第三代压水堆核电机组AP1000的模块化施工分析(1)
日期：2010-10-29 21:46:19 点击：
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作者： 未知
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[摘要]即将在我国首次建造的AP1000第三代先进压水堆核电机组将大规模采用模块化的设计、施工技术。从施工角度看,AP1000的模块分为钢壳模块、大型结构模块、小型结构模块和设备模块,其中钢壳模块和大型结构模块的运输和吊装是施工的重点和难点。文章对模块化的施工情况进行了分析,重点分析了钢壳模块和大型结构模块的吊装和运输问题,为AP1000的模块化施工提供了思路和借鉴。
[关键词]AP1000;核电厂;钢壳;模块化施工
0引言
AP1000是美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术,2009年将在浙江三门和山东海阳相继开工建造。与传统的第二代压水堆核电以及常规火电设计技术相比,P1000的设计大量采用了模块化。模块化是一种先进的设计理念,它的最大优点是可以通过减少在现场的施工量而缩短核电的建设工期,同时,采用模块化后,大量的施工工作在制造厂完成,可以更好地保证施工质量。然而,大规模的模块化在提供各种便利的同时,却增加了施工的难度,一些模块的大型化给运输和吊装工作带来了较大的风险和挑战。如何有效地组织和规划AP1000的模块化施工工作,已成为工程参与各方关注的热点和重点。
1AP1000模块分类
在西屋公司AP1000的设计中,将模块分为了结构模块和设备模块2类。结构模块由各种型钢焊接连接而成,制作较简单,尺寸和体积大小不一,安装就位后作为核岛建筑结构的一部分,每台机组有108块;设备模块由设备、管道、仪表、阀门、支架以及固定用的型钢等组合而成,制作较复杂,精度、质量要求也高,但尺寸和体积相对较小,安装就位后作为工艺系统的一部分,每台机组有70块。除了这2类模块外,AP1000设计中还有1个特殊的结构———钢安全壳,它由多块大钢板焊接而成,可以看作是由另外1种模块类型———钢安全壳模块(简称钢壳模块)组装而成。
各种模块的大小和形状都不相同,施工的方法和难易程度也不同。为便于从施工的角度对模块进行讨论和研究,此处将AP1000模块划分为4类:钢壳模块、大型结构模块、小型结构模块和设备模块。钢壳模块和大型结构模块的体积比较庞大,重量大都超过了100t,其运输和吊装也比较困难;小型结构模块和设备模块的体积相对较小,重量都不超过20t,其运输和吊装相对比较容易。
2钢壳模块和大型结构模块
2.1钢壳模块
2.1.1AP1000钢安全壳
安全壳是核电站反应堆厂房(核岛)的外部密封结构,它包容1回路系统带放射性物质的所有设备,以防止放射性物质向外扩散,是核电站最关键的安全构筑物之一,目前核电站核岛安全壳采用的都是混凝土筒墙结构。为满足非能动设计要求,AP1000的设计为钢安全壳,整个安全壳共由约260块、平均尺寸约3.8m10m、平均厚度约44mm的弧形钢板焊接而成,总高度约66m,直径约40m,顶和底为椭圆形的封头,中间柱形筒体约43m,安全壳的四周墙体上还有一些贯穿件孔、支架、门孔、其他附件等,全部组装完成后的重量约3360t,结构如图1所示。
2.1.2钢壳模块
由于钢安全壳的整体焊接工作量大,为避免其直接在现场施工导致的核岛整体施工工期的延长,将钢安全壳切割划分为5个模块,分别为顶封头、底封头、中间柱形筒体3个环段,如图2。每个模块的直径约40m,高度都超过了11m,重量都超过了500t(最重的超过了700t)。5个模块在制造厂制作完成后,再分别运输到现场焊接组装。
2.2大型结构模块
大型结构模块的体积和重量都比较大,每台机组有12个,结构和形状各不相同。图3和图4是其中2个典型的大型结构模块,模块1的尺寸为25m29m26m,规模相当于1座7层高的楼房,重量达450t;模块2的尺寸为36m12m11m,重量155t。
由于受运输条件的限制,大型结构模块只能先分割成几个便于运输的子模块,在制造厂内进行子模块的制作,制作完成、运输到现场组装区后再组装成大型结构模块。
3AP1000模块化施工
在常规的模块施工中,施工安排的基本方法为:模块在施工现场外的制造厂制作→从制造厂到现场施工区的运输→现场施工区吊装(安装)就位。
AP1000小型结构模块和设备模块的施工方法可与常规的模块施工方法相同,但对于钢壳模块和大型结构模块,由于受模块尺寸和运输条件的限制,无法直接采取上述方法,只能采用下述的施工方法:
3.1钢壳模块施工
在施工区附近、现场场区内规划合适的位置;设计建造钢壳模块制造厂;制作钢壳模块;运输到施工区吊装点;用特大型吊车吊装就位。
3.2大型结构模块施工
大型结构模块的子模块在施工现场外的制造厂制作;子模块从制造厂到现场大型结构模块组装区的运输;子模块在组装区组装成大型结构模块;大型结构模块运输到施工区吊装点;用特大型吊车吊装就位。施工方法如图5所示。小型结构模块和设备模块体积小、重量较轻,国内也有此方面成熟的制作、运输、吊装技术和经验,施工难度不大。
4钢壳模块和大型结构模块的吊装
为满足AP1000重件设备的吊装需要,核电站在建设期间将从国外采购2000t级的特大型吊车,吊车的主臂长104m,起吊重量大,覆盖范围广。特大型吊车的引进也为钢壳模块和大型结构模块的运输和吊装提供了方便,结构复杂、体积庞大、重量较大的钢壳模块和大型结构模块可以用2000t级的特大型吊车顺利地吊装就位。图6和图7分别是利用特大型吊车进行吊装作业的示意图。
5钢壳模块和大型结构模块的运输
可采用的运输方式有3种:平板车运输、特大型吊车带载行走和特大型吊车的搬移。
