I. Обзор проекта. Внешний купол атомной электростанции представляет собой железобетонную конструкцию с отметками от +44 600 до +70 200 м. Сечение от +44 600 до +51 700 м является переходной зоной между цилиндрическим и сферическим сечениями, а область выше +51 700 м представляет собой сферическую конструкцию. Внутренний радиус внешнего купола составляет 25 м, внешний радиус — 25,6 м, а толщина стенки — 600 мм. Объем бетона внешнего купола составляет приблизительно 6039 м³. Поперечные сечения внутреннего и внешнего куполов усовершенствованной атомной электростанции ВВЭР показаны на рисунке.
Схема внутренних и внешних секций купола усовершенствованной атомной электростанции ВВЭР
Пассивный внешний резервуар для воды (далее – внешний резервуар для воды) реакторного здания установлен на высоте +59,85 м на оболочке купола. Это кольцевой резервуар из нержавеющей стали с внешним радиусом приблизительно 23,300 м и внутренним радиусом приблизительно 19,790 м. Согласно графику, внешний резервуар для воды должен быть доступен во время горячих испытаний защитной оболочки. Из-за ограниченной проектной информации, предоставленной поставщиком в ходе первоначального тендера, общий метод строительства не удалось стандартизировать, что привело к серьезному отставанию в сроках строительства внешнего резервуара для воды в здании УЯ в рамках графика уровня 3, с разницей почти в 260 дней. Поэтому строительство внешнего купола должно быть технически инновационным, чтобы обеспечить выполнение требований графика уровня 3.
II. Конструкция внешних куполов на других атомных электростанциях
2.1 Конструктивные формы внешних куполов на других атомных электростанциях
Внешняя купольная конструкция атомной электростанции типа ВВЭР представляет собой квазисплющенную сферическую оболочку. Высота купола составляет 14,5 м, толщина внешнего купола — 600 мм, и на внешней стороне отсутствуют другие конструкции, как показано на рисунке 2. Внешняя оболочка атомной электростанции типа «Хуалун-1» в нашей стране аналогична, обе представляют собой квазисплющенные сферические оболочки. Однако внешний купол усовершенствованной атомной электростанции ВВЭР представляет собой полусферическую конструкцию с внешним радиусом 25 600 мм, высотой 25,6 м и толщиной стенки 600 мм. Поперечное сечение в нижней части, где оно соединяется с внешней оболочкой, увеличено, а внешняя сторона (+51,75 до +67,75 мм) представляет собой конструкцию резервуара для воды.
Из вышеизложенного видно, что по сравнению с атомной электростанцией типа ВВЭР, внешний купол усовершенствованной АЭС ВВЭР на 11,1 м выше, а уклон купола усовершенствованной АЭС ВВЭР круче, в то время как у реактора ВВЭР уклон относительно пологий. Кроме того, усовершенствованная модель ВВЭР имеет увеличенное поперечное сечение в месте соединения с внешней оболочкой, а добавление конструкции резервуара для воды с внешней стороны (+51,75 до +67,75 мм) увеличивает трудозатраты на проектирование.
2.2 Выбор схемы строительства
Схема строительства внешней защитной оболочки атомной электростанции типа ВВЭР предусматривает использование полнопролетной несущей рамы на внутренней стороне внешнего купола, как показано на рисунке 2. Процесс строительства выглядит следующим образом: установка опорных конусов и креплений платформы → установка оснований и стоек → установка горизонтальных элементов → установка диагональных опорных элементов → установка вертикальных и горизонтальных распорок → установка регулируемых верхних опор → укладка изогнутых основных и второстепенных балок → приемка системы стальных трубчатых опор → укладка панелей → установка нижних закладных элементов → арматурная вязка → установка верхних закладных элементов → установка и усиление внешней опалубки внешнего купола → установка подъемных конусов → заливка бетона → твердение бетона → повторение вышеуказанных этапов до завершения строительства внешнего купола → Поэтапный демонтаж системы опор. Аналогичный метод строительства использовался и на 5-м энергоблоке Фуцинского железнодорожного узла "Хуалун Один" в моей стране.
