中国核工业二三建设有限公司 山东荣成 263400
摘要：本文以国产第三代CAP1400核电堆型的SC模块现场拼装为研究对象，简要阐述了对SC结构在拼装阶段的防变形控制进行理论的研究分析，并制作出能控制SC结构拼装变形的工装，在进行拼装模拟试验进行运用，通过模拟件试验进行验证，得出防变形工装的控制效果，并通过优化工装设计，指定出最佳的拼装防变形的控制措施，同时可为后续核电堆型同类结构的拼装控制提供些许借鉴和参考。
关键词：现场拼装；防变形；工装设计
0引言
CAP1400作为世界首台，国内首座单台装机容量140万千瓦核电堆型，CAP1400核电站的安全性、可靠性和经济性与屏蔽厂房息息相关，屏蔽厂房具有辐射屏蔽、飞射物防护、非能动冷却、抵抗龙卷风和地震事件等主要功能，是核电站抵抗内外部事故最重要的构筑物之一。现有各种堆型的核电站在具有类似功能和结构的安全壳或安全厂房的设计上，均采用钢筋混凝土或内衬钢衬里的混凝土结构，建造技术日趋成熟和完善；为了进一步提高反应堆厂房抵抗内外部事故的能力，我国在引进、消化、吸收美国AP1000核电技术的基础上进行再创新，降CAP1400核电站屏蔽厂房包围钢制安全壳的屏蔽墙设计为钢板混凝土结构（SC结构）。
1工程概况分析
1.1SC模块简介
屏蔽厂房钢板混凝土复合结构（以下简称SC模块），整体位于CV筒体外侧，两者间距为1385mm。SC模块由内、外墙板及内部构件组成，单个模块的高度在2550～3000mm之间，模块在不同的位置夹角不同，最大角度为30°，模块墙厚为1100mm。拼装后模块的内墙板的半径为22885mm，外墙板的半径为23985mm。
.png)
图1：SC模块整体示意图
根据SC模块的内部结构分为以下几类：
类型1：钢板加厚、对穿钢筋加密区段，钢板厚度25mm，钢筋间距150mm；
类型2：对穿钢筋加密区段，钢板厚度20mm，钢筋间距150mm；
类型3：对穿钢筋非加密区段，钢板厚度20mm，钢筋间距450mm；
类型2/3：对穿钢筋加密/非加密区段。钢板厚度20mm，钢筋间距150mm和450mm。
SC模块的坡口形式为V型坡口，相邻模块环焊缝组成的坡口角度为45°，相邻模块纵焊缝组成的坡口角度为为50°。焊缝在焊接时按照相关的技术要求实现全熔透焊接，焊接完成后对焊缝进行20%超声波检测，并最终满足模块的尺寸公差和项目预期技术指标。
1.2防变形的目的
CAP1400核电站SC模块为双面板结构，面板间用对穿钢筋进行连接，易产生柔性变形，在模块拼装过程中易产生变形。本项目通过对SC模块的结构特点和拼装过程中技术要求的研究分析，制定出防变形相关的工艺方法并制作出配套的防变形工装，减小SC模块在拼装过程中的变形，使SC模块在拼装完成后满足相关的技术参数；同时为后续SC模块拼装过程中的防变形控制措施、技术参数的采集方法提供参考。
1.3 SC模块拼装的变形分析
根据SC模块的结构特点和焊缝形式，模块的变形基本分为以下几种：
1)缩短变形
SC模块主体焊缝存在纵焊缝和环焊缝两种形式，在焊接这两种焊缝时模块分别会产生环向和纵向的收缩，易造成焊接后模块整体弧长和高度超出设计值。
2)角变形
SC模块的坡口形式为V型坡口，由于焊缝截面形状上不对称性，造成焊缝在焊接完成后坡口根部和坡口外侧的变形情况不一样，焊缝焊接位置存在向内凹的现象。
3)扭曲变形
SC模块的外形尺寸较大，内墙板的半径22885mm，外墙板的半径23985mm，在拼装组对过程中由于不同位置的组对错边量不同、焊接顺序和焊接方向不同，会导致模块的焊缝整体成扭曲变形。
基于上述问题，在SC模块拼装过程中采用合理防变形工装和拼装工艺以实现模块的变形控制，并最终应用于正式工程。
1.4工程技术要求
CAP1400屏蔽厂房外露筒体采用钢板混凝土结构（即SC结构），整体结构与CV筒体间距为1385mm，筒体厚度为1100mm；两侧钢板采用Q345B钢材，钢板厚度为20mm（局部加厚为25mm）；内部填充混凝土，混凝土标号为C55。
SC结构分为连接区域（1、7层）、1.500m~17.950m非闭合区域（2~7层）、17.950m~47.950m闭合区域（8~17层）和47.950m标高以上进气孔四大组成部分。
SC模块采用V型坡口背部带衬垫的全熔透焊接形式，现场拼装过程涉及子模块吊装、拼装、焊接等施工活动，施工难度主要集中在以下几个方面：
1）SC模块为内、外双墙板结构，墙板用对穿钢筋进行连接墙体，内部空间狭小，出现变形后不易校正；且模块的焊接形式为单面坡口焊接，焊接量大易产生焊接变形。
