一种反应堆单层安全壳及其施工方法与流程

本发明涉及一种反应堆单层安全壳及其施工方法，属于核电结构工程技术领域。

背景技术：

安全壳是核电厂中极其重要的结构，反应堆、压力容器、蒸发器、安全级管道都在安全壳中，它属于核电厂第三道安全屏障。安全壳是核安全相关结构，属于抗震i类构件，要考虑安全壳内一回路事故工况下温升和内压下的承压和密封性，也要考虑抵御大型商用飞机撞击及其他外部事件作用。

常用的核电厂安全壳都是双层壳体结构，内壳采用纯钢壳或者预应力混凝土壳体以保证承受内压和密封性，避免放射性外泄；外壳通常采用较厚截面的钢筋混凝土壳体以抵御大飞机撞击作用，双层安全壳之间留出一定距离以保证外壳在飞机撞击产生破坏和变形时不至于影响到内部安全级设备和系统。但是双壳造价高昂，且工艺复杂，施工过程缓慢，极大的拖累了建造工期和工程经济性。因此，亟须提出一种高性能的单层安全壳结构形式，以解决上述问题，且安全功能不能降低，即既要保证事故内压下密封，也要保证正常工作压力下混凝土不开裂，同时还要保证飞机撞击时不对内部核级管道和设备产生影响。

同时由于核电大件设备多且到场时间往往不一致，且施工期间设备安装对内部环境要求较高，须满足安全壳临时的密封性和壳内的清洁区要求，后续大件设备也存在寿期内检修和更换问题。因此，也亟须对安全壳穹顶提出一种永临结合预留孔设计。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种反应堆单层安全壳及其施工方法，以克服已有技术的缺点，使安全壳的安全功能不能降低，又保证事故内压下密封，也保证正常工作压力下混凝土不开裂，同时还要保证飞机撞击时不对内部核级管道和设备产生影响。

本发明提出的反应堆单层安全壳，由下部的筒身部分和上部的穹顶部分组成，筒身和穹顶采用带有抗剪-单向不抗拔构件的单侧钢板混凝土结构；所述的钢板设在安全壳内侧，抗剪-单向不抗拔构件均布于钢板上，抗剪-单向不抗拔构件由成斜交或正交网格状排布的加劲肋、栓钉和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋组成，加劲肋、栓钉和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋分别与钢板焊接固定，光面抗剪筋的上端部通过抗剪筋顶部的直螺纹锚固板与安全壳墙体外侧的钢筋网的钢筋交点进行固定；钢板的外表面以及加劲肋、栓钉和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋的顶部分别设有泡沫材料；加劲肋、栓钉、抗剪筋侧面均涂有薄层的类油脂材料；抗剪-单向不抗拔构件埋置于混凝土或超高性能混凝土(即uhpc)中，穹顶上开有预留孔，反应堆单层安全壳固定的地基上。

上述反应堆单层安全壳中，预留孔的工装由加强环、盖板、高强螺栓、环型法兰、加劲肋板、柔性密封材料和可拆卸拉索组成；所述的加强环与穹顶相对固定，加强环突出于穹顶顶面；所述的盖板的外表面和加强环的内表面分别加工有上下台阶，通过盖板外表面和加强环内表面的上下台阶，盖板固定在加强环内，环型法兰置于加强环和盖板的顶部，并通过高强螺栓保证加强环和盖板的相对固定，加强环与盖板的接触面之间设有柔性密封材料，加强环与穹顶之间设有加劲肋板，盖板与穹顶之间设有可拆卸拉索。

本发明提出的反应堆单层安全壳的施工方法，包括以下步骤：

(1)根据反应堆发生事故时，单层安全壳内的内压和内压温升和的设计要求，计算安全壳内侧钢板的厚度以及泡沫材料厚度，并根据承压大小、泡沫材料厚度和穹顶跨度，确定安全壳钢板外侧浇筑的是常规混凝土或超高性能混凝土；

(2)根据各种预设的荷载工况和组合，包括内压、地震荷载、施工荷载、恒活作用和大飞机撞击作用，计算单侧钢板混凝土或单侧钢板超高性能混凝土结构的截面形式，包括斜交或正交网格排布加劲肋规格及间距、抗剪筋直径和间距；

(3)计算确定预留孔周边环形加强结构的结构形式以及与盖板之间的连接设计，包括环形加强结构的加劲肋板间距、高强摩擦高强螺栓选型和布置；

(4)根据步骤(1)-步骤(3)的设计，加工安全壳钢板以及与之连接成整体的加劲肋、栓钉和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋，根据施工的可行性，形成分段的钢板模块；

