AP1000 CA03模块防变形支撑设计分析

【摘要】CA03模块是安全壳内置换料水贮存箱的重要组成部分，是由双向不锈钢构成的半圆弧形单板墙体模块，整体刚度小，在模块组装运输吊装过程中容易发生变形。由于核岛施工空间狭小调整困难，如果安装就位后产生变形，将对后续施工以及换料水贮存箱建造质量产生很大影响。本文将对CA03模块防变形支撑设计及其必要性、可行性和有效性进行详细介绍。

【关键词】ap1000；ca03；模块化；防变形支撑。

0、引言

AP1000安全壳内置换料水箱（In-Containment Refueling Water Storage Tank， IRWST）位于安全壳内运行平台下方，它是一个安全C级，抗震I类设备 [1]。IRWST属于非能动堆芯冷却系统的一部分，同时它还是安全壳内部结构的重要组成部分。在设计与建造的过程中，并不按照一个独立的设备来进行设计和制造，它是由结构模块组合而成，按照美国ACI349和AISC N690规范来进行设计和建造。IRWST底部为混凝土结构上内衬的一层双相不锈钢，侧面由CA03结构模块、CA02结构模块与CA01结构模块的一部分组成，顶部为组成135’3”运行平台的楼板结构模块，IRWST各组件模块位置如图1所示。

CA03结构模块作为IRWST的一部分，由17个A240-S32101双相不锈钢的单板墙结构子模块组成，呈半圆弧形结构，弦长为35.48m，弦高为14.48m，高度为12.75m。模块就位的底标高为96’，顶标高为138’6”，CA03模块外形图如图2所示。

1、防变形支撑设计的必要性

CA03模块为单板大型半弧形结构，钢板只有5/8”厚，弦长超过35m，重心位于弧形内，内部无相互牵制的加强筋结构，结构非常不稳定，而且其迎风面大，极易在运输、吊装时发生薄板变形。

按照技术规格书要求，CA03模块在施工过程中以Datum Point 基准点（以下简称DP 点）来控制误差，其中DP09（第9个子模块的DP点，简称DP09，以下同）在X-Y平面的误差为±3mm，其它DP点的误差为±13mm，平面度和垂直度的误差为±13mm，CA03模块DP点分布如图3所示。CA03模块的弦长超过35m，且CA03结构材料为刚性小易变形的双相不锈钢，要在CA03模块预制、现场拼装、运输、吊装过程中将整体误差控制在13mm范围内，是非常困难的。

AP1000三门1号机组CA03在运输和吊装过程中，没有采用防变形支撑工装，吊装就位后，对 CA03模块进行整体测量后发现，部分子模块DP 点位置坐标超出设计允许偏差范围，DP17在X 方向的最大偏差为27.5mm，实际表现为模块两自由端向圆弧内收缩。经过核岛内长时间调整，仍未能达到设计要求，后经设计方评估原样接收，但对核岛土建施工关键路径造成了很大的影响，且增加了大量的调整和检测费用。

因此，CA03模块吊装过程中的防变形支撑设计研究是AP1000模块化施工的关键技术之一。

2、防变形支撑设计

2.1 CA03模块应力分析

对无任何防变形支撑情况下吊装的CA03模块进行有限元分析，计算得出在无任何防变形支撑情况下，在吊耳位置和上下水平支撑板位置存在较大应力，最大应力为232MPa，CA03模块位置向内收缩的最大变形处位于两端支腿的底部，两端支腿底部的最大变形量为48mm，有限元分析结果如图3所示。