5.1平板车运输
单列平板车的宽度只有3m,而且载重量有限,因此需要使用多列双车运输,形式如图8、图9。
5.2特大型吊车带载行走
特大型吊车的底盘是履带式结构,具有一定的吊载着重物移动和行走的能力。如果钢壳模块制造厂距离现场吊装点较近,且满足吊车的行走要求,则可以采用此方式运输。
5.3特大型吊车的搬移
为避免长时间带载行走给吊车造成的较大磨损,可以考虑大吊车搬移的方式进行运输。可以通过几次吊装移动将模块运输到施工区吊装点,如图10。
63种运输方式的比较分析
6.1平板车运输
这种运输方式需解决的关键问题是2辆车的协调,2辆车之间的速度、转向必须协调一致。因此对平板车的车况、平板车的电算化操作、运输道路的平整度要求较高。不过,就目前的施工技术以及液压运输平板车和电算化技术的发展状况看,这种运输方式理论上应该是可行的,而且适合较长距离的运输。但是,对于AP1000的大型模块,尤其是大型结构模块的运输,尚存在较大的风险,原因如下:
(1)这种运输方式还不是比较成熟的施工技术。目前,国内尚没有采用这种方式进行运输的案例,直接将这种技术应用到要求较高的核电施工领域,而且运输结构庞大的大型模块,依靠国内目前的力量和技术,其可行性值得商榷。
(2)运输底盘支架设计的工作量大且较困难。大型模块的形状不规则,运输支架的设计、制作难度很大。而且模块各不相同,相互之间没有可借鉴性,这就增加了运输底盘支架的设计难度和工作量。
(3)运输过程中模块的稳定性差。大型模块普遍存在高度较高、底面积较小,尤其是大型结构模块,从上面举例的2个大型结构模块的结构尺寸可以看出,很难达到比较理想的稳定性运输结构。
(4)运输成本较高。大型平板车、底盘支架等的投入,必将增加大量的运输成本。
6.2特大型吊车带载行走
从图6可以看出,特大型吊车的工作过程就是前后履带车的不断移动(行走)过程,也就是说,特大型吊车具备吊载着重物行走的能力,因此完全可以用特大型吊车带载行走的方式运输大型模块。这种运输方式不需要另外设计模块的运输底盘支架,也不需要过多考虑运输过程中模块的稳定性,相对简单、实用,而且充分利用特大型吊车,免除了其他大型运输设备的投入,降低了运输成本。但此运输方式对运输道路的地基处理要求较高,对吊车的疲劳磨损也较大,因此尽量避免较长距离的运输。
6.3特大型吊车的搬移
特大型吊车在工作半径50m时,额定载荷仍有1280t,再加上前后履带车间的40m长度,每次搬移距离理论上可以有180m。与吊车带载行走的运输方式相比,这种运输方式可以缩短吊车带载行走的距离,从而减少对吊车的疲劳磨损,但这种运输方式有不利点:
(1)需要占用较大的运输场地和道路,以满足吊车的移动、回转和模块的临时放置。
(2)需要设计模块的临时放置支架。
(3)吊车需多次作回转运动、装卸配重块、空载行走,运输时间较长。
7结论
AP1000模块化施工设计是合理可行的,但由于模块化施工的要求及其特殊性,在施工开始前,需要特别关注钢壳模块和大型结构模块的施工规划问题,包括场地条件、运输道路、制造厂和组装区的位置和结构设计、运输方式、运输支架、吊车的使用、施工工期等,应该较早地确定合理的施工方案。在条件可行的情况下,尽可能将钢壳模块制造厂和大型结构模块组装区布置在距施工区较近的位置,以缩短运输距离;充分利用特大型吊车的吊装和运输能力,以减少其他大型运输设备的投入,降低施工成本。（作者：魏俊明,刘琼,孙坤）
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[摘要]即将在我国首次建造的AP1000第三代先进压水堆核电机组将大规模采用模块化的设计、施工技术。从施工角度看,AP1000的模块分为钢壳模块、大型结构模块、小型结构模块和设备模块,其中钢壳模块和大型结构模块的运输和吊装是施工的重点和难点。文章对模块化的施工情况进行了分析,重点分析了钢壳模块和大型结构模块的吊装和运输问题,为AP1000的模块化施工提供了思路和借鉴。
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[关键词]AP1000;核电厂;钢壳;模块化施工
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AP1000是美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术,2009年将在浙江三门和山东海阳相继开工建造。与传统的第二代压水堆核电以及常规火电设计技术相比,P1000的设计大量采用了模块化。模块化是一种先进的设计理念,它的最大优点是可以通过减少在现场的施工量而缩短核电的建设工期,同时,采用模块化后,大量的施工工作在制造厂完成,可以更好地保证施工质量。然而,大规模的模块化在提供各种便利的同时,却增加了施工的难度,一些模块的大型化给运输和吊装工作带来了较大的风险和挑战。如何有效地组织和规划AP1000的模块化施工工作,已成为工程参与各方关注的热点和重点。
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1AP1000模块分类
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在西屋公司AP1000的设计中,将模块分为了结构模块和设备模块2类。结构模块由各种型钢焊接连接而成,制作较简单,尺寸和体积大小不一,安装就位后作为核岛建筑结构的一部分,每台机组有108块;设备模块由设备、管道、仪表、阀门、支架以及固定用的型钢等组合而成,制作较复杂,精度、质量要求也高,但尺寸和体积相对较小,安装就位后作为工艺系统的一部分,每台机组有70块。除了这2类模块外,AP1000设计中还有1个特殊的结构———钢安全壳,它由多块大钢板焊接而成,可以看作是由另外1种模块类型———钢安全壳模块(简称钢壳模块)组装而成。