(5)在加劲肋翼缘、栓钉钉帽和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋的顶部加贴泡沫材料，并在加劲肋翼缘、栓钉钉帽和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋涂抹薄层的类油脂材料，形成抗剪-单向不抗拔的连接构件；

(6)待步骤(4)的钢板模块吊装就位后，在安全壳无钢板的另一侧进行钢筋网绑扎，光面抗剪筋通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定，并在外侧支设混凝土浇筑模板；

(7)在单侧钢板和支设的模板之间进行自密实混凝土或超高性能混凝土浇筑，并按照上述步骤逐层分段往上浇筑至穹顶段；

(8)穹顶段底部单侧钢板和加劲肋自成模板，安装就位后进行钢筋网绑扎，带直螺纹锚固板的光面抗剪筋通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定；

(9)在穹顶底部钢板上浇筑自密实混凝土或超高性能混凝土，最终形成在穹顶处留有吊装孔的单侧钢板混凝土或单侧钢板超高性能混凝土单层安全壳结构；

(10)将盖板吊装至穹顶顶部，进行定位、安装、密封、紧固，在穹顶与盖板的底部之间增设可拆卸拉索进行二次连接。

本发明提出的反应堆单层安全壳及其施工方法，其特点和优点如下：

本发明的反应堆单层安全壳，在安全壳内侧采用钢板可满足事故内压下的承压和密封要求，有效起到屏蔽和防止放射性外泄的作用；钢板外侧的一定厚度的混凝土可以提高截面刚度和整体稳定性；在钢板表面连接的栓钉可防止钢板的压力下的面外失稳，带直螺纹锚固板的光面抗剪钢筋通过与安全壳外侧的钢筋网连接形成整体，可有效提高单侧钢板混凝土抗大飞机撞击性能，同时安全壳内侧钢板能避免飞机撞击时混凝土背部碎甲对内部核级管道产生破坏；在钢板表面连接的t形加劲肋能大大提高钢板模板在运输期间的稳定性，同时加劲肋形成网格骨架能大幅度提高结构的抗剪能力，斜交网格可进一步提高结构力学性能，节省材料，在穹顶跨度增加的情况下，能减小截面尺寸、减轻结构自重；在肋板翼缘、栓钉钉帽、抗剪筋锚固板顶面粘接有经计算厚度的泡沫材料，肋板、栓钉、抗剪筋侧面均涂有薄层的类油脂材料，最终形成一套安全壳抗剪-单向不抗拔体系，可以让钢板在安全壳内事故温升和内压下进行自由外扩，抗剪-单向不抗拔构件可沿着与混凝土的接触面自由滑动，避免在环向应力下混凝土开裂；通过设置在穹顶的永临结合预留孔和盖板结构，能满足核电站寿期内安全壳内大件设备的检修和更换，通过高强螺栓和环型法兰板进行连接可以保证盖板与开孔之间的连接强度，通过在盖板与穹顶孔壁之间的孔隙添加柔性密封材料可以保证连接处的密封性和外部防水性。通过永临结合的预留孔和盖板设计可有效避免寿期内更换大件设备再进行穹顶开孔的工程投入和施工难度。安全壳筒身部分带肋钢板在施工时可以形成部分模板，减少了混凝土施工时的支模，顶部穹顶带肋钢板直接可以作为混凝土浇筑的底模，可加快工程施工，减少工期。

综上所述，本发明提出的反应堆单层安全壳，由于其独特的单层结构，有效利用钢材和混凝土自身的力学特性，充分发挥钢材的抗拉和混凝土的抗压能力，不仅保持了已有技术的双层安全壳的安全功能，适应安全壳内更高的承压需求和更大的穹顶跨度，还可以大幅降低工程成本，因此本发明的反应堆单层安全壳具有卓越的工程经济性，能降低核电成本，增强核电的市场竞争力，具有很好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明提出的反应堆单层安全壳的总体结构示意图。

图2为本发明安全壳中由钢板和加劲肋组成的内部钢结构俯视图。

图3为图1中的抗剪-单向不抗拔构件的局部放大图。

图4为图1的预留孔14中盖板与穹顶连接剖面的局部放大图。

图5为图1所示的反应堆单层安全壳的盖板与穹顶的连接部分俯视图。

图6为本发明的反应堆单层安全壳的施工流程图。

图1-图6中，1是钢板，2是加劲肋，3是栓钉，4是光面抗剪筋，5是混凝土，6是泡沫材料，7是加强环，8是盖板，9是高强螺栓，10是环型法兰，11是加劲肋板，12是柔性密封材料，13是可拆卸拉索，14是预留孔，15是钢筋网，a是单层安全壳的壳体，b是地基。

