某核电站钢衬里穹顶拼装变形控制技术马富巧 蒋其孟 孙志红 （中国核工业华兴建设有限公司，南京 210019） 摘 要：某核电站钢衬里穹顶整体吊装需进行地面拼装，通过建立力学模型分析拼装变形量，然后采用塔架组合支撑调节系统对穹顶进行反变形处理，采用防变形工装及合理的焊接顺序等技术进行穹顶拼装过程中的变形控制，保证了拼装后穹顶整体结构尺寸满足设计要求。 关键词：钢衬里；穹顶；拼装；变形控制 根据国家核电中长期发展规划，预计2030年末核电装机规模将达到（1.2～1.5）×108kW，核电发电量占比提升至8% ～10%。根据发展规划，每年将建造5～6台新核电机组。核电站建造中模块化施工技术的应用会越来越广泛。钢衬里穹顶为薄壁壳体结构，是核反应堆厂房安全壳钢衬里的一部分，也是核电安全的重要屏障。为了满足穹顶整体吊装模块化施工技术的实现，需在核岛现场进行拼装［1－2］，拼装过程中产生的变形会造成整体结构尺寸超差，无法保证就位后的结构尺寸满足设计要求。鉴于ANSYS有限元软件已经越来越成熟地应用于分析结构的变形、应力和稳定问题［3－4］，本文以某核电站穹顶拼装施工为工程依托，基于有限元软件ANSYS，对穹顶拼装过程中的变形进行分析和控制。 1 穹顶拼装过程变形及成因分析1.1 穹顶在自重作用下的变形 穹顶分层各分块单元板就位后因自重作用，拼装焊接过程中的焊接应变影响，在每层装配完成后会产生半径变小，标高降低的变形现象，最终在顶部产生一定的下垂变形。 1.2 穹顶在纵向和环向焊接时变形 因车间预制、吊装等原因，就位后的穹顶分块单元板间存在不同程度的变形，两块板之间存在缝隙，拼装时贴合不紧密，焊接时会产生较大的变形；每层穹顶板上口弧形区域因拘束度小，纵缝焊接时导致穹顶板上口产生波浪变形，增加了环缝组对和焊接难度。 2 变形控制技术2.1 塔架组合支撑系统调节及反变形处理 2.1.1 塔架组合支撑调节系统的建立 穹顶拼装前，通过建立有限元模型分析计算穹顶在施工过程中的变形情况，根据计算出的区域及变形量，合理设置穹顶拼装塔架支撑调节系统的位置及每一层的反变形调节值。 穹顶变形采用ANSYS软件进行计算，有限元模型如图1所示。衬里板采用壳单元Shell 281，衬里角钢采用梁单元Beam 189，两者均为高次单元，考虑重力荷载与焊接变形，根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》［5］，计算变形时采取荷载标准值，重力荷载标准值取 76.93 kN/m3，焊接应变 ε取0.001，焊接应变初始应变加载于衬里板焊缝拼接处，壳体底部节点为固定约束。经计算，结构变形如图2所示。  图1 三维整体结构模型  图2 穹顶分层拼装后变形云图 mm 根据穹顶有限元模型的分析，在拼装过程中穹顶4层上口变形量最大，最大值为27.5 mm。针对变形及应力分析，合理布置塔架组合支撑调节系统，如图3所示，塔架组合支撑调节系统设置于第2～4层穹顶板上口及第3层中部易出现较大变形的位置处。  图3 塔架组合支撑调节系统布置示意 2.1.2 穹顶反变形调整 根据建立的穹顶有限元分析模型，穹顶4层上口区域附近将存在最大27.5 mm的变形，2层上口附近区域将存在18.4 mm的变形，3层中部存在15.3 mm的变形。为保障穹顶整体尺寸的偏差要求，在穹顶分层拼装过程中对穹顶2层顶部、3层中部和顶部及4层采用塔架支撑调节系统承力，在2层及3层上口采取了预抬高的反变形措施［6］。采用可调节支撑实现抬高值的设置，可调节支撑形式见图4。  图4 可调节支撑示意 针对穹顶2、3层板上口分别整体抬高20 mm和30 mm，如图5所示。为确保抬高的穹顶板能满足实际拼装要求，需在穹顶板上口和其右侧位置各增加50 mm余量。穹顶反变形示意见图5。  图5 穹顶2、3层反变形示意 考虑穹顶拼装顺序，以穹顶2层为例，对其上口区域进行跟踪测量，其设计值、调整值及最终成形值如表1所示。 通过3层穹顶板上口标高数据的跟踪测量，发现穹顶 3层板上口整体下沉的高度平均为13.5 mm，最大值为24 mm，与穹顶有限元分析模型的模拟变形量偏差为6 mm左右。 2.2 变形调节及焊接变形控制工装的应用 由于分块单元板构件在车间加工后，四边缘外口存在较大的变形，影响现场的拼装尺寸控制。为了提高分块单元板组对精度，降低焊接变形量，在分块单元板切割组对前，需对存在的变形予以校正调节。结合穹顶拼装的结构构造，设计了组对变形调节工装，工装结构示意如图6所示。 在相邻穹顶板拼装焊缝区域，增设纵向工艺角钢，增大焊接区域钢板强度，减小焊缝区域焊接变形。为了降低穹顶板上口产生的波浪变形，提高穹顶环缝拼装质量及穹顶局部几何尺寸，纵缝焊接时，于穹顶板上、下口及环向加劲角钢位置加设弧形靠板进行刚性固定，以减少波浪变形。工艺角钢及弧形靠板刚性固定防变形示意详见图7。 工艺角钢加设前后的角变形对比数据见表2。由表2可知，防变形工艺角钢的加设，可有效地降低焊缝处的角变形。 2.3 焊接顺序的控制 因穹顶板预制等原因导致穹顶分块单元板弧度存在偏差，拼装组对过程中采用自制工装进行校正、组对，导致部分区域组对应力较大，焊接时易产生错边、鼓包等缺陷［7－8］。 