穹顶结构模块在核电工程施工中的分析与应用

第1章 绪论

1.1 研究背景
改革开放 30 年来，我国对能源需求的迅速增长，导致了紧张的能源供需关系，严重的阻碍了我国社会经济的快速发展。近年来，煤、石油和天然气等储量有限的不可再生资源耗损严重，要想彻底解决这一难题发展核电是唯一的出路。我国现阶段对于能源的需求量保持较高的增长，因此必须合理优化目前的能源消耗结构，这便迫使我国必须要发展水能、风能、光能、核能等新能源以替代煤炭类能源，核电有着其余能源所不能及的优势，比如说水有枯水期，风有季节性，而核能则是最具清洁高效性的能源，其污染少、温室气体排放量近乎于零，燃料需求量少的同时换料周期也长。可以说，在支撑我国国民经济快速增长及减少污染气体排放的状况下，发展核电是最具有竞争力的选择。
中国核电事业历经了近 30 年的成长与发展，由 20 世纪 80 年代开始，头一个10年里，以中国核工业总公司为主建成了3台核电机组；第二个10年里，成立了中国广东核电集团，以两家核电企业为主建成了8台核电机组。已建成的机组技术路线种类较多。2005 年至今，经国家发改委批准成立了国家核电技术公司，允许再次建造8台核电机组，中国电力投资集团也加入到了核电控股建设的行列之中，并且确定好了今后核电发展的主要技术线路为第三代核电技术。不能说中国核电前 20 年的成长方式对于中国核电事业的发展没有影响，只是今后中国核电的成长步伐将在很大程度上取决于其发展模式。第二代改良型压水堆核电站的建造随着新的成熟技术的逐步引进，中国核电的安全性也在更深层次上得以提高。长久以来我国核电路线的不统一，使之无法批量化生产。我国第二代核电站建造技术虽说已经较为成熟，但在其经济性和安全性上都不如第三代核技术。而今，寰球都处于第三代核电技术支撑下的核电苏醒时期，AP1000核电技术被称之为当前全世界核电中最为安全也是最为先进的核电建造技术。第三代核电技术的设计使用寿命为60年，而第二代核电技术的设计使用寿命唯有40年。第三代核电技术的设备都较简化，比如，电缆减少了约七成、管道减少了约八成、泵阀减少了约三到五成、抗震厂房减少了约五成。随之而来的是设备的采购减少了，建造的工期变短了，整体的造价也就减少了。是以，我国只有将AP1000核电技术引进、学习、再创造，并将其逐步国产化，掌握其精髓，才能使我国成为真正意义上的核电强国，而不只是表面上的核电大国。

1.2 国内外研究现状
第一代核电站是原型堆，主要是以试验的形式来验证一代核电在工程实施上的可行性，因此一代核电并没有在全球范围内进行推广。第二代核电站主要是为了实现其商业化以发展全球的核电事业，它是当前全球主要运行的核电体。第三代核电技术在其安全方面的设计更为突出，尽管它已经发展了不少年，但当前尚未进行规模化的推广，我国日前引进的美国 AP1000 技术也只是正在建造，三代核电在全球范围内尚未进行正式推广，且其技术尚未成熟，我国将通过对美国的AP1000 技术的学习来发展我国自主性的三代核电站技术，在未来的几十年内全球都将成为第三代核电技术的主战场。20世纪90年代全球各国不断提出了一些新的设计概念和不同的燃料循环方式，2000 年 1 月成立的第 4 代核能国际论坛中钠冷快堆技术趋于成熟，我国四代核电已经进入到示范堆建造时期，待其获得成功经验后便会逐步推广至商业化运行。第五代核电技术虽说仍然处于初级研发阶段，但行波堆的确能够在很大程度上提高燃料的利用率和安全性，我相信随着科技的逐步发展，五代核电终能实现其商用价值，造福于全球人民。
当前，广泛用于商业运行的第三代核电站仍未广泛应用。我国正在建造的第三代核电站采用的主技术为美国的AP1000和法国的EPR技术，AP1000堆型在全球范围内均无建造运行前例。2008 年，我国国务院审批通过的相关专项方案中曾提出在引进和学习第三代核电技术的基础上进行再创新，进行自主设计、建造先进的三代压水堆型核电站，并在此基础上逐步研发、提升核电建造的整体实力，迈开步伐不断向全球前沿核电发展，这是我国核电事业不间断发展的必然要求，也是我国自主创新的需要。在核电事业中实施模块化技术是从20世纪80年代开始的，当时美国与日本的日立公司合作共同对模块化在核电项目中的应用进行研究。最近由日立公司参建的 8 个核电机组中模块的数量剧增，从 18 个增加到了196个，在以后的核电建造中模块的应用数量及规模只会更多而绝不会减少。模块化建造使得一台机组建造的工期可以从62个月缩短到48个月。加拿大原子能公司在秦山坎 CANDU6 的安全壳喷淋系统中，首次应用了模块化概念及模块化的施工工艺，并在其改进的 ACR-1000 中增加了模块化应用范围且准备在别的项目上进行推广应用。