具体实施方式

本发明提出的反应堆单层安全壳，其结构如图1和图2中所示，反应堆单层安全壳由下部的筒身部分和上部的穹顶部分组成，筒身和穹顶采用钢板1、抗剪-单向不抗拔构件混凝土结构；所述的钢板1设在安全壳内侧，抗剪-单向不抗拔构件均布于钢板上，抗剪-单向不抗拔构件由成斜交或正交网格状排布的加劲肋2、栓钉3和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4组成，加劲肋2、栓钉3和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4分别与钢板1焊接固定，光面抗剪筋4的上端部通过抗剪筋顶部的直螺纹锚固板与安全壳墙体外侧的钢筋网15的钢筋交点进行固定，如图3所示。钢板1的外表面以及加劲肋2、栓钉3和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4的顶部分别设有泡沫材料6；加劲肋2、栓钉3、抗剪筋4侧面均涂有薄层的类油脂材料；抗剪-单向不抗拔构件埋置于混凝土5中，穹顶上开有预留孔14，反应堆单层安全壳a固定的地基b上。

上述反应堆单层安全壳的预留孔14的工装，其结构如图4所示，由加强环7、盖板8、高强螺栓9、环型法兰10、加劲肋板11、柔性密封材料12和可拆卸拉索组成；所述的加强环7与穹顶相对固定，加强环7突出于穹顶顶面；所述的盖板8的外表面和加强环7的内表面分别加工有上下台阶，通过盖板8外表面和加强环7内表面的上下台阶，盖板8固定在加强环7内，环型法兰10置于加强环7和盖板8的顶部，并通过高强螺栓9保证加强环7和盖板8的相对固定，加强环7与盖板8的接触面之间设有柔性密封材料12，加强环7与穹顶之间设有加劲肋板11，盖板8与穹顶之间设有可拆卸拉索13。

本发明的反应堆单层安全壳的施工方法，包括以下步骤：

(1)根据反应堆发生事故时，单层安全壳内的内压和内压温升和的设计要求，计算安全壳内侧钢板1的厚度以及泡沫材料厚度，并根据承压大小、泡沫材料厚度和穹顶跨度，确定安全壳钢板外侧浇筑的是常规混凝土或超高性能混凝土；

(2)根据各种预设的荷载工况和组合，包括内压、地震荷载、施工荷载、恒活作用和大飞机撞击作用，计算单侧钢板混凝土或单侧钢板超高性能混凝土结构的截面形式，包括斜交或正交网格排布加劲肋规格及间距、抗剪筋直径和间距；

(3)计算确定预留孔14周边环形加强结构的结构形式以及与盖板之间的连接设计，包括环形加强结构的加劲肋板间距、高强摩擦高强螺栓选型和布置；

(4)根据步骤(1)-步骤(3)的设计，加工安全壳钢板1以及与之连接成整体的加劲肋2、栓钉3和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4，根据施工的可行性，形成分段的钢板模块；

(5)在加劲肋2翼缘、栓钉3钉帽和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4的顶部加贴泡沫材料，并在加劲肋2翼缘、栓钉3钉帽和带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4涂抹薄层的类油脂材料，形成抗剪-单向不抗拔的连接构件；

(6)待步骤(4)的钢板模块吊装就位后，在安全壳无钢板的另一侧进行钢筋网绑扎，光面抗剪筋通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定，并在外侧支设混凝土浇筑模板；

(7)在单侧钢板和支设的模板之间进行自密实混凝土或超高性能混凝土浇筑，并按照上述步骤逐层分段往上浇筑至穹顶段；

(8)穹顶段底部单侧钢板和加劲肋自成模板，安装就位后进行钢筋网绑扎，带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定；

(9)在穹顶底部钢板上浇筑自密实混凝土或超高性能混凝土，最终形成在穹顶处留有吊装孔的单侧钢板混凝土或单侧钢板超高性能混凝土单层安全壳结构；

(10)将盖板8吊装至穹顶顶部，进行定位、安装、密封、紧固，在穹顶与盖板1的底部之间增设可拆卸拉索13进行二次连接。

以下结合附图，详细介绍本发明内容：

图1为本发明单层安全壳结构总体结构示意图，包括下部的筒身部分和上部的穹顶部分，图2为本发明安全壳内部钢结构(钢板+加劲肋)俯视图，图3是图1中局部放大图，即抗剪-单向不抗拔构件的示意图。

如图3所示，筒身和穹顶结构采用单侧钢板混凝土结构，钢板1设在安全壳内侧，在钢板外表面设有斜交或正交加劲肋2、栓钉3、带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4，皆埋置于混凝土(或超高性能混凝土)5中。钢板1形成的封闭结构可保证事故工况内压下，安全壳内承压和密封要求；栓钉3可保证钢板平面外受压屈曲稳定性；带直螺纹锚固板的光面抗剪筋4与安全壳不带钢板的另一侧钢筋网在钢筋网节点处通过直螺纹锚固板进行固定，待浇筑混凝土后形成一体化结构，成为一个抵御安全壳外飞机撞击的抗冲切体系，内侧钢板1一方面能大大提高安全壳的抗飞机撞击能力，减小撞击变形，同时也能防止背部混凝土碎甲飞出的矢量块对安全壳内核级管道产生影响。

