浅析AP1000堆型模块施工技术

浅析AP1000堆型模块施工技术

程胜迟

中国能源建设集团天津电力建设有限公司

摘要：模块化建造具有土建、生产预制、现场组装、安装呈现并行施工、交叉施工的特点。土建和安装计划综合性加强，对现场施工场地、大型吊车使用、现场施工组织协调等提出了更高的要求。三门、海阳核电项目是AP1000技术在全球范围内的首批应用，模块化施工理念的实践尚属首次。本文作为经验反馈，望给大家做一个参考及借鉴作用。

关键词：模块、吊装、AP1000、交叉、工期

1引言

模块在这里用来指一个由材料和部件组装而成的组合件。预制后模块作为一个整体单元方便和加速了现场的建造。在模块就位前对其组装避免了在其最终位置的狭窄空间进行过多的工作，这样就允许安装和土建并行作业。“模块化建造”就是在工程建造中最大化的利用厂外进行预制和组装，减少厂内作业。它使厂内的施工作业从串行施工变为并行施工，缩短了施工工期。在预制厂的工作，改善了施工环境，提高了工程质量。

模块化建造是AP1000压水堆核电站采用的一种先进的施工理念，它对传统施工理念进行优化，大量引入平行作业，依靠当今发达的先进技术，将土建、安装、调试等工序进行深度交叉，从而大大缩短了核电站建设工期，进而降低工程造价。模块化施工具有单件较重、吊装空间有限、需合理的选择吊装机械及吊装方案等特点。

2模块的分类

AP1000的模块大致可以分为两类：结构模块、设备模块。结构模块又分为CA、CB、CH、CS几种，设备模块又分为设备类（KQ、KB、KU、KT）与管道阀门类（Q、R、W）。

AP1000模块分类树状图如下：

3重要结构模块介绍

3.1CA模块

结构模块CA共24个，这些模块一般由钢板和型钢及内部混凝土构成，形成完整厂房结构。其目的是取代传统的棒式钢筋绑扎和模板材料支设。一旦将组装好的模块安装就位，混凝土浇注施工能与房间完工和设备模块安装平行进行。

为了减少现场工作量，这些模块通常和实际应用管道、电缆托盘、小管、支架等进行装配。在模块安装前，这些装配工作将在车间完成制作，现场组装形成最终的模块。

3.1.1CA01模块

基本数据:长宽高：25m×29m×26m，重量：679.5t。

主要结构:包含蒸汽发生器A/B隔间，稳压器隔间以及换料水池。

位置:反应堆厂房。

CA01模块组装及安装工期：组装：158天；安装：18天。

3.1.2CA03模块

基本数据:长宽高：36m×12m×11m，重量：189.8t。

位置:反应堆厂房，区域1,2。

安全壳内换料水贮存箱西南墙模块。

CA03模块组装及安装工期：

组装：44天；安装：10天。

3.1.3CA04模块

基本数据:长宽高：11m×5m×8m，重量：25.1t。

位置:反应堆厂房。

主要结构:包括压力容器腔室及一回路冷却剂疏水箱隔间。

CA04模块组装及安装工期：

组装：30天；安装：10天。

3.1.4CA20模块

基本数据:长宽高：21m×14m×21m，重量：776.7t。

主要结构:包括乏燃料水池，放射性废液监测罐隔间等结构。

位置:辅助厂房，区域5，6。

CA20模块组装及安装工期：

组装：60天；安装：7天。

3.2CV模块

CV安全壳属于核2级设备，由底封头、下部筒体、中部筒体、上部筒体和顶封头5大模块组成。每个模块度都由预先成型的、喷好漆的钢板制成。为了进一步减少安全壳内的组装活动，这些模块包含环型加强筋、环吊梁、设备闸门、人员空气闸门、贯穿件组件和其它附件，其中包括非能动安全壳冷却系统（PCS）空气挡板的支撑和水分配溢流口的固定板。安全壳主要参数：总自由体积58615m3,设计压力4.07bar，材料SA738型B级，直径39.624m，总高度65.633m。CV安全壳本体钢板厚度范围42mm～48mm，焊缝总长度约4000余米，61个贯穿件、5280个剪力螺栓、底封头加强圈以及顶封头上围堰等附件。