综上所述，针对CA03模块的吊装，需要在模块组装完成之后增加防变形支撑以减小模块的变形，并改善模块的应力分布。

2.2 防变形工装的设计前提

根据有限元分析得到的CA03模块无任何防变形支撑吊装情况下的应力分布图及模块变形量的分析，需设计防变形支撑对模块采取加固措施，设计时应遵循以下三个原则：

（1） 防变形工装的设计，要能够满足就位的要求，工装安装位置和设计需要考虑到CA03 吊装就位时不与CA01和CV2环加强圈冲突；

（2） 防变形工装的设计强度要能够起到防止CA03 模块在吊装过程中变形的作用；

（3） 防变形工装的设计和材料选择要易于在现场制作、安装和移除。

2.3 防变形支撑设计方案

根据在无防变形支撑情况下吊装CA03模块的有限元分析，并结合现场的实际可操作空间等情况，确定防变形支撑的设计分为上、中、下三层，连接形式均为焊接。

上层先用槽钢对整个模块内圈进行加固，再用16#槽钢与H

型钢构成桁架对模块上部构成一个支撑。

中层先通过两根H 型钢对模块下部构成支撑，再通过两根H 型钢斜撑与上层支撑构成整体。

下层由槽钢和角钢构成，位于支腿下端部上方470mm和1200mm，由槽钢对各支腿内侧进行加固，中间通过角钢进行加固处理。

2.4 工装的材质选用

考虑到现场加工及安装的方便性，现场CA03 模块的防变形工装选用了H 型钢、槽钢及角钢的组合。H 型钢材质为Q235， 型号选用HW200×200×12×8；槽钢选用Q235材质的16#热轧槽钢；角钢选用7.5#热轧等边角钢。根据型钢的长细比设计计算，每根H 钢构件最长不超过7485mm，槽钢不超过2730mm，角钢不超过2205mm。图4 所示的防变形工装上中下水平结构中，最长的H 型钢、槽钢、角钢的长度分别约为5300mm、2700mm、1500mm，均满足设计要求。

为避免碳钢型材对CA03 双相不锈钢材质造成污染，所有型钢与不锈钢连接处均加装12.5mm 厚的双相不锈钢连接板（主要规格为500×300mm），首先将连接板焊接在各子模块的工装设计位置，再将型钢焊接到连接板上。

2.5 防变形工装的有限元分析

根据风载的大小及方向，将CA03模块的吊装工况分为四类：Ⅰ类无风载，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类的风载方向如图5所示。针对各种不同工况，利用有限元分析进行线性屈曲计算和线性结构受力计算。根据现场吊装限制条件要求，输入条件为：风载3 级，风速5.4m/s，风压18.23N/m2。有限元分析的模型重为223t，其中CA03模块重为196t。

经过有限元分析计算，得出各种工况边界条件下CA03模块本体和防变形支撑所承载的最大应力以及CA03模块的最大位移量如表1所示。

从表中的数据可以看出，在最不利的工况III下吊装，CA03承载的最大应力小于模块本体材料双向不锈钢A240-S32101的许用应力334.46MPa，防变形支撑承载的最大应力小于防变形支撑材料Q235B钢的许用应力175MPa，CA03模块的最大位移量为-12.1mm。在该工况下CA03模块和防变形支撑的应力分布和整移如下图7所示。

增加防变形支撑后，吊装过程中产生的应力主要分布在上部的水平防变形支撑上，而不是CA03模块本体上。从上述有限元分析结果可以得出结论，防变形支撑在保证吊装安全的前提下，可以明显地改善吊装过程中产生的应力分布和有效地控制CA03模块本体的变形量。

3.防变形支撑的应用

该防变形支撑设计用于海阳1号机组CA03模块吊装过程。按照设计要求，CA03模块通过控制DP01、DP09和DP17的位置来实现就位，其中DP09为主控制DP点。海阳1号机组CA03模块在增加防变形支撑后整体吊装进入核岛，就位后的测量数据如下表2。

从表中的测量数据可以看出，主控点DP09和 DP01的位置控制在误差范围内，DP17有少量偏差，但对IRWST整体水容积影响很微小，能够满足设计对IRWST整体水容积的控制要求。

结束语

AP1000核电技术的特色之一就是模块化施工，模块化施工与传统的混凝土钢结构施工方法相比，在节约成本和缩短建造周期等方面有着无可比拟的优势[2]。但模块化施工也存在一些需要克服和解决的问题，如大型模块的吊装，模块在组装、运输和吊装过程中的防变形控制，模块的焊接控制、公差控制等[3]。本文对CA03模块的防变形支撑设计及其必要性、可行性和有效性进行了阐述，为其它大型结构模块的防变形支撑设计提供借鉴，从而确保AP1000及后续项目模块化施工的顺利进行。

参考文献

[1] 林城格，郁祖盛，欧阳予.非能动安全先进压水堆核电技术.原子能出版社， 2008.08.

[2] 徐天，魏俊明. AP1000核电机组的大型模块施工的难点分析.2010中国核电产业科技创新发展论坛论文集，2011.11.

[3] 魏俊明，刘琼，孙坤. 第三代压水堆核电机组APl000的模块化施工分析. 电力建设，2008，29.