海阳AP1000核电站反应堆厂房双相不锈钢塔架位于核岛内部结构换料水池房间内部, 作为核岛反应堆容器一体化顶盖支撑结构。不锈钢换料水池房间核级设备众多、工作面狭窄、安装物项交叉施工多, 施工空间及时间有限, 不锈钢物项清洁度要求高。

双相不锈钢塔架施工面临焊接量大、焊缝无损检测要求严格、制作及安装精度要求高、现场安装条件差等问题, 采用常规的预制和安装方法难以实现工期目标和质量目标。通过对设计技术要求、现有施工技术基础条件、工期、质量保证、预制车间条件、运输条件和现场环境条件等因素综合研究分析, 打破传统构件现场组装安装模式, 采用模块化施工技术, 将不锈钢塔架构件制作完成后在车间组装为模块式结构, 整体吊装安装, 提高车间施工效率和质量, 简化现场安装施工难度;通过尽可能地提高预制工作量, 最大限度地减少安装工作量, 形成施工工作量和工期分配以预制为主、安装为辅的模块化施工管理模式, 有效缩短现场安装工期并确保工程质量。

双相不锈钢塔架位于换料水池房间内部不锈钢覆面上, 主要由4根箱形立柱、方钢管柱间支撑、柱顶板、柱底板、加劲板、节点板等组成, 外形尺寸为9 195mm (高) ×4 543mm (长) ×4 420mm (宽) 的塔式结构, 如图1所示。总质量约46t, 材料为双相不锈钢A240 S32101及A312 TP304L, 柱底板与地面不锈钢预埋件焊接固定, 柱顶板与上部结构楼板模块连接成整体。

双相不锈钢塔架主要由板材和型材焊接而成, 塔架箱形柱 (610mm×610mm) 由4块双相不锈钢钢板组合焊接而成, 板材厚度大 (板厚约38mm) 、焊缝长 (长约9m) 、焊缝质量要求高。

双相不锈钢塔架4根立柱均由38mm双相不锈钢钢板组合焊接而成, 为目前核电工程中厚度最大的不锈钢钢板。焊接难度大, 主要结构焊缝为全熔透焊缝, 板材厚度大, 焊缝熔敷金属填充量大, 焊接收缩及变形趋势明显。

结构尺寸制作偏差要求为±1.6mm, 安装精度偏差为±3.2mm^[1]。4根立柱顶面标高及共面度要求为3.2mm。

不锈钢构件清洁度要求高, 防止碳钢及腐蚀性元素污染^[2]。

由于安装位置处于水池内, 空间狭小, 安装现场构件堆放及拼装施工工作面有限, 且该换料水池房间内安装物项多, 留给双相不锈钢塔架安装时间窗口有限。

1) 方案1按传统工艺, 单件制作、运输、吊运到安装现场、搭设脚手架并设置支撑构件辅助固定4根立柱, 再逐步吊入水平及斜向支撑构件连接, 组对, 焊接。此方案优点为: (1) 构件精度可通过现场进行二次切割或打磨控制精细; (2) 构件单一, 运输方便。缺点为: (1) 构件现场组装占用资源多, 对场地使用及吊装设备占用多; (2) 现场焊接量大且部分焊缝由于焊接位置差, 质量不易保证及焊接速度慢; (3) 由于现场组拼构件数量多, 需设置较多临时支撑构件固定安装的各构件, 安全危险因素多; (4) 脚手架操作平台搭设既要考虑吊装和作业时的安全, 又要避开各构件吊装就位, 搭设复杂, 施工周期长。

2) 方案2参考同类工程, 将4根立柱预制为2个组合片状模块结构件, 其余为散件, 运输至现场, 先吊入2个片状模块结构并进行临时固定, 再搭设脚手架操作平台, 逐步吊入2个片状结构件之间的连接件, 进行组对安装、焊接。此方案优点为: (1) 采用预制化模块思路, 每2根立柱及其之间连接件在车间组合为整体, 形成片状模块结构, 减少现场预制工作量, 现场安装时临时支撑设置得到简化。缺点为: (1) 运输时超宽或超高; (2) 2个片状模块构件与预埋件组对焊接前的安装标高和垂直度控制及调整较复杂; (3) 脚手架搭设仍必不可少; (4) 现场仍存在较大的焊接工作量和部分焊接位置依然不好, 焊接质量和焊接速度受到很大影响; (5) 工期有一定缩短, 但占用时间仍较长。

