反应堆厂房安全壳预应力施工技术

陈戴文

（海南昌江核电厂 海南昌江）

一、工程概况

海南昌江核电反应堆厂房安全壳底标高为-13.5m，顶标高为57.2 m，反应堆安全壳结构由基础底板、筒身和穹顶三部分组成。其中，筒身和穹顶采用后张有粘结预应力混凝土结构，筒身为预应力混凝土圆柱壳，内直径φ=37 m，壁厚0.9 m；穹顶为预应力混凝土的半球形壳体，内表面半径R=24 m，厚0.8 m。安全壳预应力系统包括竖向、环向和穹顶预应力系统三部分。

（1）竖向束共有 144束，钢束类型为 36T16；水平束共有199束，钢束类型为19T16；穹顶束共有174束，钢束类型为19T16。

（2）预应力系统采用7股φ15.7 mm低松弛高级钢绞线，强度等级为1770 MPa，产品标准BS 5896-1980。钢束锚具采用柳州OVM公司生产的37K型和19K型两种锚固系统，产品标准符合技术规格书0738JT063中引用标准FIP Recommendations和JGJ 85-2002。为了保证钢绞线在孔道中不致锈蚀，在孔道内灌入水泥浆进行保护，其中缓凝浆用于所有的预应力钢束灌浆，膨胀浆用于水平预应力钢束和弯顶钢束的二次灌浆。

二、预应力材料及张拉设备

（1）钢绞线。预应力筋设计采用的是英国标准BS 5896-1980的7股φ15.7 mm的低松弛钢绞线，其性能要求为：公称抗拉强度为1770 MPa，公称面积为150 mm2，最小破断力为265 kN，延伸率≥3.5%，1000 h松弛值≤4.5%。借鉴秦山二期工程施工经验，经过比选，最终选用天津第一预应力钢丝厂生产的钢绞线。

（2）锚固系统。预应力锚固系统包括锚板、夹具、承压板、喇叭口、灌浆连接器、锚头保护盖等。本工程选用了柳州OVM公司生产的锚固系统。

（3）张拉设备。本工程采用6台YCW500H-250千斤顶，最大拉力4905 kN，最大行程250 mm，主要用于张拉水平束和穹顶束；4台YCW1000H-250千斤顶，最大拉力8945 kN，最大行程250 mm，主要用于张拉竖向束。

三、预应力施工前试验

1.摩擦试验

为有效控制钢束张拉施工质量，使安全壳得到预期的预应力效果，在预应力正式张拉前，需选择具有代表性的钢束，采用与实际张拉相同的钢绞线、锚固系统、张拉设备及张拉方法进行张拉试验，以测定孔道摩擦系数，据此确定最终张拉力。

2.灌浆试验

预应力导管灌浆的主要目的是防止预应力筋的锈蚀，保证预应力筋与混凝土结构间的有效粘结。根据预应力导管布置的特点，灌浆料采用了缓凝浆和膨胀浆2种水泥浆体。为验证灌浆设备、浆体成份及灌浆工艺是否可靠，而完全将浆体充满孔道，按照设计要求进行灌浆试验。

3.预应力施工流程

预应力导管安装随混凝土结构的施工同步进行，待安全壳混凝土强度达到设计强度后，再进行穿束、张拉、灌浆的预应力施工，是按分层段的流水作业方式进行的。

四、预应力系统施工技术

1.预应力导管施工

（1）预应力导管加工。竖向束、穹顶束采用刚性导管，水平束采用半刚性导管。在遇闸门口和某些贯穿件需以双向弯曲的导管绕开处采用刚性导管。

（2）导管连接型式。半刚性导管（即波纹管）与刚性导管，以及刚性导管与刚性导管间的连接均采用承插式接头，做法是用胀管机将刚性导管的一端扩成钟形口，连接时将导管插口端插入相邻导管的钟形口内，并在接口处用环氧树脂粘合，接口缝处外部采用遇热可收缩的套管进行密封，确保其密封性。

半刚性导管连接是将预先制作的长450 mm、φ100×0.6 mm相同波纹的套管全部拧到第一根半刚性导管上，然后将第二根导管定位，再把套管退拧到一半长度，将两根导管连接，接口缝处外部采用遇热可收缩的套管进行密封。

（3）导管安装。

①竖向管道安装。由于竖向孔道较高，钢管采用分层施工，随着安全壳筒身混凝土施工逐渐上升。根据混凝土层高度、钢衬里水平角钢的位置确定竖向接头的位置，一般以4 m（两个混凝土施工层）左右为一接头，特殊部位可根据现场实际情况将节长调整为2 m，对设备闸门处的曲线段可适当加长。