底封头：内径39.624m，厚度0.0413m，高度11.468m，重量584t。

下部筒体：内径39.624m，厚度0.0476m，高度15.5m，重量740t。

中部筒体：内径39.624m，厚度0.0445m，高度15.5m，重量730t。

上部筒体：内径39.624m，厚度0.0445m，高度11.5m，重量740t。

顶封头：内径39.624m，厚度0.0413m，高度11.468m，重量584t。

整个钢质安全壳总重约3370t。

施工工期45.5个月，具体如下表：

3.2.1CV施工中应重点关注的技术

厚壁钢板拼装焊接的预热及焊后热处理技术

厚壁钢板空间结构的现场组对技术；

厚壁钢板空间结构的手工电弧焊接技术；

厚壁钢板空间结构焊缝的无损检验技术。

3.3屏蔽厂房钢穹顶

屏蔽厂房钢穹顶整体为锥台棱形，下口半径20.650米、上口半径6.250米、高10.952米，内侧有附属钢结构模块CH67、CH72、CH73。钢穹顶及附属钢结构模块总重量为781吨，加上吊索具、吊车滑轮组共计922吨。

3.4CB模块

模板模块CB共35个，这些模块目的是在电厂厂房拥挤的区域取代结构模板工作，并且提供支架和设备的锚固件。这些大量的工作在安装之前在现场提前预制。

其中CB20模块是顶部安全水箱（材质双向不锈钢），外径29.908米，内径10.668，高10.292米,整体重量（含各附件）约302吨。

CB20模块组装及安装工期：

组装：60天；安装：7天。

3.5CH模块

钢结构模块CH共33个，这些模块，由能够在孔洞外提前装配的钢结构组成。钢结构可以与它附近范围内的金属板、预埋件、钢筋等在现场提前装配，并形成最终模块。其中非动能空气围板CH71、CH73模块在顶封头与CB20模块中间；CH71类似圆锥体状，重量为49t；CH73类似圆柱体状；重量为34t,主要由钢底板、八角平台、上部立柱及中间斜撑组成，悬挂于穹顶的环梁的正下方。