3) 方案3通过对技术条件、质量、工期、安全控制, 现场施工环境条件的综合分析, 考虑将所有双相不锈钢塔架构件 (除柱脚板外) 预制为整体模块结构, 并在车间将施工平台和通道设置在模块结构上, 固定为整体, 运输至现场。现场安装时, 先将柱脚板与预埋件组对安装, 再整体吊装安装双相不锈钢模块塔架。此方案优点为: (1) 90%以上拼装和焊接工作都在车间完成, 且避开所有现场焊接困难位置; (2) 质量、安全控制重点主要在车间预制阶段, 控制条件更好; (3) 现场只需1次整体吊装, 且由于结构整体稳定性好, 无须设置临时支撑构件; (4) 现场无须搭设脚手架操作平台, 利用塔架自身结构, 在其内部设置垂直通道和铺设平台板, 即可形成安全操作平台及通道; (5) 占用现场资源少, 安装工期短, 避免交叉施工。缺点为: (1) 预制成整体模块结构, 质量达约46t, 对车间吊装设备起重量要求高; (2) 需要设计组装胎架完成整体拼装, 形成模块结构; (3) 运输时超高超宽。由于安装标高控制精度高, 因此对预制构件精度和变形控制要求高, 需采取合理的工艺和措施完成预制。

通过对车间预制条件、运输条件、现场安装条件的认真研究, 进行3个方案总体对比, 按方案1双相不锈钢塔架制作为散件或按方案2组装成片状运输至现场安装连接的方法, 均存在现场安装工期长, 占用运输、吊装设备台班多, 现场支撑及操作平台复杂, 安装作业面需求较大问题, 由于现场安装条件差, 质量及安全风险较大, 应尽可能避免。而采取模块化的整体吊装安装方案, 预制组装在车间完成, 现场安装只需解决好整体运输 (设备、路线) 、整体吊装 (设备、吊装空间) 、双相不锈钢塔架柱与基础预埋件的连接即可。方案3具有较大优势。同时, 对方案3的可行性进行进一步分析。

1) 车间预制起重设备问题通过对车间净空高度和汽车式起重机安全作业高度分析, 利用汽车式起重机可以解决预制车间整体拼装时的起重设备问题。

2) 车间组拼胎架问题根据功能需求, 可以通过设计计算解决。

3) 运输超高超宽问题通过对运输路线的仔细踏勘和模拟运输, 协调交通部门可以解决。

4) 脚手架操作平台问题将不锈钢塔架在车间进行预制、组装为模块式整体结构 (其中柱底板为散件, 提前与现场预埋件焊接) , 在其内部增加临时施工上、下通道和操作平台并与塔架固定为一体, 运输至现场进行整体吊装安装, 现场不再搭设脚手架平台。

5) 此方案将制作的构件散件组装为模块式整体结构, 将工作量、技术难度及主要工期安排在车间, 发挥车间施工条件好、效率高的优势, 易保证质量、加快进度。安装时仅需整体吊装1次, 无须现场搭设支撑和操作平台, 同时现场安装占用空间和时间明显减少, 对其他核级物项的交叉影响降至最低。同时, 预制为整体后, 进行酸洗、钝化、清洁、覆膜保护, 其清洁度也能很好保障。

6) 通过复核, 现场具备整体运输车辆、吊装采用的500t起重机, 运输路线及吊装空间无障碍影响, 均不阻碍双相不锈钢模块整体吊装。

综合以上分析, 施工重点集中在预制焊缝质量和组装整体尺寸控制, 安装时仅需采取措施调整柱顶板标高和水平度, 确保最终整体安装精度。

1) 预制精度保证问题通过焊接试验, 掌握收缩量, 制定合理焊接工艺可控制好预制整体尺寸。

2) 安装标高控制问题由于4块柱底板与4块预埋件同时面接触焊接连接, 考虑制作和安装误差及变形的影响, 面接触贴合程度很难满足要求。因此, 本方案采取柱底板与塔架柱分离、柱底板直接与现场预埋件提前焊接方法。整体吊装安装前, 可通过4根立柱长度方向在柱脚部分预留打磨余量, 待柱脚板与预埋件焊接完成后, 对每根立柱的安装位置进行准确放样定位, 实测每个柱脚4边的标高数据, 根据实测数据对预制的4根立柱柱脚进行打磨, 达到控制柱顶板安装标高和水平度目标。

综合分析, 采取方案3 (双相不锈钢塔架按模块化预制为整体吊装安装方案施工) , 有利于双相不锈钢塔架焊缝质量及整体尺寸控制, 安装工期明显缩短, 现场安装的安全风险低、工程总体成本低。从质量、安全、工期及成本控制方面来看, 均最有利。通过对现有技术条件、装备条件、环境条件分析, 方案3完全具备可行性。