②水平管道安装。水平管道支撑在预先预制好的钢筋支架上，支架要与钢衬里加劲肋或相邻的受力筋连接牢，以免导管在结构钢筋绑扎或混凝土浇筑施工中发生移动，间距为1.5～2 m。

③穹顶管道安装。穹顶的每根导管由A、B、C三段组成，B为直线管、A为平面曲管、C为空间曲管。在环梁施工时，将B管段安装就位，待穹顶垫层混凝土浇筑后再接入C管段和A管段，在每根导管上拱段的拱顶及两侧应对称地设置排气孔和灌浆孔。

对于预应力系统的所有导管，每根导管应在安装完成后、混凝土浇筑过程中以及拆模后，均应进行通规检查，以保证导管内部的畅通。

2.预应力穿束施工

（1）穿束前气密性检查。穿束前应对待穿孔道进行探查和清理，并查明导管上排气孔、泌水孔、灌浆孔的具体位置及导管密封情况。密封性检查方法是从灌浆孔打入压力为0.5 MPa的压缩空气至其他开孔均已封闭的导管内，先按3×105Pa打压，合格后再分别加压至4×105Pa、5×105Pa。判定合格的依据是每一级压1 min，压降＜1×105Pa为合格。打压时应在核岛内部安排一名工作人员对钢衬情况进行适时观察，尤其是截椎体的部位需格外注意，避免发生钢衬鼓包等质量事件。当密封性检查不合格时，应及时通知设计人员合理地更换钢束的张拉顺序。

（2）穿束。采用穿束机将钢绞线逐根推送至钢束导管中，到达规定长度后切断，直至达到规定的根数。竖向钢束穿束时，钢绞线自上向下穿入，环向钢束和穹顶钢束穿束时，从钢束导管的一端穿入。穿束过程中应对钢绞线作外观检查，如发现钢绞线的表面状态低于“B”级要求，应停止穿束，经进一步检查确认质量合格后方可继续穿入，否则需切除不符合部位或更换合格的钢绞线盘卷后方可继续施工。穿束完毕，对钢绞线两端外露部分用塑料薄膜进行防护，防止雨水进入钢束导管，并尽快对钢束进行张拉。穿束施工与张拉施工时间间隔应＜30 d。

（3）张拉施工。张拉工艺流程是钢绞线端头、承压板表面清理→按照张拉顺序对钢束进行标记→安装锚头、夹片→安装张拉设备→张拉至初始应力→安装测量标记并测量初始伸长值→分级加荷并测量各级荷载下的伸长值→加荷至最终值并持荷3 min→测量最终伸长值→顶锚、回油→测量内缩量→拆除张拉设备→验收→切割多余钢绞线头。当安全壳混凝土强度达到设计强度后方可进行张拉施工，张拉工作应分阶段进行，即竖向束分6个阶段，水平束分10个阶段，穹顶束分3个阶段。

（4）竖向钢束张拉。竖向束采用2台千斤顶对称张拉，张拉控制力为7630 kN，经计算（不考虑压力表本身标定数量差异，仅考虑千斤顶内阻系数）其理论压力值为42.4 MPa，张拉设备为YCW1000H-250千斤顶，采用上端分级张拉，下端固定；部分遇贯穿件的曲线束，上端张拉后，下端还要补张拉。张拉程序如下：

①施工初应力为5 MPa时应暂停，检查设备及锚具情况，无异常在张拉至10 MPa，当张拉力稳定后，测量并记录千斤顶的初始伸长值及初始张拉力。

②分别张拉并记录20 MPa、30 MPa、40 MPa及最终张拉控制力时千斤顶的伸长值及张拉力。

③对于补张拉束，当上端分级张拉至40 MPa，为保证不出现超张拉情况，上端临时锚固，在下端一次性补张拉至40 MPa，并记录伸长值，最后上下两端同时张拉至最终张拉控制力。

④钢绞线束千斤顶卸荷至5 MPa时暂停，测量钢绞线的毛内缩量，钢绞线内缩量应控制在5～8 mm内，否则应查明原因，松锚重新张拉直至合格。

⑤当钢绞线伸长值超过千斤顶一次最大行程时，可在千斤顶达到最大行程前进行中间锚固，然后操作千斤顶活塞回缩，并进行≥2次的张拉，以满足钢绞线达到张拉控制力和伸长值，伸长值应为各级张力伸长值之和。锚固阶段的内缩量取最后一次锚固时的数据。