3.6CS模块

CS楼梯模块共25个，型钢和钢板被切割、钻孔、上油漆，并由安装人员决定要作为子模块进行装配的部件范围。在模块安装前，这些装配工作将在现场完成，并形成最终模块。

3.7子模块

为了便于运输，将大的模块分解为子模块车间预制，现场组装后吊装到最终位置。为了便于公路运输，子模块的尺寸限制如下：

长度：20m以内；宽度：8m以内；高度：4m以内；重量：100T以内。

4结构模块施工顺序

以AP1000的11206房间为例（见下图），该房间位于反应堆厂房内部，因其功能又被称为PXSA间。房间内有安注箱A以及PXS系统相关管道设备。

从图中可见，整个11206房间是由8个CB模块（CB12、CB41~47）和2个CA模块（CA01、CA37）构成了一个“箱子”模样的空间，在“箱子”的周围都要填充钢筋混凝土。按照传统的施工方式，应该是一边绑扎周围的钢筋，一边进行灌浆，待混凝土凝固之后拆除模板，就这样，一层一层地逐步达到房间顶部，最后在浇筑顶部平面形成天花板。而采用模块化的施工则有所不同。整个11206房间的作业开始于CB12的吊装就位，CB12是如同一个开口的“盒子”，“盒子”内部以及上方将安装安注箱A及相关管道设备。CB12就位之后，特大型模块CA01的吊装就位则一下子为11206房间提供了2个现成的墙面（图中左上角与右上角）。然后沿着CA01模块，将事先预制好的钢筋笼小模块依次吊入对接，并灌浆直到87’6”（CB12的顶部标高），形成11206房间的主地面。随后继续进行钢筋作业直到96’0”（CB42、CB43的顶部标高），此时需要将CB41、CB42与CB43吊装固定好，之后才可以对墙体侧进行灌浆，灌浆完成之后，3个CB模块不再拆除，而是作为一部分留在墙体里。待11206房间的96’0”地面（阀门间地面）也形成之后，按照类似的方法，完成96’0”~105’2”之间的钢筋作业，吊装CB45、CB46与CB47，灌浆直至105’2”，以形成一个巨大的11206空腔。之后对空腔内部进行粉刷，并安装安注箱、大件设备或模块。最后将一整块天花板（CA37）吊入到11206房间的顶部，形成一个完整的房间。此时房间内可以安装电气仪控等小型精密设备，而该房间上方也可以同时进行灌浆等土建作业。

5主吊机械介绍

三门2600t：通过在国际上招标，最终选定了美国Lampson的LTL-2600B大型吊车。其是原先LTL-2600的改进型，最大起重能力达到2358.2吨。底盘结构由前后两个履带车组成，之间由一根长度可调整的37米桁架结构联接，配备122米的主臂、49米的副臂和73米的桅杆，后履带车上配重为2900吨。LTL－2600B型吊车上述结构使该吊车可以提供的起重力矩达8万多吨米，从而在55米半径上起吊能力达1283吨，在121米半径上起吊能力达373吨，是吊车领域内名副其实的“巨无霸”。

海阳3200t：目前DEMAG创造世界TWIN-LIFTS总3200吨为最大,由中国核工业中原建设有限公司采购,现服务于山东海阳核电站。

5.1起重及运输机械

2600t履带起重机（海阳3200t）1台；400t履带起重机1台；50t汽车式起重机1台；25t汽车式起重机1台；起重滑车12台；液压运输车4台；STB75-20液压千斤顶16台。

主吊机械站位如右图所示：

5.2各主要模块主吊机械

6AP1000模块化施工的特点、难点

6.1模块化施工的几个关键特点

1）模块设计阶段已确定了其安装的逻辑关系，实际施工中逻辑关系调整的可能性很小。

2）对超重型起重运输设备及大件吊装组织能力的挑战。AP1000的CA20模块以及CV1#筒体环高度均超过15米，重达800吨，综合吊装位置等因素，需要用2000吨级的吊车才能将它们安全吊装到位，这就要求从前期的组织到现场吊装、就位，每个环节做到环环相扣。

3）AP1000在同一工作面交叉施工，既不是土建与安装在不同工作面的平行/交叉施工，也不是在某一阶段以谁为主的施工，而是土建安装在核岛同一区域安照各自细分的小工序打乱后重新排列施工，因此土建与安装的接口是以小工序为基础的全面的接口。因而，AP1000的建造理念并不是土建、安装两道大工序，而是模块预制与建造（运输、组装、吊装、模块与模块接口之间的安装、混凝土浇筑等）两道大工序。

4）钢板加劲混凝土结构

在AP1000土建建造过程中，采用钢板加劲混凝土结构替代常规的钢筋混凝土结构，以永久的钢板替代或减少钢筋并作为混凝土模板，混凝土浇筑在两钢板间，钢板与混凝土间的连接为焊接螺柱，两块钢板间的连接采用连接筋或钢结构。

5）组件施工技术

基于模块化概念，AP1000核岛土建大量运用组件化施工，主要的组件为：钢筋组件，其主要特点：在钢筋加工车间将钢筋制作成小件，在现场进行组装，形成大型钢筋组件，运用大型吊具进行现场吊装安装的一种施工技术。

