重要海水冷却系统水下混凝土闸板处理方案研究

杨亚辉 亢新芳

摘要：某核电厂的排水虹吸井内有一块混凝土闸板影响海水系统检修隔离安措的建立，需要将其清除。为了将其安全的从水下清除，通过制定合理的方案，并通过模拟试验验证，最终获得安全可靠的水下钻孔（切割）加吊装这一合理可行的方案并成功实施。文章对水下钻孔、切割作业方案的制定和选择做了总结，该方案对于今后类似水下作业工作具有较大的借鉴意义，具有较大的推广价值。

关键词：水下；混凝土闸板；钻孔；切割；吊装

某核电厂1#机组停机大修，在实施重要海水冷却系统（简称“RSW”系统）排水口海水隔离安措时发现排水虹吸井的闸槽内存在异物，隔离海水的钢闸板安装后海水依然大量漏入，导致主隔离安措不能生效，RSW系统出口侧水平段管道及阀门检修工作无法按计划安排。

经潜水员水下检查后确认：RSW系统排水虹吸井闸槽内有一块混凝土闸板。混凝土闸板如图1所示。由于混凝土闸板淹没水下近10年时间，其结构完整性、附属金属构件腐蚀程度、闸板周围泥沙淤积等情况不明，因此需要制定完善的工作方案将其妥善处理，为后续的检修工作提供安措。

1. 基本情况介绍

1.1 闸板本体构造

经过查阅关于排水构筑物历史资料、走访知情人士及潜水员下水探摸后，确认闸槽内有一块混凝土闸板，其规格尺寸为：3250×500×2000（宽×厚×高，单位mm），结构形式如图1所示。调查了解到该混凝土闸板为核电厂海水系统建设期间安装，作为设备安装期间的安全措施，在RSW系统充水之后就不再发挥作用。在RSW系统施工期间，曾在闸板与闸槽之间填塞有千斤顶、油麻、橡胶等，以增加闸板的密封止水效果。

图1 混凝土闸板结构图

1.2 现场条件

RSW系统与循环冷却水系统（简称“CCW”系统）共用一个排水口，两台机组的两个排水虹吸井之间是相互连通的，排水虹吸井与杭州湾连通。根据系统配置，在RSW系统检修时CCW系统正常运行，CCW系统排水量为1.3×105m3/h，RSW系统排水量为3.6×104m3/h。

受正常运行机组RSW系统及CCW系统排水、检修机组CCW系统排水、外海潮涨潮落等因素的影响，排水虹吸井内水流湍急而且呈漩涡状。杭州湾海水含沙量大，可见度差；排水虹吸井较深，达22米，闸板在排水虹吸井的最底部，淹没在海水下8米。现场条件很差，在水下处理混凝土闸板的挑战非常大。

1.3 探查情况

由于水文条件复杂，出于潜水员人身安全考虑，潜水员只探查了闸板背水一侧。探查结论为：闸槽内未发现千斤顶；闸板两侧未探摸到橡胶，底板橡胶板大部分已脱落，被水冲刷掉；混凝土闸板的吊耳，从潜水员的手感来判断，状态尚好；潜水员描述吊耳的位置与图纸基本吻合；闸槽内没有摸到其它障碍物。

2. 水下作业方案制定

根据已探明的情况，只能采用水下作业的方式清除混凝土闸板。经过组织专家讨论，确立了水下吊装或切割-吊装的思路，具体有3种可以尝试的方案。

2.1 方案一 直接吊装法

利用混凝土闸板自带的吊耳，由潜水员在水下安装吊具将闸板直接吊装出水。该方法思路简洁、操作简单易行，施工时间短。存在的隐患是：闸板吊耳材质为碳钢，而且在海水中侵泡冲刷近10年时间，其腐蚀程度不清楚，存在较大安全风险。潜水员的直观感受只能参考，不能作为绝对依据。根据金属腐蚀常识和吊装作业“十不吊”的安全原则，该方案的可行性不高。

2.2 方案二 打孔吊装法

由潜水员利用水下钻孔机在混凝土闸板上打孔作为吊装孔，然后安装销轴及吊具，再通过吊车将闸板吊装清理。该方法理论上可行，难点在于水下钻孔难度大，消耗时间长，水下作业潜水员安全风险大。同时，受潜水员水下检查的局限性，闸板整体吊装时受其他未知因素的影响，存在无法整体调出水面的可能。因此，需要对吊载做出限制。经过专家推荐，建议限制在50吨内。

2.3 方案三 水下切割逐块吊装法

方案三是建立在方案二实施后，吊运工作不能凑效的前提下，在闸板上再补钻两个吊装孔，然后将闸板与上部结构固定，最后安裝线锯进行切割，将闸板切割为三块（为倒梯形）再逐一吊出。该方法理论上可行性最高，但是实施过程冗长，作业环节多，失效的可能性增多，需要的工期长，可能会超出给定的时间造成后续检修工作被迫放弃。因此，需要进行模拟演练验证。