⑥根据已测数据和初应力以下的推算伸长值，计算出该钢绞线束张拉时的实际伸长值和预应力钢绞线在锚固阶段的内缩量，将计算结果与设计规定比较是否相符。

⑦切除多余钢绞线，外露长度为30～35 mm，并立即安装灌浆帽。

（5）水平和穹顶钢束张拉。水平、穹顶束张拉控制力为4027 kN，经计算（不考虑压力表本身标定数量差异，仅考虑千斤顶内阻系数） 其理论压力值为 45.4 MPa，张拉设备为YCW500H-250千斤顶，采用两端同时分级张拉。张拉程序与竖向钢束相同。不同点是水平和穹顶钢束伸长值是以两端伸长值之和来计算；钢绞线张拉至张拉控制力后，两端分别锚固，即A端先行锚固，B端在A端锚固后补足张拉力后再进行锚固。

3.张拉施工质量控制

张拉设备使用前应经国家法定机构配套标定，油泵的工作油压表在长期使用过程中必须定期进行校核，即：每2周校核1次或每张拉75次后校核1次。当出现故障时需及时进行检修和校核。安装千斤顶和工作锚时，应保证千斤顶中心线、锚头中心线和钢束导管出口的中心线对中，钢绞线在千斤顶体内不得有交叉扭结。钢束锚固后，应检查有无滑脱、断丝现象，并检查夹片有无破损，锚头有无裂缝等缺陷。

4.预应力孔道灌浆施工

（1）制浆。缓凝浆的制作应在现场的制浆房集中进行，制浆采用3台0.5 m3的强制式水泥浆搅拌机，为防止浆体沉淀和能够贮存足够的水泥浆，还设置了3台0.3 m3的贮浆搅拌机。制浆时先向缓凝浆搅拌机罐内加入经称量的拌和水210 kg，接着向拌合水中加入外加剂“Conplast SP337A”14.4 kg，搅拌1 min，在搅拌过程中均匀加入经称量后的 P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥600 kg，继续搅拌5 min，搅拌完毕水泥浆经筛网过滤后放入二次搅拌罐中，初步测定水泥浆流动度及浆体温度，应满足流动度9～13 s，浆体温度＜32℃。水泥浆在二次搅拌罐中停放45 min，然后在二次搅拌罐内加入经称量的外加剂“Conplast RP264”，每个搅拌罐用量为2.4 kg，搅拌5 min（如果二次搅拌罐中放入2罐缓凝浆水泥时，应加入“Conplast RP264”4.8 kg），需再次测定贮浆罐中水泥浆的流动度及浆体温度（技术指标同上）。

膨胀浆的制作和灌注工作应根据各灌浆孔的具体位置在其附近搭设的临时工作平台上进行，首先向水泥浆搅拌机罐内加入经称量的拌和水72 kg，接着向搅拌水中加入外加剂“Conplast SP337A”3 kg，搅拌1 min，搅拌过程中均匀加入经称量的P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥200 kg，搅拌2 min，搅拌过程中加入经称量的“Intrajplast-Z”型外加剂1.8 kg，继续搅拌4 min，搅拌完毕水泥浆经筛网过滤后放入贮浆罐中，测定水泥浆的流动度和罐中浆体温度，水泥浆应满足：流动度10～26 s内，浆体温度＜32℃，经测定合格后尽快灌注。

（2）竖向孔道灌浆施工。竖向孔道灌浆采用缓凝浆，自下往上压力灌浆。首先调整灌浆泵压力装置，将安全压力表设定为1.8 MPa，再调整泵的压力，使预应力孔道中缓凝浆流速为10～14 m/min；当上端的重力补浆装置下部取样口流出匀质、流动度为10～14 s的浆体时，关闭此取样口；继续泵压，直到重力补浆装置上部的溢浆口有浆体流出。使孔道内的泌水往上排入重力补浆装置中，同时重力补浆装置中的浆体会对孔道内进行补充，12 h后或重力补浆装置内浆体开始变硬时，取下重力补浆装置。