主要组件有：钢筋组件、预制混凝土组件、钢结构组件。

6）高性能混凝土技术及施工技术

AP1000核岛土建采用自密实混凝土，且多处为大体积混凝土施工。

7）3D模似技术

AP1000核岛土建建造过程中，大量地应用三维模似技术，通过三维模似，实施虚似模似作业，在模型中实现模似作业工作面、尺寸检查功能，模似通道检查、模块运输、安装作业、维修等功能。

8）重心难确定引起变形，及“开顶”法吊装

在现场模块组装过程中，需频繁地进行子模块吊装、翻转，由于模块体积大、形状不对称、重心不易确定，而引起模块变形。

AP1000反应堆厂房内大型设备及模块，均采用“开顶法”吊装，即用大型吊车将大型模块及重型设备在厂房外吊装，翻转竖立，然后越过厂房实现就位

9）现场装配工程量大、难度高

大型结构模块CA01和CA02等，分别重450吨和700吨，规格尺大，CA01模块：25×29×26m；CA02模块：21×14×21m；车间预制后现场组装，再整体吊装就位，模块组装后相当于7-8层楼的高度，体积庞大，现场组装时吊装变形控制、组对精度要求高，难度大，

6.2模块化施工的难点

1）焊接及焊工取证

由于整体外形尺寸超大，其建造方式采取先制作子模块到现场组装，组装连接采用焊接，焊缝多，模块焊接工作量大。如CA20结构模块的焊缝总长接近3000m，最长单条焊缝达21m，且焊接位置多样，高空焊接多，尤其是立焊和仰焊位置多，同时，CV模块组装及安装时焊工需同时取得ASME焊工证、HAF焊工证。

2）土建与安装、CV内部与外部的深度穿插施工

在反应堆的施工过程中，基本上每一层都存在着土建与安装的穿插施工。维护好这些逻辑关系，协调各工艺之间的施工冲突，也是本厂房的一个难点，更是重点工作。?

（1）土建与安装的穿插：主要体现在钢筋与埋件、管道、模块焊接以及模块与贯穿件等的穿插。?

（2）CV内部与外部的穿插?：主要体现在设备闸门、人员闸门、CV贯穿件等物项的安装等工作上。

3）模块变形控制

内部结构的大多数混凝土浇筑，均会涉及到模块。而由于模块变形偏差较为严格，使得变形控制这方面的工作变得尤为重要。对于此问题，除了控制混凝土浇筑速度和每层混凝土浇筑高度之外，有针对性地采用如下方式进行解决：

CA01/02模块：

a、严格控制相邻两层的混凝土浇筑时间间隔；

b、浇筑之前选择合适的观测点，设置百分表，浇筑过程中安排专人读数、监控。

CB模块?：

a、在模块外部采用斜拉杆进行加固，斜拉杆上设置花篮螺栓，以调节松紧程度；

b、混凝土浇筑之前，对模块进行复测，并在模块内部安装磁力线锤，对模块变形进行过程监控。

4）空间狭小?

（1）内部结构的施工可操作空间狭小，一部分材料需经过多次倒运才能到达安装地点。?

（2）自CV2环安装之后，泵车就无法运用于内部结构的混凝土浇筑。之后的多数混凝土只能选用地泵，用泵管将混凝土运送至浇筑点，部分区域只能用塔吊配合料斗浇筑；?

（3）钢筋间距狭小，部分模板、钢筋、预埋件的安装困难，导致现场的工作效率较低；?

（4）由于施工空间狭小，使得内部结构无法搭设一个能使用较长时间的人行通道，脚手架的搭设、拆除次数繁多。

5）CA20模块组装、焊接

CA20模块组装过程中一部分焊缝采用仰焊、立焊工艺，高空焊接，焊接难度大，易产生收缩变形，焊接质量很难控制。

7结束语

目前三门、海阳核电项目模块化施工有序进行中，积累了相关的作业经验，特别是吊装机械的选择，通过本论文的浅析，望能够给后续项目一点点的帮助。

参考文献：

[1]三门、海阳相关模块化施工安装程序。