一种基于模块化建造理念的热室装置研究与设计

作者：张毅      

1引言

    热室是进行高放射性实验和操作的屏蔽小室，是装配有设备、电气、管道、通风等在内的完整的独立系统。热室在我国的核技术领域、高能物理研究领域均有广泛应用，常用于燃料元件的检验、处理，材料的物性、机械性能和金相测试实验，同位素分装，放射化学实验等。文中以国内某大型物理实验装置的热室壳体及相关部件设计建造为背景，对模块化建造理念下的热室设计和建造工艺进行研究，解决其结构强度与变形控制、吊装运输、精度控制等问题，为后续其他类型的热室设计建造提供参考。

2热室结构分析

2.1热室的基本结构

    热室主要由热室壳体、铸铁防护屏、窥视窗、铸铁防护门、密封门及通道、底部转运孔、机械手、穿墙直孔道、预埋水电气管道、水平转运通道、操作台等组成，热室内部设备根据其功能布置，结构见图1。热室系统包含的部件众多、结构复杂、与外部的接口甚多，设计时需要考虑每个细节，以保证后续施工的可行性以及与外部接口的准确性。

2.2热室的主要功能

    热室属于高放实验室，其墙壁为厚大于1000mm的重混凝土墙，以将y放射性和周围环境隔绝。内壁常采用不锈钢覆面，便于冲洗和去污。前墙上装有铅玻璃或高密度液体的窥视窗，装有机械手可进行远距离操作。后墙装有铸铁门，必要时可以进入，清洗、安装和拆卸设备。顶部装有灯箱，用于照明，安装有运输小车，运送物品进出热室。由排风系统通风，保持热室在负压下工作。排出的风要通过高效过滤器，除去放射性气溶胶和尘埃。

2.3  热室壳体设计和建造的主要问题分析

    (1)组装成整体后的壳体结构由于重量和体积大，增加了吊装运输的难度

    热室壳体组装成整体后体积大，重量大，考虑工程所在地区的交通运输、安装位置与组装位置的距离、吊车资源等实际情况，为确保各项工作的顺利进行，拟对热室壳体采用分两段设计。

    (2)大型壳体结构在吊装运输以及浇筑混凝土过程中的强度与变形问题

    热室壳体采用型钢加薄壁不锈钢板组成。型钢选用过大，将增加建造成本和壳体本体重量，型钢选用过小，其强度将得不到保证，因此选用合适的型钢材料尤为重要。同时，为防止吊装运输及浇筑混凝土过程中的变形，还需要采取内外部增加支撑的方式防止其变形。

    (3)提前加工的孔洞或预装部件的精度控制问题

    热室壳体上包含有若干个与相关部件接口的孔洞，如机械手穿墙孔、窥视窗孔等，与这些孔洞接口的部件精度要求较高，因此对壳体上的开孔精度要求也较高。为保证后续部件的准确安装，所有开孔均在壳体拼装成型后进行，且在同一个测量基准的控制之下。

    (4)壳体装就位后混凝土的浇筑、电缆管敷设等后续工序的可行性问题

    热室壳体现场组装成整体后的后续工序包括钢筋绑扎、穿管安装、预埋管安装等内容，存在的问题主要为钢筋与部件相碰、预埋管没有操作空间、混凝土浇筑不密实等问题。这些问题均会影响到工程的质量，其解决途径主要是在设计阶段合理布置穿墙管、预埋管位置及走向，浇筑时采用自密实混凝土等措施。

3热室壳体结构设计

3.1热室壳体主要参数设计

    (1)热室壳体材料

3.2热室壳体强度设计

3.2.1吊装对热室壳体强度影响分析

    热室长度为18m，现场整体吊装难度很大，因此需要将热室在中间分成两部分进行吊装，并且在中间断开部分添加槽钢进行加固，防止在吊装过程中产生过大的变形。

    ANSYS建模时，建立热室一半的模型，整个模型的质量为18024.5kg。吊装绳与模型四个吊角为450，建模时槽钢单元采用BEAM189单元，钢板采用SHELL63单元。建模单位采用m，力的单位取N，相应弹性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0.3。建立的吊装模型见图2。

    为了更好的模拟吊装过程，施加合理的边界约束条件，热室底部四角锚固，热室的重力分解，加载到四个吊角上，施加的力为：F x=40150N, F y=20457N,F z=45061N。加载完边界条件后热室受力情况见图2。

    可以从上图看出变形最大的点在四个吊角处，其变形值大小为0.264mm，这个变形量是很微小的，因此这个变形量可以接受。

3.2.2混凝土浇筑对热室壳体强度影响分析

    由于热室壳体是个相对对称的四方体结构，在分析时直接分析最薄弱的一边，也就是最长的一面墙体，主要分析在加载侧压力后，整个墙体框架的变形情况，如果变形过大，可以在施工过程在相应的地方进行加固；另外侧压力直接作用的钢板上，可能会引起钢板的“鼓包”，这时还要分析每个钢板，得出其变形值，根据变形大小来确定是否需要将模板框架加密。

    ( 1)热室墙体分析

    槽钢单元采用BEAM189单元，钢板采用SHELL63单元。建模单位采用m，力的单位取N，相应弹性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0. 3。实体化后模型显示见图3。