第2章 核电项目中穹顶结构模块理论分析

2.1 模块的定义
模块化实质上可以归纳为在工业生产中模块化生产一种提供生产效率、提高产品质量的专业化生产模式，是指其在解决复杂问题的时候将难题自上而下的逐层的把系统难题划分为若干个模块的方式，每个模块都附有其本身的属性反映模块的内部特性。模块化之所以称作新标准化理念是指其是设计产品的一种新方法，最初应用于机器、电器、仪器仪表等制造领域，后来经过了一段时间的发展有广泛应用于通讯设备、计算机硬件和软件、集成电路、超大规模集成电路的制造领域，近期系统理论发展迅速，模块化经过科学武装后，发展的步伐不断加快，同时向非制造业以和服务业迈开步伐，特别是由于绿色设计和循环经济的兴起，建筑业也开始采用模块化方法。
模块化是在解决复杂问题的时候将难题自上而下的逐层的把系统难题划分为若干个模块或者是将其划分为整体的单一结构，而后再将所有模块按照某种预先设计好的方案将其进行组装使之成为一个完整的个体，以期其能够完成系统所要求的所有功能，这种将复杂性的问题进行模块化的方法称之为模块化施工。在我国的核电建设历程中，模块化施工鲜有应用，整体模块化也只是在 AP1000中得以应用，进而得出其完整性定义，并使其理论在 AP1000 核电站的设计、建造过程当中得到了广泛的应用。
模块(module)的概念起源于产品生产领域，是Starr 在19世纪60年代的《哈佛商业评论》上提出的全新概念。该概念在有形产品的产出和软件开发之中都得到了大量的应用。从表 2-1 的定义变化之中不难发现，随着时代的发展，模块化的应用范围逐渐宽广并且趋于系统化，通用化。

本文之中的模块指的是由钢结构和其上部混凝土合成的组合体，便宜加快现场建造。各模块在相同或不同车间内可以同时进行组装、整体进行浇筑，避免在现场过多的工作交叉及工序问题，与此同时钢模块的组装工作在工程前期的准备阶段便可以进入作业状态。

2.2 模块的分类
不同的分类标准及各异的研究的视角，使得模块和模块系统得种类也多种多样。AP1000 核电建造中将模块的类型分为了4种，分别为结构模块、管道模块、机械模块和电气模块。三门AP1000 核电站的模块数量表2-2所示


第 3 章 穹顶结构模块在核电工程项目施工中的应用 ......... 11
3.1 工程概况 ............... 11
3.2 工作流程 ................ 12
第 4 章 结论与展望 .................. 54
4.1 主要结论 ............. 54
4.2 结束语 ........ 54