通过对3种方案的逐一分析和梳理，按照保守决策、纵深防御的原则，放弃执行方案一，推荐优先执行方案二，但按照方案三制定详细方案开展准备工作，并开展模拟试验验证。

3. 方案计算分析

为确定施工工艺和吊具选用的参数等，根据钢筋混凝土的力学特点及其强度发展规律设置了一个假设条件：混凝土闸板本身的强度足够大，通过选择合适的钻孔位置保证吊装孔与闸板边缘的安全距离，通过吊具传递的应力不会破坏闸板本身。通过计算得到的安全距离为：距离闸板顶部500mm。

3.1 施工工艺

（1）选取吊装孔中心离闸板顶部500mm，对称设2个吊装孔，孔径120mm。潜水员在吊装孔下部预先钻2个φ32固定孔，固定孔中心距闸板上端800mm，在孔内对应埋设2根φ28钢筋锚杆，端头焊M12螺栓，用以固定水下液压钻，之后开动钻机进行钻孔，直至穿透闸板本体。如图2示。

（2）潜水员将2根销轴（φ100）分别穿在中部的2个吊装孔上，安装好专用吊具后（如图3示），由200T吊车试吊，如能在载荷限制范围内将闸板顺畅的吊离底板3～5cm左右，则在进行安全检查之后执行方案二，如不能将闸板提高，则开始执行切割程序。

（3）用风钻将闸板底部对应割缝处混凝土进行凿除，之后，用直流弧焊机由潜水员水下割除该处闸板的角铁框及钢筋，以便穿挂绳锯。

为方便吊装，将混凝土闸板在水下竖向切割成3块，左、右两块各宽约550mm，中部宽约2150mm，中部呈倒梯形。在闸板上设两道割缝，底部割缝离闸板两端约605mm，如图2所示。

图2 闸板钻孔-切割示意图

图3 专用吊具示意图

（4）切割机动力部分由专业人员安装到闸槽上部钢平台上，由潜水员将切割绳锯安装到水下割缝处。

为防止闸板体在切割后倾倒，中部闸板体由200T吊车带紧吊缆，始终处于待吊状态，左右两侧闸板体吊装孔穿挂Φ20的钢丝绳，固定在上部平台钢梁上。

（5）启动切割机进行切割，切割过程中视情况停机检查切割情况，若切割顶部型钢时发生卡锯，则采用潜水员在水下用手持式切割工具将型钢切断。

（6）闸板切断后，先吊中部闸板，后吊两侧闸板。

3.2吊装机具设备选择

（1）起重设备

吊装物理论重量约8T，采用200T汽车吊吊装混凝土闸板，70T吊车吊装潜水员及其它设备。吊装时，按200T吊车作用50T力（490KN）控制。

（2）钢丝绳

查阅200T汽车吊技术参数，吊装物重50T时，最大吊装高度可达34.8m。拟选用钢丝绳Φ40（6×19+1），钢丝破断拉力总和1004.5KN，钢丝绳破断拉力换算系数α值取0.85，钢丝绳安全系数K取4.5。中部闸板体重约53KN。

鋼丝绳容许拉力

（3）销轴

材质Q345b（fv1=145N/mm2），长800mm，按吊装两侧闸板体计算时，销轴按两个截面计算。

销轴所受剪应力强度：

安全系数K2=145/31.2=4.65

（4）M12螺栓

螺栓受剪承重力设计值（ =250N/mm2）

钻孔机重量30Kg，重力为294N。

安全系数K3=28.26×1000/294=96

（5）卸扣

选用4个25T卸扣，卸扣轴销直径72mm，开口宽度100mm，内空高度221mm。

（6）吊具

吊具钢板材质Q345b（抗剪fv2=180N/mm2，抗拉f=310 N/mm2），长1104mm，宽220mm，厚60mm，上部吊鼻孔φ90，下部销轴孔φ110。

吊鼻孔上部抗剪切力：

安全系数K4=180/38.9=4.63

吊鼻孔两侧抗拉力：

安全系数K5=310/31.4=9.87

销轴孔两侧抗拉力：

安全系数K6=310/37.1=8.36

3.3 模拟演练

等比例预制了混凝土闸板、加工了专用吊具、选配施工机具；验证选配施工机具的效率；验证潜水员水下混凝土闸板打孔、线锯切割、安装吊装器材的可操作性及作业的效率和最佳人力配置、验证水下作业安全保障措施的有效性等。

4. 小结

在接下来的停机大修期间，按计划成功实施了方案二。在闸板起吊的瞬间起重机吨位计显示的峰值为26吨，随后回落到8吨左右。随后对混凝土闸板的检查，发现其结构完成，但其吊耳腐蚀严重，已经不能使用。通过模拟实验及实施过程，验证了方案的科学性和可行性。

通过实施水下混凝土闸板钻孔、吊装工作积累得水下作业经验，对后续类似工作直接提供了一个实用的方案，具有很大的指导和借鉴作用，有一定的推广价值。

参考文件：

1.《起重机械安全规程》（GB6067-85）

2.《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2001）

3.《起重吊装常用数据手册》人民交通出版社出版

4.《工程起重机》中国建筑工业出版社1988年12月01日出版

5.《机械设备安装工程手册》冶金工业出版社2010年11月18日出版