 边界条件按实际情况添加：最下面槽钢锚固，两边槽钢限制其Y向。现场在浇筑混凝土时会对每个槽钢围成的单元在中心进行加固，防止在浇筑过程中产生过大的变形。

    重混凝土密度为3.6t/m3，塌落度为1 20，浇灌前作重混凝土试块强度试验，并满足《混凝土辐射屏蔽》EJ/T1144-2004有关规定。

    新浇筑混凝土对模板侧压力标准值：依据原《混凝土结构工程施工验收规范》GB50204-92，附录中有关“普通模板及其支架荷载标准值及分项系数”的取值规定，按照新浇筑混凝土对模板侧压力的两个计算公式进行复核，并取二式中的较小值。

    考虑现场施工情况，4m高的混凝土需要分四次进行浇筑，每次浇筑的高度为1m，按照侧压力计算位置至新浇筑混凝土顶面实际浇筑高度计算公式，相应F=36H=36kN/m2相应

得设计值为54.4kN/m2；考虑现场混凝土浇筑量比较大，现场浇筑速度不宜过快，取浇筑速度为1m/h，按照施工现场实际的混凝土浇筑速度计算公式，F=87.44×=87.44kN/m2，相

应的设计值为116.128kN/m2；两者中取较小值为54.4kN/m2。

    施加在钢板上的侧压力取54.4kN/m2时，整个结构的变形见图3。可以看出变形最大的点，其变形值大小为1.422cm，在施工过程中由于还要对

进行加固，所以这个变形值是可以接受的。

    (2)对每个钢板单元“鼓包”进行分析

    ANSYS建模时，槽钢采用BEAM189单元，钢板采用SHELL63单元，建立完的，建模单位采用mm，力的单位取N，相应弹性模量取2.1x10"N／m2，泊松比取0.3，边界条件按如下施加：四周槽钢锚固，最中间的地方施加Z向约束，钢板施加面力，大小为：54.4kN/m2。加载完面力后分析其受力情况，结构的变形见图4。

    从这两个视图，可以发现钢板确实发生了“鼓包”现象，其变形最大的地方发生在钢板的中心点两侧，变形值为1.88mm，这个变形值对于施工过程中是可以接受的。

4热室的主要建造工艺设计

4.1热室壳体及相关部件的制作

    热室建造采用模块化建造方式，即在土建施工开始前进行热室的加工预制，壳体预制时先预制底板和四面墙体，预制完后组装成箱体。由于热室分两段建造，两段在工厂制造完

成后需要进行预组装，预组装并满足精度要求后在连接处钻攻定位销，便于现场组装。其他部件（如窥视窗外框、机械手水平管等单独加工），运抵现场后装配。所有部件在工厂验收合格后运抵现场进行安装。

4.2热室的安装工艺

    热室的现场安装分为两个阶段：第一阶段为热室壳体及贯穿墙体预埋件的安装（本该阶段穿插在土建钢筋绑扎和混凝土浇筑过程中进行）；第二阶段为热室内部精密设备部件的安

装（如机械手、窥视窗铅玻璃、拖车等工艺设备，本阶段在热室壳体覆面板抛光后在内部进行）。

    在施工过程中，应首先确保壳体的定位精度（以预组装时选定的基准线或基准面为准，包括安装方位、拖车通道中心线、窥视窗中心标高、壳体侧壁垂直度等），然后逐一安装各部件，测量控制应由合格的测量人员进行并记录相应的测量报告。

4.3热室吊装工艺

    吊车选型：由于热室位于工程中心区域，距离外围场地较远，且热室壳体每段体积和重量都较大，必须提前考虑吊装就位问题。热室就位前应将开挖区域回填并夯实，满足大型吊车进出和站位要求，确保吊车站位后吊装半径在30m以内。吊车的具体选型应根据最终施工图与厂区布置图确定。

    吊装原则：施工单位在制定吊装方案时应进行现场整体平面图规划，在确保设备人员的安全及安装质量的前提下，考虑减少大型吊车在现场站位时间并充分利用吊车资源，除热室

壳体外，其他部件尽可能采用土建塔吊进行吊装作业。

4.4安装与土建的接口

    热室壳体及其预埋件的安装对土建绑筋和浇筑混凝土影响较大，需要和土建密切配合。首先基础绑筋浇筑时热室底部应该留出足够的安装操作空间，以确保热室底部部件的安装和

混凝土能浇实；其次热室四周墙体钢筋绑扎及浇筑应分层进行，热室壳体高度范围内至少应分三层绑筋浇筑。与热室壳体底板及左右墙相连的各孔或通道处的钢筋均应等部件就位后方

可绑扎。

5结论与建议

    热室属于放射性工作间，涉及的系统部件众多，设计阶段考虑各系统部件的合理布置、内外部的接口、辐射防护、制作工艺的安排、安装工序的设计、大型部件的吊装运输、安

装与土建的交叉作业、各部件精度的保证、检验试验方法等内容。通过对某大型物理实验装置热室壳体及相关部件的研究与设计，确定并优化了热室壳体的主要参数，解决了模块化建造理念下热室建造过程中的吊装运输、精度控制、变形控制、工序衔接等主要问题，确保了某工程热室装置的顺利建造，也为后续同类热室的设计建造奠定了技术基础，达到了研究目的。

    鉴于我国高能物理研究及核科学与技术的快速发展，后续将会有大量的试验研究装置工程建设，热室作为其中重要的组成部分，将会得到重要的发展。因此我们可以进一步对热室装置开展研究，实现全面的模块化建造，以减少现场的装配工作量，提升工程质量和进度。6摘要：本文以国内某大型物理实验装置为背景，采用模块化建造理念，设计了靶体检修用热室装置，并通过理论分析方法对热室壳体结构强度及建造工艺的可行性进行了研究，获得了模块化热室设计建造的基本方法与工艺。