Схема конструкции внешнего купола атомной электростанции типа ВВЭР
Согласно проектным требованиям, во время испытаний на герметичность защитной оболочки не допускается наличие жестких соединений снаружи оболочки, и необходимо поддерживать небольшое отрицательное давление между внутренней и внешней оболочками. Поэтому испытания на герметичность защитной оболочки не могут быть проведены до завершения строительства внешнего купола и демонтажа строительных лесов. Однако, согласно графику, время испытаний на герметичность защитной оболочки совпадает со временем бетонирования внешнего купола. Для эффективного решения этой проблемы, начиная с зарубежного реактора «Хуалун-1», а затем и с энергоблока №6 в Фуцине, для внешнего купола использовалась стальная опалубка, что позволило ускорить испытания на герметичность защитной оболочки примерно на 8 месяцев.
III. Оптимизированная конструкция и строительство внешнего купола усовершенствованной АЭС типа ВВЭР
3.1 Определение проектной схемы
Конструкция внешнего купола усовершенствованной АЭС типа ВВЭР имеет полусферическую форму, что делает невозможным использование метода строительства внешнего купола конкретного типа реактора ВВЭР. С учетом метода строительства внешней защитной оболочки реактора «Хуалун-1» и для соответствия требованиям графика 3-го уровня, было решено использовать стальную опалубку для строительства. Исходя из фактических условий площадки, стальная опалубка должна соответствовать следующим условиям:
(1) Отсутствие изменений в первоначальной конструктивной схеме внешнего купола. Поскольку усовершенствованный вариант ВВЭР был разработан Россией, и оптимизация проекта в нашей стране не входит в сферу действия российского контракта, существенные изменения первоначальных проектных чертежей не допускаются.
(2) Ограничения грузоподъемности крана в зависимости от условий площадки. Исходя из условий площадки, для подъема могут использоваться только гусеничные краны грузоподъемностью около 2000 т. Использование более крупных кранов (например, около 3000 т) было бы неприемлемо из-за ограничений площадки, требующих демонтажа двойных ограждений соседнего, уже работающего энергоблока. Это поставило бы под угрозу физическую безопасность атомной электростанции и является неразрешимой проблемой. Расчеты показывают, что вес стальной опалубки наружного купола не может превышать 360 т.
(3) Экономические соображения. В соответствии с требованиями заказчика, конструкция стальной опалубки наружного купола должна соответствовать требованиям только для строительства внешних резервуаров для воды на критическом пути; участок выше 63,5 м будет построен традиционными методами.
(4) Требования к предварительному напряжению и транспортировке. Согласно графику строительства, период строительства наружного купола совпадает с периодом строительства предварительного напряжения. Поэтому при проектировании стальной опалубки наружного купола необходимо учитывать требования к транспортировке для строительства предварительного напряжения.
Исходя из этих требований, поскольку первоначальная конструкция не может быть изменена, она не может быть идентична конструкции энергоблока № 5 в Фуцине. Кроме того, стальная опалубка имеет предварительно зарезервированные отверстия для сквозных элементов, поэтому она не может быть идентична конструкции зарубежного реактора «Хуалун-1». С учетом экономической эффективности и необходимости предварительного напряжения, схема проектирования выглядит следующим образом.
Конструкция внешней купольной стальной опалубки: Как показано на рисунке, внешняя купольная стальная опалубка имеет форму полусферической полосы с верхней отметкой 63,500 м и нижней отметкой 44,600 м. Она в основном состоит из облицовочной плиты из стали Q355B толщиной 6 мм, ребер жесткости из стали Q355B, приваренных к внутренней стороне облицовочной плиты, и шпилек, приваренных к внешней стороне облицовочной плиты. Она имеет 24 предварительно зарезервированных сквозных отверстия. Внешняя купольная конструкция имеет сферическую форму с внутренним диаметром 25 м, а её общий вес составляет приблизительно 350 т. При возведении внешней купольной конструкции высотой более 63,5 м используется традиционный метод сплошной опорной конструкции, аналогичный тому, который применяется в некоторых типах конструкций ВВЭР.