（3）穹顶孔道灌浆施工。穹顶预应力孔道第一次灌注缓凝浆，先由一端（A端）灌向另一端（B端），待B端流出合格的水泥浆后关闭水泥浆进、出孔道的阀门，暂停灌浆，10 min后再从B端向孔道拱顶的最高点C和越过最高点的次高点D灌浆，待D处流出流动度为10～14 s的水泥浆后关闭拱顶C和D处的阀门，继续缓慢灌注水泥浆，使B端入口处压力达到1 MPa。在第一次灌浆后3～5 h，用0.03 MPa的压缩空气将D、E间的水泥浆排空以备二次灌浆。

在缓凝浆初凝的1～7 d后，对拱起段灌注膨胀浆。灌浆前预先用少许水湿润管道，再用压缩空气吹干。当进浆口处浆体流动度在14～26 s时，将浆体从D（或E）处灌入孔道，直到出浆口E（或D）处流出匀质浆体，流动度达到14～26 s，浆体温度＜32℃时关闭出口端。继续泵浆，当C处有均质浆冒出时，关闭C处阀门，并加压至0.5 MPa后停止压浆。过1～5 min后，开启E和C，开泵排出部分浆体，重复以上灌浆步骤再进行一次，使出口处冒出均质的浓浆为止。

（4）水平孔道灌浆施工。初次灌浆采用缓凝浆，对于拱高＞1.2 m的大拱度孔道，需在拱段二次灌膨胀浆。开始灌浆时将安全压力表调为1 MPa，加载时调整孔道浆体流速为10～16 m/min。灌浆方向从最接近拱起端向另一端进行，当灌浆泵出口处浆体流动度达到10～14 s时，连接进口端，注意控制灌浆速度；当出口端出现匀质浆体，流动度达到9～13 s时关闭出口端。升高泵压，持压30 s，以检查水泥浆压力的稳定性。待缓凝浆灌入3～5 h后，用压缩空气对拱起段反复进行吹气，以吹掉该段的全部浆体和水，确保管道通畅。

在缓凝浆初凝的1～7 d后对拱起段灌注膨胀浆。水平孔道的二次灌浆与穹顶管道相同。

（5）灌浆施工质量控制。

①灌浆时，对灌浆压力应进行持续监控，竖向孔道灌浆口的压力控制在1.8 MPa内，穹顶和水平孔道的第一次灌浆压力控制在1 MPa内，二次灌浆压力控制在0.5 MPa内。同一孔道灌浆发生3次中断时，应停止灌浆，并将孔道内水泥浆排空，重新灌浆。孔道的灌浆一般在钢束张拉后7 d内完成，特殊情况下，必须在张拉后的15 d内完成。

②在夏季环境温度＞32℃的天气施工时，为使水泥浆的制浆温度满足设计要求，应尽量安排在夜间进行灌浆，并对原材料、储浆装置等进行降温处理。

③竖向孔道灌浆时应在核岛内部安排一名工作人员对钢衬情况进行适时观察，尤其是截椎体的部位需格外注意，避免发生钢衬鼓包等质量事件。

5.预应力施工总结

海南昌江核电工程反应堆厂房，在预应力系统施工前便对施工方案进行深入讨论和优化，例如，结合地区的特殊气候环境对相关设计文件进行了变更，使预应力系统施工过程中较为顺利。2个反应堆的预应力施工期限，均比计划提前了34 d和45 d，且未出现质量问题。具体效果如下：

（1）因其他核电站在预应力孔道密封性检查时出现过因打压导致钢衬里鼓包的事件，为避免类似事件发生，经与设计人员讨论，决定将密封性检查的压力从0.6 MPa降为0.5 MPa，并采取分级加压，即先按0.3 MPa加压，合格后再分别加压至0.4 MPa、0.5 MPa，若某一级压降超标，就要停止加压，查找原因。同时在打压时安排专人在反应堆内部对应的孔道位置进行观察，以免导管漏气至钢衬里侧，对钢衬里造成不利影响而导致鼓包事件发生。

（2）技术规格书0738JT061中规定“经搅拌后的水泥浆温度应＞25℃”，但考虑到本工程预应力施工期间的平均温度是26～29℃，且＞35℃的高温天气居多，因此参考方家山核电站的施工经验，将水泥浆温度调至32℃。同时尽量安排在夜间施工，不但较好的控制了水泥浆温度，也确保了灌浆施工质量。

（3）本工程预应力张拉施工时采用的油泵油压表最小刻度为2 MPa，而竖向钢束和水平（穹顶）钢束最终压力分别为42.4 MPa和45.4 MPa，因油压表的精度较低，而导致在现场进行读数时会产生误差。为此，在后续工程施工时建议采用精度更高的油压表，以提高读数的准确性。