施工工艺流程为:下料及坡口加工→组对、防变形措施加固→焊接及检测→模块化整体组装、焊接→焊缝无损检测→整体验收→整体吊装安装。

技术人员根据图纸信息、进场材料的实际规格绘制排版图, 考虑焊接收缩余量、组对间隙等。施工前由技术人员向车间作业人员进行施工技术安全交底, 使其掌握不锈钢施工特点、工艺流程、成品保护措施及安全注意事项。根据双相不锈钢热敏材料特性, 并为防止下料时切割热使不锈钢板变形, 采用数控超高压水切割下料及制备全熔透焊缝坡口。

箱形柱组装时, 在不锈钢平台上设置专门的组装胎具, 胎具由不锈钢槽钢制作而成, 每个小单元由2段立柱及1根横梁组成。为防止不锈钢立柱污染, 材质选用022Cr19Ni10, 槽钢背面作为胎具支撑面, 方便调平。

立柱组对工艺流程为:下水平钢板就位→2块竖板就位→工艺隔板就位点焊→楔铁调整→上水平钢板就位点焊→U形夹具加固。

为防止焊接残余应力引起的变形, 箱形柱组对时内部每根立柱布置若干临时工艺隔板, 按约1.5m的间距设置。临时工艺隔板尺寸为531mm×531mm (柱身内径尺寸为534mm×534mm) , 通过楔铁调整, 保证箱形柱的截面尺寸。工艺隔板设置如图2所示。

组装过程中用碳钢U形夹具控制外部尺寸和垂直度, U形夹具内侧均焊有不锈钢垫板, 防止污染不锈钢。

立柱焊接采用手工电弧焊, 采用3.2mm, 4.2mm、牌号TS-2209焊条, 单V坡口, 焊接工艺参数通过焊接工艺试验和工艺评定报告确定。工艺控制要点是控制焊接热输入和焊接变形, 从而保证焊接质量和立柱尺寸精度。焊接过程中具体采取的措施如下。

1) 采用小电流、高焊速、窄焊道和多道焊的方法减小热输入量, 分层焊接填充。填充焊缝熔敷金属时结合焊接效率, 尽可能采用较小直径焊条 (3.2mm) , 最后盖面时可选择较大直径焊条 (4.2mm) 。

2) 焊接过程中, 使用红外线测温仪监控层间温度, 使层间温度控制在100℃内^[3]。

3) 焊接时始终保持在平焊位置, 每焊3层将立柱翻转180°焊接另一边。焊接时采用2人对称焊, 即立柱每侧各1人, 焊接过程中2人使用的焊接工艺参数必须保持一致, 焊接时2人同焊同停, 从而控制焊接变形。

4) 采用分段逆向跳焊的方法^[4]减小热输入量, 防止焊接层间温度过高。分段跳焊如图3所示 (图3中数字序号为焊接顺序, 箭头指向为焊接方向) 。

5) 采用反变形法。组对立柱时, 立柱宽度尺寸需考虑组对间隙和焊接收缩量, 确保在焊接完成后使其收缩到设计尺寸的±1.6mm。焊接过程中, 焊接质检人员选取若干测量点定时测量立柱宽度, 及时调整焊接电流及焊接参数, 防止焊接收缩量过大或过小。

6) 将组装好的柱顶板加上临时加劲板, 然后将2个柱顶对顶, 调整2个立柱标高, 使柱顶间隙最小, 采用临时连接板将2个柱顶板焊牢, 使2根立柱连接成整体。焊接过程中注意观察变形情况, 柱顶板焊接完成后拆除临时加劲板, 焊接正式的加劲板。柱顶板加固如图4所示。

焊后对箱形柱组装焊缝做100%目视检测、100%液体渗透检测、10%超声波检测、100%真空检测, 全部合格。

为实现模块化整体组装, 设计专门的整体组装胎架, 组装胎架强度和稳定性均需验算, 满足施工技术和安全要求。组装胎架施工需按GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》要求进行施工及验收^[5], 以确保施工质量。组装胎架主要由H型钢和槽钢组成, 采用该组装胎架可精确控制不锈钢塔架的整体组装尺寸, 确保组装质量, 易拆卸, 可重复使用。组装胎架如图5所示。

组装过程中可根据需要加设临时连接、支撑杆件和脚手架平台以满足组装操作需求。组装胎架的构造及尺寸需满足整体组装尺寸控制及调整、操作空间、无损检测操作便利、施工安全等方面要求。

