加腋区模块的吊装施工。

④底板环段组对焊接

吊装就位后利用导向柱和楔铁调整模块下口半径，保证底板环段与底肋角钢L80×8肢中心线距离控制在±15㎜(优先保证)、下口环段半径偏差控制在±20㎜范围内。

组对底板环段与底肋、第一加强节点与底肋，底板环段与底肋的焊缝接头形式为6㎜带垫板对接焊缝。焊接时，先焊接第一加强节点与底肋之间的角焊缝，后焊接底板环段与底肋的对接焊缝。焊接时采用分段跳焊、退焊和对称焊。

(7)涂装修补

对于模块吊装和焊接中损坏的涂层进行修补，修补前需清洁受损区域，露出钢材的部位需进行除锈处理，待表面合格后方可进行防腐修补，修补用材料与原涂层系统相同。

采用本发明专利用于巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3核电项目3号机组的钢衬里底板环段与加腋区模块化安装施工，达到了以下有益效果：

1)施工工期

模块吊装就位于9月30日完成，10月19日安装施工完成，现场安装工期20天，较常规施工工艺缩短工期32天。

2)焊缝质量

所有对接焊缝射线检测(RT)共1418张，其中RT一次不合格34张，RT一次合格率达到97.6％。

3)模块安装质量

模块就位偏差80％在0～5㎜内，20％在5～10㎜内，满足设计0～15㎜范围内的技术要求。

4)施工安全

拼装场地施工，高空作业高度由7.8m降低到3.9m，减少与内壳混凝土施工的交叉作业时间92天。

5)经济效率

与以往常规施工工艺相比减少焊工和铆工及力工工日656工日，吊索具和网架的费用节省按总10％计算。

节约人工工资：0.03万元/工日×656工日＝19.68万元；

节约网架和吊索具费用用：95万元×10％＝9.5万元。

经济效益合计为：19.68+9.5＝29.18万元。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。