在安全壳内温度和内压作用下，一般安全壳内会出现很大的环向拉应力，混凝土容易开裂，在图3中通过设置在钢板外表面、加劲肋翼缘顶部、栓钉钉帽顶部及抗剪筋锚固板顶部的泡沫材料6，以及在加劲肋、栓钉、光面抗剪筋表面的类油脂材料形成一套抗剪-单向不抗拔体系，可让内侧钢板自由的径向外扩，抗剪-单向不抗拔构件可沿着与混凝土的接触面自由滑动，从而有效地释放掉混凝土中的拉应力，避免了混凝土的开裂。

考虑大件设备到场时间不一致和设备运行时的大件设备检修和后续更换，在图2中可以看见在穹顶上设有预留孔14，图4中表示了穹顶部分考虑永临结合的穹顶预留孔设计，预留孔14周圈采用环形加强结构7突出于穹顶顶面，盖板8底部与穹顶底部预留的高强螺栓洞口采用高强螺栓9进行连接固定，洞口底部启口下方设有环形排布加劲肋板进行加强，盖板8顶部通过可周向调节角度环型法兰10以及高强螺栓9与盖板进行连接，洞口加强结构外侧同样设有加劲肋板11。后续大件设备寿期内需要更换时，盖板可以通过高强螺栓进行拆卸和开启。所述盖板和穹顶洞口之间缝隙采用具有较高强度的柔性密封材料12进行填充，以保证穹顶内压下的密封性，以及满足穹顶外部的防水功能。

如上所述的永临结合预留孔和盖板，所述盖板通过高强螺栓和环型法兰与穹顶环形加强结构进行连接，除此之外，还在穹顶与盖板的底部之间增设可拆卸拉索13进行二次连接，作为冗余防线，避免盖板被大飞机直接撞击导致盖板脱落，对安全壳内设备产生破坏。

安全壳施工考虑模块化设计建造理念，筒身内侧单侧钢板1和斜交或正交加劲肋2可代替部分混凝土浇筑模板，穹顶底部单侧钢板1和加劲肋2可直接作为混凝土浇筑模板，最终降低工程施工难度，加快工程进度，提供工程经济性。

本发明反应堆单层安全壳的施工方法的流程示意图如图6所示，其具体实施步骤陈述如下：

步骤1，根据事故内压温升和内压计算安全壳内侧钢板的厚度以及泡沫材料厚度，根据承压大小、泡沫材料厚度、穹顶跨度综合确定安全壳钢板外侧浇筑的是常规混凝土还是超高性能混凝土；

根据各种预设的荷载工况和组合，包括内压、地震荷载、施工荷载、恒活作用、大飞机撞击作用等，计算单侧钢板混凝土(或单侧钢板超高性能混凝土)结构的截面形式，包括斜交或正交网格排布加劲肋规格及间距、抗剪筋直径及间距等；

步骤2，通过计算确定穹顶开孔周边环形加强结构的结构形式以及与盖板之间的连接设计，包括环形加强结构的加劲肋板间距，高强摩擦高强螺栓选型和布置；

步骤3，加工安全壳钢板以及与之连接成整体的加劲肋、栓钉、光面抗剪筋，考虑施工的可行性形成分段的钢板模块；

步骤4，在加劲肋翼缘、栓钉钉帽、光面抗剪筋锚固板的顶部加贴泡沫材料，在其侧面涂抹薄层类油脂材料，形成抗剪-单向不抗拔的连接构件；

步骤5，待钢板模块吊装就位后，在安全壳没有钢板的另一侧进行钢筋网15的绑扎，光面抗剪筋通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定，并在外侧支设混凝土浇筑模板；

在单侧钢板和支设的模板之间进行自密实混凝土(或超高性能混凝土)浇筑，并按照上述步骤逐层分段往上浇筑至穹顶段；

穹顶段底部单侧钢板加劲肋自成模板，待其安装就位后进行钢筋网绑扎，光面抗剪筋通过顶部的直螺纹锚固板与钢筋网的双向钢筋交点进行固定；

直接在其上浇筑自密实混凝土(或超高性能混凝土)，最终形成带在穹顶处留有吊装孔的单侧钢板混凝土单层安全壳结构；

步骤6，将盖板吊装至穹顶顶部，进行定位、安装、密封、紧固，在穹顶与盖板的底部之间增设可拆卸拉索进行二次连接。