高温气冷堆主设备自动找正调平装置应用研究

张志强，孙朝朋(中国核工业二三建设有限公司，北京 101300)

0 引言

高温气冷堆示范电站(以下简称“高温堆”)作为十六个国家科技重大专项之一，是我国拥有自主知识产权、具有第四代技术特征的先进核能技术，具有固有安全特性，应用领域广泛，商业化前景非常广阔。一回路主要设备包括：反应堆压力容器、蒸汽发生器、热气导管壳体及热气导管、堆内金属和陶瓷构件等主要设备，这些大型复杂设备是高温堆的心脏，安装条件苛刻，精度要求高，难度极大。

因高温堆反应堆未设计专门的主设备调整设备，公司设计了一种主设备自动找正调平装置，该装置主要有三部分组成，分别为钢结构梁、拉索系统(堆芯壳提升系统)和液压调整系统，其中压力容器工况和蒸汽发生器工况类似，其结构形式如图1所示，因金属堆芯壳需提升1.2 m，故拉索系统在金属堆芯壳工况更改为堆芯提升系统，结构形式如图2所示。一回路主设备调整流程为：首先用拉索系统连接被调的主设备和位于一回路舱室墙体上表面的结构梁，通过激光跟踪仪测量系统实测被调主设备位置数据，然后对比分析主设备的偏差值，通过总控台控制位于结构梁四角的三维液压调整机联动位移，实现主设备x、y、z方向位移及绕z轴旋转的精确调整，因此如何完成调整装置现场组装达到可用状态，是高温气冷堆示范工程一回路主设备调整的先决条件，需要对其应用过程遇到的难题进行研究、解决，以确保调整装置满足使用要求。

图1 压力容器及蒸汽发生器调整工况三维图

图2 金属堆内构件调整工况三维图

1 主设备自动找正调平装置应用难点分析

拉索系统由高强度材料拉板组装而成，通用组装流程，需要搭建临时组装平台，但由于施工部位位于核反应堆主舱室，舱室未设置临时平台生根节点，且主设备安装时间紧，没有充裕时间进行安装平台搭设，故需根据示范工程舱室环境特点对拉索系统的组装逻辑进行优化。

钢结构梁由多段短梁通过螺栓连接组成[1]，调整不同设备工况时，采用不同的组合形式，在蒸汽发生器调整工况应用时，需将延长梁拆除，通过高强螺栓将端梁与中间梁组装，缩短钢结构梁的跨距，以满足蒸汽发生器调整需求，但该钢结构梁的底板连接使用的是铰制孔高强螺栓连接，铰制孔螺栓在钢结构梁制作时进行配钻而成，精度较高。如将原配钻的延长梁拆除，端梁与中间梁组合时，底部铰制孔必然会存在错位情况，导致无法完成钢结构的二次组装，影响调整装置在示范工程的应用。

2 主设备自动找正调平装置应用分析

2.1 拉索系统组装逻辑优化

钢结构梁与液压调整系统组装完成后，进行拉索系统组装，拉拉索系统主要有吊耳、可调拉杆、过渡拉板、双拉板、三拉板、顶部拉板和连接各零部件的销轴组成，每条拉索重量为3 043.68 kg。依据施工环境，具体组装方式可以采取舱室外组装或舱室内组装。如采取舱室外组装方式，拉索系统组装进度应与钢结构梁吊装进度匹配，此时组装不涉及高空作业，也无需搭设临时组装平台，组装逻辑顺序为三维液压调整机就位，钢结构梁与拉索系统在舱室外组装，然后整体吊装至液压调整机上，其组装方式属于通用方式。

高温气冷堆示范工程在主设备安装完成后就封闭了顶部吊装孔，因此蒸汽发生器工况下的组装方式，需在反应堆舱室内进行组装，理想状态下，应将拉索从钢结构梁顶部逐根连接穿入，最后完成拉索系统与被调整设备的连接。本调整装置的拉索系统结构尺寸两端都大于钢结构梁的开孔尺寸，故需要将拉索系统拆分为三段，通过多次上下调整，完成于拉索系统下部的可调拉杆、拉板、顶部拉板连接，详细连接步骤如下：

(1)准备，首先把各吊耳与压力容器筒体通过螺柱、螺母、销轴(紧固力矩需符合设计文件要求)等连接在一起，可调拉杆调整至最长放置于压力容器法兰面上(做好法兰面的保护措施及防止可调拉杆掉落的措施)，然后将过渡拉板与双拉板、三拉板通过销轴连接，双拉板与三拉板通过销轴连接，备用。

(2)中间段的拉板组装，将钢丝绳等吊装绳通过三拉板顶部的销轴先把一组过渡拉板与双拉板、三拉板通过钢结构梁的吊耳孔下放(吊耳孔的尺寸为400 mm×205 mm，过渡拉板的尺寸为360 mm×204 mm，下放时应随时检查，防止过渡拉板与吊耳孔发生卡死现象)，当下放到一定位置时，在双拉板之间的缝隙中插入一块40 mm厚的长条板，使这组拉板卡在钢结构梁上。