Внешняя опалубка купола из стальных профилей (полусферической формы). Инновационная конструкция предварительно зарезервированных отверстий для проходных элементов внешней опалубки купола: на внутренней защитной оболочке установлено 44 проходных элемента, выступающих на 800 мм за пределы внешней опалубки купола. Для решения этой задачи было предложено два решения: одно заключалось в укорачивании проходных элементов, чтобы предотвратить их выход за пределы внешнего купола, и последующей их сварке после завершения строительства внешнего купола. Недостатком этого решения были высокие требования к качеству сварных швов ядерного класса, значительные сложности строительства и невозможность замены проходных элементов, поставляемых Россией. Поэтому был принят метод предварительного резервирования отверстий в стальной опалубке, впервые примененный в проектировании внешнего купола. Было проведено множество обсуждений для определения конструкции и размеров отверстий, чтобы обеспечить как успешный подъем, так и структурную устойчивость. Окончательное проектное решение предусматривало усиление отверстий по периметру Т-образными стальными профилями (TW 175×175×7×11), идентичными основным ребрам жесткости. Эти Т-образные профили соединяются с окружающими кольцевыми и радиальными ребрами жесткости на расстоянии не менее 300 мм от проникающих элементов. Проектирование размещения внешней опалубки купола: 144 предварительно заделанных элемента равномерно распределены по окружности на высоте +44,600 м внутри внешней оболочки защитной оболочки. К этим предварительно заделанным элементам привариваются стальные опоры. После установки внешней опалубки на стальные опоры привариваются радиальные основные ребра жесткости и крепятся к верхнему фланцу стальных опор с помощью прокладок.
3.2 Строительство внешнего купола
При использовании внешней опалубки для купола процесс строительства оптимизируется следующим образом: предварительное изготовление внешней опалубки → сборка внешней опалубки (предварительная установка закладных элементов в основании купола) → подъем стальной опалубки → бетонирование.
IV. Предварительное изготовление внешней опалубки для купола
4.1 Проектирование сегментации внешней опалубки для купола
С учетом расположения и сегментации, указанных на проектных чертежах, и таких факторов, как изготовление, сборка и транспортировка, внешний купол разделен на два слоя, каждый из которых состоит из 72 сегментных панелей в соответствии с высотой: слой 1 имеет 36 панелей, высота слоя составляет 10,959 м, а длина радиальной дуги каждой панели — 11300 мм; Второй слой состоит из 36 панелей, высота слоя составляет 7,941 м, а длина радиальной дуги каждой панели — 10100 мм.
4.2 Изготовление панелей внешнего купольного сегмента
Особая конструктивная форма стальной опалубки внешнего купола диктует иной процесс изготовления в цехе по сравнению с внутренними облицовочными панелями купола. В нем используются как выпуклые, так и вогнутые формы, а в процессе предварительной сборки и монтажа в цехе традиционный процесс сварки под флюсом был заменен на процесс сварки GMAW–ArA, который был применен впервые.
4.2.1 Процесс изготовления внешних купольных сегментов
Сварка ребер жесткости → Сборка пластин → Сварка ребер жесткости и пластин → Сварка шпилек.
4.2.2 Сварка рамы с усиливающими ребрами
На пресс-форме (пуансоне) с помощью U-образных зажимов, крючков, клиньев и т. д., в сочетании с пазами на пресс-форме, плотно прижимаются усиливающие ребра к пресс-форме. В соответствии с расположением усиливающих ребер, их следует собирать по принципу «сначала радиальные, затем окружные; сначала длинные, затем короткие». После сборки с помощью инструментов, таких как прижимные планки, обеспечивается плотное прилегание усиливающей стали к пресс-форме. Для точечной сварки швов между усиливающими стальными элементами используется процесс FCAW-G. Строго контролируются зазоры и несоосность при сборке. Сварка узлов усиливающих ребер выполняется по принципу «сначала радиальные, затем окружные; сначала большие, затем малые; от середины к бокам; симметричная сварка». Схема сварки усиливающих ребер показана на рисунке.
4.2.3 Сборка модульных пластин
Модульные пластины устанавливаются на раму ребер жесткости для сборки. Для обеспечения плотного прилегания модульных пластин к раме ребер жесткости используется специальный инструмент. Сначала выполняется прихваточная сварка между сталью ребер жесткости и стальной пластиной толщиной 6 мм методом FCAW-G. Затем производится сборка модульных пластин.
Для сварки соединения модульных пластин, при необходимости, выбирается метод сварки GMAW-ArA. Для обеспечения плотного прилегания модульных пластин к раме ребер жесткости используется специальный инструмент. Затем выполняются подготовительные работы перед сваркой, такие как сборка U-образного профиля (или прихваточная сварка методом FCAW-G) и нанесение керамической подложки. После завершения всех подготовительных работ выполняется сварка методом GMAW-ArA.