立柱节点板焊接→单片结构放地样→第1, 2榀立柱就位→横撑、斜撑及节点板组对焊接→第1榀单片结构完成后吊离组装胎架→第3, 4榀立柱就位→横撑、斜撑及节点板组对焊接→第1榀单片结构吊至上层组装胎架→2榀单元横撑、斜撑及节点板组对焊接→塔架制作完成。

单榀单元结构根据已放好的地样组对焊接, 再将组装焊接好的2个单片放在胎架上组装成整体, 2个单片间距由胎架上的可调装置调节。侧面方钢管支撑通过倒链进行位置及角度调整, 最终将塔架组装完成, 其整体尺寸要符合设计要求。组装过程中, 车间行吊额定起重量不足时, 应考虑汽车式起重机辅助吊装就位, 确保安全。组装完成后, 将连接支撑杆件与箱形柱焊接。

1) 为保证焊接质量, 在每层焊接工作完成后, 将层间清理干净并做渗透检验, 确保没有焊接缺陷后再焊接下一层。

2) 焊后检验焊后做100%目视检测、100%液体渗透检测、10%超声波检测、100%真空检测, 最终全部合格。

3) 焊缝检测合格后, 进行车间预制酸洗钝化和清洁工作。

整体组装工作完成后, 组织预制出厂验收, 对其外观、清洁情况及整体尺寸复核检查, 不锈钢塔架的整体尺寸偏差、翘曲变形、平整度、表面观感等全部满足要求后方可出厂。

1) 吊装前准备

考虑其结构简单、外形尺寸不大 (9 195mm×4 534mm×4 420mm) , 但本体吊装量约46t, 提前核实、清理运输路线上障碍物, 将塔架运输至现场整体吊装。将柱底板与预埋件安装临时固定, 检查柱底板中心线位置和四角部位及中心点标高均满足要求后, 按工艺要求焊接完成, 并经无损检测合格。在柱底板上将塔架柱身的4条中心线画出, 根据中心线的交点在柱底板上放出塔架柱边线。测量每个塔架柱4条边线标高, 每条边选择5个点, 根据边线标高实测数据, 对塔架柱身底部进行修整打磨。

2) 吊装安装施工工艺

吊装安装施工工艺流程为:先决条件检查→运输及卸车→500t履带式起重机试吊→起重机起吊→塔架就位调整、临时固定→起重机摘钩→焊接及检测、酸洗钝化处理、验收。

双相不锈钢塔架装卸及运输时处于横放状态, 需设置翻转专用吊耳, 吊装时需先翻转到竖立状态才能吊装, 利用500t履带式起重机将塔架吊装就位。吊装过程为:卸车→翻转→试吊→起吊→吊装就位。

吊装就位调整, 经标高、位置测量合格后, 进行塔架柱身与柱底板焊接工作。焊接完成后, 进行焊缝及临时吊耳割除处的无损检测及酸洗钝化处理, 验收时对双相不锈钢塔架最终位置进行复测, 并出具相应的标高及平面位置记录。

3) 施工操作平台设置固定

不锈钢塔架预制为整体后, 吊装前按模块化施工技术要求, 在车间对不锈钢塔架内部设置操作平台并与不锈钢塔架固定, 供现场吊装就位后后续安装操作人员使用及方便吊装摘钩。操作平台设置时采取措施隔离碳钢构件, 不能与不锈钢直接接触。

在不锈钢塔架高度4.600m及8.900m处分别搭设操作平台, 由下而上设置爬梯连接到2个标高处的操作平台, 各爬梯顶端应预先挂设防坠自锁器, 如图6所示。

塔架吊装就位后, 在柱顶板上设置1.2m高安全护栏用于摘钩及安全测量操作作业。

4) 清洁及成品保护

施工过程中采取隔离措施, 防止碳钢污染不锈钢覆面及塔架, 每天及时清理施工现场。双相不锈钢塔架验收完成后, 对不锈钢表面进行清洁, 用非腐蚀性材料覆盖包裹进行成品保护, 防止污染。

双相不锈钢塔架组装为模块式整体吊装安装施工技术成功应用于海阳AP1000核电站一期1, 2号核岛工程, 对预制过程焊接工艺进行优化, 控制变形并确保焊接质量, 通过模块化组装吊装提高效率, 使最终安装质量达到设计及规范要求, 同时有效降低施工难度及施工成本, 规避安全风险, 显著缩短现场安装工期, 圆满完成工程质量、安全、进度、成本管理的目标。