第3章 穹顶结构模块在核电工程项目施工中的应用

随着核电需求的不断增长，中国广东核电工程有限公司确定了以缩短核电建造工期、提高建造质量、降低建造造价为目标，以AP1000 压水堆型核电建造为主要研究对象，进行模块化施工的可行性及施工方案研究工作。模块化施工在三门AP1000核电建造中的成功应用拉开了中国式的第三代核电技术---模块化建造的序幕，对于推进我国核电项目上模块化技术的研究与应用具有战略性意义。
第三代核电技术---模块化的精要是将在现场的工作转移到各车间中去，一般来说是模块的拼装。模块化技术还包括它的设计、运输、吊安装和浇筑等。对于大型模块来说其运输一般都要受到厂外环境条件的制约，因此我们需要将其厂内的拼装工作改为在现场进行，而小模块的运输并不会受到场外环境的太多影响所以小模块的组装场地则要随意的多。AP1000 核电项目穹顶模块采用了模块化施工技术，对钢屋顶进行了模块化设计和施工，达到了改善工人施工的环境、降低了工人施工在安全性上的风险、保证了施工的质量、提升了施工工作的效率并达到了缩短核电站建造工期的目的。

3.1 工程概况
AP1000 核电站是第三代核电站，核岛屏蔽墙是压水堆核电站的安全防护屏障，屏蔽墙为筒状钢筋混凝土结构，其内部为钢衬里，钢衬里包含CVBH、CV、CVTH 三部分，是反应堆重要的防泄漏屏障。屏蔽墙 16 层以上为加厚区，18 层有 32 个牛腿，牛腿上部安装钢屋顶，钢屋顶为锥台形单边钢板模块，其上部浇筑混凝土。屏蔽厂房屋顶采用钢屋顶与上部钢筋混凝土组成组合结构模块（下文简称穹顶）。

第4章 结论与展望

4.1 主要结论
（1）第三代核电站穹顶的模块化设计有效的提高工程建造的质量、能够缩短建造的工期。三代核电机组模块化的施工工艺，将大量的现场工作转移到了车间，改变了原有的先土建后安装的施工模式，使得土建和土建、土建和安装、安装和调试之间没有了明显的时间间隔，而是深度交叉，形成平行、立体化的交叉施工模式。
（2）自密实混凝土的浇筑是穹顶模块土建施工的关键问题。三代核电站的土建施工过程中自密实混凝土的施工工艺需要经过配合比设计和验收实验环节。采取分层浇筑，必须确保已浇筑的下层混凝土未达到初凝前覆盖上一层，必须确保未凝混凝土浇筑高度不能超过模块壁板抗侧压力强度；根据待浇区域面积设计若干布料点，确保自密实混凝土依靠自重流动填满各个角落；自密实混凝土的自由下落的最大高度应保证在自密实混凝土1.5m 左右为宜；可采用在模板外侧敲击等辅助振捣的方式来增加它的流动性及密实度。
（3）模块化土建施工的一个突出特点是土建与安装无明显的分界，实现最大程度的工序衔接，从而实现土建安装平行施工、交叉施工。因此，模块的工厂预制、运输、现场拼装、倒运、吊装就位等各道工序完成时间点是实现进度目标是关键。
（4）建造工具更加大型和专业。穹顶结构模块的形体和重量都比较大，综合考虑后，必须要使用 2600T 吊车，而现场大型设备有比较多，所以在使用时间上可能会有冲突，因此，必须把设备的大型化和专业化纳入考虑范围。
（5）三代核电的建造过程中，模块化建造技术是主流，这表明预制工作会大大增加。模块化施工将模块的组装工作由现场转移至车间，减少了工作危险系数，同时将组装工作安置于受控制的环境之中，是的经验的反馈更直接，保证了组装质量，进而保证了核岛工程项目的建造质量。
（6）第三代核电站在设计时就考虑了模块化建造理念，这区别于以往的设计和建造相分离的理念，这一理念加快了建造进度，保证了建造质量。
参考文献（略）