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各种模块的大小和形状都不相同,施工的方法和难易程度也不同。为便于从施工的角度对模块进行讨论和研究,此处将AP1000模块划分为4类:钢壳模块、大型结构模块、小型结构模块和设备模块。钢壳模块和大型结构模块的体积比较庞大,重量大都超过了100t,其运输和吊装也比较困难;小型结构模块和设备模块的体积相对较小,重量都不超过20t,其运输和吊装相对比较容易。
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2钢壳模块和大型结构模块
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2.1钢壳模块
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2.1.1AP1000钢安全壳
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安全壳是核电站反应堆厂房(核岛)的外部密封结构,它包容1回路系统带放射性物质的所有设备,以防止放射性物质向外扩散,是核电站最关键的安全构筑物之一,目前核电站核岛安全壳采用的都是混凝土筒墙结构。为满足非能动设计要求,AP1000的设计为钢安全壳,整个安全壳共由约260块、平均尺寸约3.8m10m、平均厚度约44mm的弧形钢板焊接而成,总高度约66m,直径约40m,顶和底为椭圆形的封头,中间柱形筒体约43m,安全壳的四周墙体上还有一些贯穿件孔、支架、门孔、其他附件等,全部组装完成后的重量约3360t,结构如图1所示。
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2.1.2钢壳模块
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由于钢安全壳的整体焊接工作量大,为避免其直接在现场施工导致的核岛整体施工工期的延长,将钢安全壳切割划分为5个模块,分别为顶封头、底封头、中间柱形筒体3个环段,如图2。每个模块的直径约40m,高度都超过了11m,重量都超过了500t(最重的超过了700t)。5个模块在制造厂制作完成后,再分别运输到现场焊接组装。
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2.2大型结构模块
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大型结构模块的体积和重量都比较大,每台机组有12个,结构和形状各不相同。图3和图4是其中2个典型的大型结构模块,模块1的尺寸为25m29m26m,规模相当于1座7层高的楼房,重量达450t;模块2的尺寸为36m12m11m,重量155t。
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由于受运输条件的限制,大型结构模块只能先分割成几个便于运输的子模块,在制造厂内进行子模块的制作,制作完成、运输到现场组装区后再组装成大型结构模块。
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3AP1000模块化施工
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在常规的模块施工中,施工安排的基本方法为:模块在施工现场外的制造厂制作→从制造厂到现场施工区的运输→现场施工区吊装(安装)就位。
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AP1000小型结构模块和设备模块的施工方法可与常规的模块施工方法相同,但对于钢壳模块和大型结构模块,由于受模块尺寸和运输条件的限制,无法直接采取上述方法,只能采用下述的施工方法:
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3.1钢壳模块施工
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在施工区附近、现场场区内规划合适的位置;设计建造钢壳模块制造厂;制作钢壳模块;运输到施工区吊装点;用特大型吊车吊装就位。
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3.2大型结构模块施工
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大型结构模块的子模块在施工现场外的制造厂制作;子模块从制造厂到现场大型结构模块组装区的运输;子模块在组装区组装成大型结构模块;大型结构模块运输到施工区吊装点;用特大型吊车吊装就位。施工方法如图5所示。小型结构模块和设备模块体积小、重量较轻,国内也有此方面成熟的制作、运输、吊装技术和经验,施工难度不大。
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4钢壳模块和大型结构模块的吊装
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为满足AP1000重件设备的吊装需要,核电站在建设期间将从国外采购2000t级的特大型吊车,吊车的主臂长104m,起吊重量大,覆盖范围广。特大型吊车的引进也为钢壳模块和大型结构模块的运输和吊装提供了方便,结构复杂、体积庞大、重量较大的钢壳模块和大型结构模块可以用2000t级的特大型吊车顺利地吊装就位。图6和图7分别是利用特大型吊车进行吊装作业的示意图。