4.2.4 Сварка рамы ребер жесткости и блочной плиты
После завершения сварки стыка блочной плиты вся сборка переворачивается в штамп для сварки рамы ребер жесткости и блочных плит. Ребра жесткости свариваются по принципу «сначала радиальные, затем окружные; сначала большие, затем малые; от середины к обеим сторонам; симметричная сварка». Во время сварки должны присутствовать как минимум два сварщика, и ребра жесткости должны быть сварены максимально симметрично. При сварке Т-образной стали по окружности сварку следует производить с интервалом в 1-3 ребра. Сварку ребер жесткости следует выполнять методом FCAW-G.
4.2.5 Сварка шпилек
Сварка наружных шпилек купола к блочным плитам толщиной 6 мм выполняется на опалубке методом сварки шпилек. При нанесении линий в соответствии с размерами чертежа в качестве ориентира следует использовать одну и ту же базовую линию. Строго запрещено использовать предыдущий столбец или ряд стоек в качестве базовой линии во избежание кумулятивных ошибок. В качестве альтернативы для вспомогательного позиционирования можно использовать шаблон для позиционирования стоек.
V. Монтаж внешней стальной опалубки купола на месте установки
5.1 Позиционирование и разметка
На месте монтажа купола отметьте линии углов позиционирования (0°, 90°, 180°, 270°) в качестве опорных точек и базовых линий для позиционирования купола. Измерьте и отметьте внешний радиус нижнего отверстия первого слоя (25000 мм), внешний радиус верхнего отверстия первого слоя (22470 мм), внешний радиус верхнего отверстия второго слоя (16364 мм) и линии углов стыков между панелями каждого слоя. Измерьте высоту поверхности опор купола; скорректируйте любые несоответствия, приварив стальные прокладки.
5.2 Сборка купольных панелей
Первый слой купола состоит из 36 панелей. Перед сборкой необходимо установить внутренние опоры первого слоя. Поверхность заглубленных частей ленточного фундамента следует повторно измерить, и на поверхности ленточного фундамента и поверхности несущей стали следует отметить контрольные точки с внешним радиусом 25000 мм. Точечную сварку позиционирующих перегородок в нижней части купола к обеим сторонам окружности. Внутренние позиционирующие перегородки располагаются вдоль окружности с радиусом 25000 мм. Используйте перегородки и клинья для регулировки положения нижнего отверстия первой панели.
Верхняя высота и радиус регулируются с помощью регулируемых верхних опор на верхнем конце стальных труб строительных лесов. В дополнение к этим регулируемым верхним опорам внутри плит также устанавливаются диагональные распорки для облегчения регулировки радиуса и высоты. Подъем секций плит зависит от условий площадки и осуществляется по часовой или против часовой стрелки. Первый слой имеет 32 продольных шва, при этом не менее 2 из них зарезервированы в качестве деформационных швов. Деформационные швы свариваются после того, как остальные продольные швы приварены к основанию. Второй слой разделен на 36 секций. После сварки и проверки первого слоя определяется линия верхнего положения с помощью тахеометра, расположенного в центральной точке, и призмы, расположенной на внешней стороне верхнего отверстия первого слоя. Устанавливаются крюковые пластины, не менее 3 на каждой плите купола, в основном для поддержки нижнего отверстия второго слоя. Верхнее отверстие поддерживается верхними опорами строительных лесов. Последующий способ сборки второго слоя купола такой же, как и для первого слоя.
5.3 Сварка купола
Продольный шов купола представляет собой сварной шов с полным проплавлением, сваренный методом MAG-сварки (частично механизированной). Перед сваркой швы нумеруются, и указывается номер сварщика. Керамические прокладки крепятся вдоль всей длины сварного шва, обеспечивая выравнивание разметочных линий в канавках керамических прокладок с осью сварного шва. Перед сваркой с помощью оборудования MAG необходимо проверить зазор при сборке, а фаска и основной материал с обеих сторон фаски (по 25 мм каждая) должны быть сухими, без смазки, ржавчины, краски, разметочных материалов и других посторонних веществ. Вдоль одной стороны сварного шва укладывается направляющая для сварочной тележки, которую проверяют на плавность перемещения в месте соединения. Каждый проход сваривается последовательно снизу вертикального шва вверх.
Круговой шов сваривается ручной дуговой сваркой. Последовательность сварки следующая: несколько сварщиков равномерно распределяются по окружности сварного шва. Во время сварки корневого шва сварные швы обрезаются по участкам в одном направлении. В реальных строительных работах сварка выполняется одновременно по всей окружности, или же в качестве границы может использоваться деформационный шов, а сварка может производиться партиями.