为此，可在施焊时采用“跳焊＋分段退焊”的工艺顺序，如图8所示，先焊接a、b组对应力较大区域，再整体采用分段退焊方法进行施焊。 表1 穹顶二层上口标高及半径测量反变形标高调节前后对比  序号 设计值 调整值 拼装完成后半径/m 标高/m 半径/m 标高/m 半径/m 标高/m 沉降值/mm 1 10.35 8.690 10.336 8.708 10.336 8.693 15 10.35 8.690 10.336 8.713 10.336 8.706 7 3 10.35 8.690 10.336 8.710 10.336 8.799 11 4 10.35 8.690 10.336 8.714 10.336 8.690 24 5 10.35 8.690 10.336 8.705 10.336 8.683 22 6 10.35 8.690 10.336 8.717 10.336 8.705 12 7 10.35 8.690 10.336 8.712 10.336 8.707 5 8 10.35 8.690 10.336 8.712 10.336 8.694 16 9 10.35 8.690 10.336 8.714 10.336 8.708 6 10 10.35 8.690 10.336 8.708 10.336 8.699 9 11 10.35 8.690 10.336 8.713 10.336 8.695 18 12 10.35 8.690 10.336 8.717 10.336 8.708 9 13 10.35 8.690 10.336 8.710 10.336 8.700 10 14 10.35 8.690 10.336 8.712 10.336 8.699 13 15 10.35 8.690 10.336 8.706 10.336 8.685 21 16 10.35 8.690 10.336 8.713 10.336 8.698 15 17 10.35 8.690 10.336 8.717 10.336 8.704 13 18 10.35 8.690 10.336 8.718 10.336 8.711 7 19 10.35 8.690 10.336 8.711 10.336 8.692 19 20 10.35 8.690 10.336 8.710 10.336 8.692 18平均值 10.35 8.690 10.336 8.716 10.336 8.693 13.5 2  图6 组对变形调节工装结构示意  图7 工艺角钢及弧形靠板刚性固定示意  图8 纵缝焊接顺序 环缝焊接时，先把丁字口区域焊缝外侧焊接结束后，再统一进行环缝焊接。环缝焊接由数名焊工均布在焊缝圆周上，进行分段退焊，退焊长度为500 mm左右，环缝焊接顺序如图9所示。 THE DEFORMATION CONTROL TECHNOLOGY FOR ASSEMBLING OF STEEL LINER DOME OF A NUCLEAR POWER STATION Ma Fuqiao Jiang Qimeng Sun Zhihong ABSTRACT：The steel liner dome of a nuclear power station should be assembled on the ground before hoisting.The deformation of the dome was analyzed by building a mechanical model.The reversible deformation was conducted to the dome by using the tower combination supporting adjustment system.The techniques of anti-deformation tooling and reasonable welding sequence have been used in the process of assembling in order to control the deformation of the dome，so the overall structure dimension of the steel dome could meet the requirements of design. KEY WORDS：steel liner；dome；assembling；deformation control 表2 工艺角钢加设变形对比 mm  组别 工艺角钢（有） 工艺角钢（无）焊接前 焊接后 角变形量 焊接前 焊接后 角变形量1 0 8 8 0 15 15 2 0 11 11 0 19 17 3 0 6 6 0 12 12 4 0 9 9 0 21 21 5 0 10 10 0 17 17 6 0 8 8 0 20 20 DOI：10.13206/j.gjg201701020 第一作者：马巧富，男，1971年出生，工程师。 Email：mfq1990＠126.com 收稿日期：2016－09－14 |
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