(3)中间段与下段组装，将吊装绳索换成长度至少为5 m的吊装带，吊装带与销轴连接完毕后，拆除卡板，将过渡拉板、双拉板及三拉板下放，将过渡拉板与可调拉杆通过销轴连接，缓缓起吊已经连接好的组件(包括可调拉杆、过渡拉板、双拉板及三拉板)，并使用卡板将这组拉板卡在钢结构梁上。

(4)与上段组装，抽出吊装绳和三拉板顶部销轴，通过吊装绳与辅助销轴(也可用吊装绳直接穿过顶部三拉板的上部圆孔)吊运一组顶部拉板与双拉板的组合件，通过销轴连接这组组合件与三拉板顶部相连，稍稍起吊这时的拉索系统，移除卡板，再进行下放，当顶部三拉板的中部圆孔与钢结构梁上部吊耳的圆孔对齐时，进行穿轴。

(5)拉索与被调整设备组装，穿好销轴后，移除吊装绳和辅助销轴，工作人员下到压力容器筒体顶部进行可调拉杆与平衡板的销轴连接，完成本组拉索系统的安装。

2.2 钢结构梁组装优化

主设备自动找正调平装置在调整蒸汽发生器时，需将延长梁拆除，重新组装钢结构梁。为防止梁底部连接的铰制孔螺栓无法安装，考虑将底部铰制孔高强螺栓更换为与梁侧板连接的大六角高强螺栓，从而实现钢结构梁在施工现场二次组装，需对该情况进行的校核和计算。

2.2.1 相关系数及参数

对于此工况，吊点数均为4，考虑到此种作业方式虽然属于“超静定”，但吊起蒸汽发生器筒体时，四个吊点均设有可调节长度的可调拉杆。故可认为四个吊点受力基本相同，为安全起见，选不均衡系数K=1.1。

吊装作业中，采用的起升方式为三维液压千斤顶顶升，动作非常平稳，钢结构本身出现的振动很小，起升冲击系数取φ1=1.05。

起升状态可类比GB/T 3811—2008 《起重机设计规范》[2]中的起升状态级别HC1，即“起升离地平稳”，这时，动载系数取φ2=1.05。

其中：被吊物蒸汽发生器筒体的质量：mZT=500 t；每套索具及相关零部件的质量：mL=3.2 t(数量为4)；自动找正调平装置钢构梁的质量：mZL=50 t。

2.2.2 螺栓连接校核

四个吊点呈中心对称分布，整个系统的重心与几何中心重合，则四个支承点的支反力均相等。

(1)支反力：

(2)连接处的弯矩：

式中：L为支承点到连接处的距离L=1.5 m。

钢结构梁的连接中，上盖板顶在一起，腹板和下盖板留有间隙，忽略腹板处的连接，认为仅下盖板的连接承受拉力，这样简化计算偏于安全。则下盖板的拉力：

式中：h为上下盖板的中心距，h=1.63 m。

下盖板连接处每侧均有18个螺栓，下盖板上下均有连接板，摩擦面的个数为Zm=2。

单个螺栓的承载能力：

式中：μ为抗滑移系数(摩擦系数)，对于被连接材料为Q345，连接处结合面采用钢丝刷清浮锈或未经处理的干净轧制表面，μ=0.35；Pg为高强螺栓的预拉力，对于M30的10.9级螺栓，取Pg=354 kN；n为安全系数，取n=1.34。

连接处的螺栓群能承受的总拉力：

结论：由此可见，改成高强螺栓能满足要求。

3 应用效果

3.1 技术指标应用

目前，调整装置已成功应用于示范工程2台压力容器筒体、2台金属堆芯壳和2台蒸汽发生器的调整工作。调整后的压力容器筒体的水平度、平行度、标高及同轴度实测值均满足要求；金属堆芯壳工况下可满足提升1.2 m工况要求，且安装参数满足要求；蒸汽发生器工况下，钢结构梁组装及拉索系统组装应用情况良好，同时顺利实现了压力容器壳体、热气导管壳体和蒸汽发生器壳体组对，安装参数及精度也均符合技术要求[3]。

3.2 整体应用效果

高温气冷堆主设备自动找正调平装置应用后获得如下效果：提高工程质量：调整装置运行精度高、操作简便，量化实现主设备安装的各项技术指标，有效提高安装效率与质量；改善工作环境，保证施工安全：调整装置的操作在反应堆检修大厅进行，减少了在舱室内作业人员数量，极大地改善了工人的工作环境，有力提高了施工安全；缩短主设备安装周期：调整装置在进行主设备安装调整时，通过同步控制台实现自动调整，节约人员投入，减少重复操作。缩短主设备的安装周期，保障一回路主设备安装的施工进度。

4 结语

一回路主设备的安装是高温堆工程建设的关键难点之一，通过应用该调整装置，有效提升了一回路主设备安装的质量和效率，有力推动了高温堆示范工程的顺利建成。同时调整装置的应用经验在后续60万kW高温堆电站一回路舱室结构不变的情况下，可以直接使用，为高温气冷堆商业化推广提供重要的技术支撑。液压提升或顶升技术目前在大型钢结构、桥梁、造船等领域已应用较为广泛，在核电站建设中应用较少，论文所取得的成果和经验为其他核电站大、重型设备安装调整装置应用提供了思路和参考经验。