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5钢壳模块和大型结构模块的运输
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可采用的运输方式有3种:平板车运输、特大型吊车带载行走和特大型吊车的搬移。
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5.1平板车运输
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单列平板车的宽度只有3m,而且载重量有限,因此需要使用多列双车运输,形式如图8、图9。
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5.2特大型吊车带载行走
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特大型吊车的底盘是履带式结构,具有一定的吊载着重物移动和行走的能力。如果钢壳模块制造厂距离现场吊装点较近,且满足吊车的行走要求,则可以采用此方式运输。
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5.3特大型吊车的搬移
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为避免长时间带载行走给吊车造成的较大磨损,可以考虑大吊车搬移的方式进行运输。可以通过几次吊装移动将模块运输到施工区吊装点,如图10。
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63种运输方式的比较分析
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6.1平板车运输
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这种运输方式需解决的关键问题是2辆车的协调,2辆车之间的速度、转向必须协调一致。因此对平板车的车况、平板车的电算化操作、运输道路的平整度要求较高。不过,就目前的施工技术以及液压运输平板车和电算化技术的发展状况看,这种运输方式理论上应该是可行的,而且适合较长距离的运输。但是,对于AP1000的大型模块,尤其是大型结构模块的运输,尚存在较大的风险,原因如下:
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(1)这种运输方式还不是比较成熟的施工技术。目前,国内尚没有采用这种方式进行运输的案例,直接将这种技术应用到要求较高的核电施工领域,而且运输结构庞大的大型模块,依靠国内目前的力量和技术,其可行性值得商榷。
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(2)运输底盘支架设计的工作量大且较困难。大型模块的形状不规则,运输支架的设计、制作难度很大。而且模块各不相同,相互之间没有可借鉴性,这就增加了运输底盘支架的设计难度和工作量。
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(3)运输过程中模块的稳定性差。大型模块普遍存在高度较高、底面积较小,尤其是大型结构模块,从上面举例的2个大型结构模块的结构尺寸可以看出,很难达到比较理想的稳定性运输结构。
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(4)运输成本较高。大型平板车、底盘支架等的投入,必将增加大量的运输成本。
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特大型吊车在工作半径50m时,额定载荷仍有1280t,再加上前后履带车间的40m长度,每次搬移距离理论上可以有180m。与吊车带载行走的运输方式相比,这种运输方式可以缩短吊车带载行走的距离,从而减少对吊车的疲劳磨损,但这种运输方式有不利点:
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(1)需要占用较大的运输场地和道路,以满足吊车的移动、回转和模块的临时放置。
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(2)需要设计模块的临时放置支架。
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(3)吊车需多次作回转运动、装卸配重块、空载行走,运输时间较长。
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7结论
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AP1000模块化施工设计是合理可行的,但由于模块化施工的要求及其特殊性,在施工开始前,需要特别关注钢壳模块和大型结构模块的施工规划问题,包括场地条件、运输道路、制造厂和组装区的位置和结构设计、运输方式、运输支架、吊车的使用、施工工期等,应该较早地确定合理的施工方案。在条件可行的情况下,尽可能将钢壳模块制造厂和大型结构模块组装区布置在距施工区较近的位置,以缩短运输距离;充分利用特大型吊车的吊装和运输能力,以减少其他大型运输设备的投入,降低施工成本。（作者：魏俊明,刘琼,孙坤）
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