2）SC模块拼装精度高，如：SC模块内、外墙板半径公差为6mm。模块在制造和运输过程中会消耗掉一部分公差，在现场拼装时施工难度增大。
2防变形技术研究目的及原则
在CAP1400 SC结构制造技术的基础上，通过自主研发和创新，重点在组焊工艺、防变形控制及吊装前后变形研究、防变形工装拆除前后、子模块运输前后变形分析及控制措施、SC连接区段子模块组装焊接工艺与变形量模型研究等关键技术和核心工艺方面开展研究，研制具有自主知识产权的、创新、高效、环保、安全的SC屏蔽厂房先进技术。
通过现场拼装试验进行个阶段的数据采集，不断完善防变形工装，限于本文篇幅，仅就最终成功的方式（即最安全、操作简单、效率高的防变形工装）分别对纵、环焊缝的试验进行阐述。
3施工工艺流程
3.1试验材料及设备
试验模块3块，类型3模块2块。类型2模块1块：材质Q345B，之间进行焊接连接，形成3m纵焊缝共计两条，形成11.989m、12.536m环焊缝各一条（模拟焊缝）。规格详见下表1
.png)
防变形工装：环焊缝和纵焊缝个一套工装。
3.2拼装、焊接施工工艺
3.2.1 SC模拟件拼装工艺
SC模拟件由上、下两层模块拼装而成，拼装过程中先进行下层组件纵焊缝的组对、焊接，再进行第二层模块环焊缝的组对、焊接。
3.2.2 SC模拟件焊接工艺
SC模拟件焊缝采用背部带垫板的单面V型坡口全熔透焊接形式（如图2），焊接方法为手工电弧焊（SMAW），焊材选择E7018的焊条。
.png)
图2：SC焊缝坡口形式
3.3拼装过程变形控制
SC结构的外形尺寸大，墙体结构为双面板结构，中间用钢筋连接，易产生柔性变形，调整难度大。焊缝的焊接形式为单面坡口焊接，焊接过程中易产生向内的变形。因以上设计给出的公差值为预制、拼装、安装的总公差，考虑到模块在预制和运输过程中会产生一定的公差，导致现场拼装的精度相应的提高。针对拼装过程中产生的变形，采用以下措施进行调整。
1)纵焊缝变形控制
现场模块拼装时纵焊缝采用如图3的防变形工装进行变形控制，防变形工装从模块上方引入到焊缝位置。
.png)
图4：环焊缝防变形工装
3)扭曲变形的控制
SC模块的弧长较长，部分模块内部结构非对称的，且是双面板结构在吊装就位和点焊前会出现扭曲的变形，为减小此变形特采取如下措施。
?利用下图5的组对工装进行焊缝的变形
.png)
图6：斜铁和马板
4)合理的焊接顺序
SC模块焊接时采用合理的焊接工序，将影响着模块的变形。焊接时采用内、外两条焊缝对称焊接，焊接速度尽量保持一致。同一条焊缝画成小工位进行分段退焊，焊接时采用合理的电流参数，控制层间温度，减小因热输入产生的变形，以此控制焊接过程中的产生的变形。
4结论
通过一系列的模拟件焊缝试验以及对试验结果的分析，可得出以下结论：
1)模拟件拼装过程的测量半径（±6mm）、水平度（±3mm）、墙厚（0，+6 mm）、组对间隙（4～12mm）、坡口位置的错边量（较薄板厚的10%，且不大于3mm）的变化趋势及采用相关防变形措施后的结果进行分析，模拟件拼装过程中使用的拼装工艺满足现场施工需求。
2)模拟件纵、环焊缝目视及超声波检测结果均满足设计要求，合格率100%，可分析出背部带垫板的单面V型坡口全熔透焊接形式及相关的焊接工艺满足现场焊接施工需求。
3)从模拟件五个测量阶段的数据对比可看出，打底焊后、填充焊10mm的两阶段数据变化较小在2mm范围内，SC正式工程施工时可取消，只在点焊前、点焊后、焊接完成三个阶段进行数据采集。
4)SC设计图纸中的设计偏差，属于预制、拼装、安装三个阶段总要求，如上阶段模块出现较大偏差时，给下一阶段施工带来较大影响，易出现不能满足现场设计要求的现象。通过合理的拼装顺序、增加不同防变形工装、合理的焊接顺序和工艺规程，按照以上要素进行拼装，并通过现场试验，最终设计偏差可以满足设计要求。
5)从SC结构的拼装工艺流程和施工中控制要点进行分析和阐述，保证现场施工顺利的进行，同时也为后续其他项目的SC结构的拼装提供一定的技术参考依据，类似的结构模块也可参考使用。
参考文献
[1]钢结构设计规范GB 50017-2003
[2]混凝土结构设计规范GB 50010-2010
[3]吕仲，韩巧珍.钢结构焊接变形控制[J].电焊机，2011（08）
论文作者:郭宇1,吴硕2,马亚宁3,翟志创4
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/16
标签：模块论文; 工装论文; 结构论文; 钢筋论文; 钢板论文; 过程中论文; 现场论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;