VI. Подъем стальной опалубки внешнего купола
6.1 Вес, поднимаемый при подъеме внешнего купола
Вес, поднимаемый при подъеме внешнего купола, составляет 425 т, включая 350 т стальной опалубки внешнего купола, 70,1 т строп и 4,9 т ветровой нагрузки.
6.2 Проблемы и меры по подъему
6.2.1 Проблема 1: Как обеспечить безопасное прохождение уже установленных отверстий во внутреннем куполе через проемы во время подъема и позиционирования
На внутреннем куполе ограждающей конструкции 71UJA уже установлено 44 отверстия (наружный радиус 25800 мм), выступающие на 800 мм за пределы наружной стальной опалубки. Таким образом, на внешней стальной опалубке были инновационно спроектированы и предусмотрены 24 отверстия, позволяющие проходам через них проходить элементам внутреннего купола. Во время подъема и установки внешней стальной опалубки купола существует риск столкновения с проходами внутреннего купола.
Для решения задачи 1 можно установить четыре направляющие стойки на высоте установки внешнего купола. Высота этих стоек, рассчитанная исходя из высоты проходного элемента, составляет приблизительно 9 метров. Треугольные распорки, расположенные под тем же углом в нижней части внешней стальной опалубки, будут действовать как ограничительные опоры. Во время подъема и установки эти распорки будут взаимодействовать с направляющими стойками, позволяя медленно устанавливать внешнюю стальную опалубку купола и предотвращая столкновения с проходным элементом внутреннего купола из-за его собственного раскачивания.
6.2.2 Задача 2: Обеспечение безопасности внешней стальной опалубки купола на больших расстояниях. Общий вес стальной опалубки наружного купола составляет 350 тонн. Место подъема находится в узком пространстве между ограждением энергоблока № 6 и корпусом атомной электростанции энергоблока № 7. Место сборки стальной опалубки наружного купола находится примерно в 172,6 метрах от центра здания 71UJA, что приводит к большому расстоянию подъема стальной опалубки наружного купола под нагрузкой.
Для решения проблемы 2 можно принять следующие меры: (1) контролировать ровность траектории движения крана, чтобы она не превышала 5‰ (0,29°), и ровность поверхности земли в зоне, охватываемой противовесом сверхподъемного крана, чтобы она не превышала 1% (0,58°), а также обеспечить присутствие специального персонала для контроля траектории во время движения крана; (2) путем анализа характеристик подъема крана выбрать оптимальные условия подъема для обеспечения более низкой скорости подъема во время несущего движения стальной опалубки наружного купола, тем самым снижая риск ее подъема. 6.3 Подъем стальной опалубки наружного купола
Подъем стальной опалубки наружного купола осуществляется с помощью гусеничного крана Zoomlion ZCC32000, работающего в режиме SWDB S96+W36. Радиус подъема составляет 50 м, угол наклона основной стрелы — 75°, радиус сверхподъема — 27 м, противовес сверхподъема — 730 т, номинальная грузоподъемность — 493 т, вес груза — 425 т, коэффициент загрузки — 86,21%.
VII. Бетонные работы
Секция стальной опалубки наружного купола ниже 63,5 м была залита в 7 слоев с использованием 2 трубчато-колонных и 1 башенной бетононасыпной стрелы для всего круга. Перед заливкой бетона было проведено моделирование процесса заливки для подтверждения высоты и радиуса укладки каждой бетононасыпной стрелы, что обеспечило исправность оборудования. В соответствии с требованиями к проектированию опалубки, скорость заливки бетона внешней оболочки не превышала 0,5 м/ч, а время заливки каждого слоя определялось исходя из общей высоты и скорости заливки каждого слоя.
VIII. Резюме
12 апреля 2024 года была успешно установлена стальная опалубка внешнего купола 71UJA. В процессе подъема произошел внезапный порыв ветра, превышающий 6 баллов. Благодаря использованию направляющих колонн высотой почти 9 м во время спуска, весь процесс спуска был эффективно защищен, что обеспечило безопасность подъема внешнего купола за счет технических мер. Успешная реализация стальной опалубки внешнего купола эффективно решила строительные проблемы модернизированных атомных электростанций ВВЭР, такие как ограниченное пространство площадки, недостаточная грузоподъемность крана, одновременное строительство предварительного напряжения и внешнего купола, а также недостаточный срок строительства внешних резервуаров для воды, и предоставила идеи для аналогичного строительства внешнего купола.