浅谈核电站管道支吊架的优化设计和施工工序的改进方法
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【摘 要】笔者通过对核电站管道支吊架预制及安装的质量控制工作，发现支吊架在设计阶段存在选型复杂，施工阶段存在工序不合理，工程变更较多等问题，给安装工作造成较大困难，难以保证施工质量。本文针对设计、施工中存在的问题进行了探讨和分析，提出了优化改进措施，可以提高工作效率，保证核电站支吊架施工质量。
近年来，我国核电事业高速发展，对核电厂安全要求越来越高。管道系统在核电厂中被大量使用，支吊架装置作为管道系统的主要支承元件,是管道系统中的一个重要组成部分。支吊架的配置(位置、类型) 、荷重及热位移对于管道的安全、可靠运行具有非常重要的作用, 其性能的好坏、承载是否合理都直接影响管道的使用寿命及安全运行。本文结合目前核电站支吊架设计、施工中存在的不足，提出了设计优化建议和施工工序的改进方法，为今后核电站支吊架设计、安装提供参考意见。
1．支吊架简介
1.1 支吊架的范围及主要功能
支撑管道的支吊架通常分为两部分，一部分属于土建主结构部分，习惯称为“管架”或“管廊”；另一部分管道与土建主体结构之间相连接的各种支、托、吊部分，包括生根在建筑物（钢结构）上的各种支架以及高度在2m以下的独立支架，通称为“管道支吊架”。本文中所指支吊架即为后者，属管道专业设计、安装范畴。
管道支吊架的主要功能概括为：承受管道载荷、限制管道位移和控制管道震动三个方面。其中承受管道载荷为支吊架最主要、最普遍的功能。
1.2 支吊架的分类及构成
根据管道支吊架的功能以及管道支吊架各自的主要性质和用途，可将其分为承重支吊架、限位支吊装置和振动控制装置三大类。管道支吊架装置都是由装在管子上的部件（管部结构）和固定在承载结构（建筑结构或设备）上的部件（根部结构）以及与这两类部件相连接的中间部件[支吊架装置的功能部件（简称功能件）和（或）中间连接件]所组成。
2．支吊架设计、施工中存在的问题及分析
2.1 支吊架出现的问题
在核电站管道系统投入调试运行后和大小修检查中发现：由于设计或施工的问题，使支吊架工作状态异常, 造成管道受力不合理，或因锈蚀耐久性降低等问题，使管道运行条件达不到原设计要求。归纳起来主要有以下几个方面：
（1）管道和支吊架在安装过程中存在施工偏差。管道系统运行后管道限位结构断裂、脱离、失效，或者强度不够引起变形偏斜；支吊弹簧压缩、伸张受阻，不能灵活自如，恒力吊架花兰螺丝的螺母卡在其它钢梁上，导致弹簧的变形、失效。
（2）支架空托、悬空。由于设计或安装时热位移量不够，致使管道导向支架因空托或悬空而失效。
（3）支吊架严重锈蚀。特别是支吊架管部、根部和弹簧等，一则安装顺序不当，部分区域防腐质量差或防腐施工不可达；二则由于长期处于海洋性盐碱环境、运行工况差，检修和维护是个死角，致使这些部位严重受损。
2.2 设计、施工中存在的问题原因分析
产生上述问题的设计原因是：核电站支吊架在传统设计时为了实现其对管道系统的预设作用，采取了多种多样的设计形式，基本没有参照标准支吊架图集选型，致使部分支吊架庞大笨重，结构复杂异常。
施工中存在的原因有：支吊架施工顺序是预制阶段组装焊接完毕后进行喷砂防腐，安装阶段支吊架调整完毕后进行补漆(见图2.2）。传统的施工工艺经现场实际操作时发现存在以下问题：
（1）支吊架安装困难。由于部分支吊架体积、重量较大，在现场安装时通常要考虑采取手拉葫芦或其他吊装措施，加之个别核岛厂房空间狭小、管道和支架密集，给支吊架的安装就位带来很大困难。
（2）防腐涂装施工困难。核电站支吊架中采用了众多的箱型结构，传统核电站支吊架箱型结构防腐蚀做法是：长度≤300mm时，人工用毛刷从开口端刷漆；长度＞300mm时，不进行内壁涂装防腐，将另一端封口密闭。经验表明，对于不封口的箱型结构采用人工毛刷涂漆的效果较差，常出现漆膜厚度不够及流挂、起皱、起皮等质量缺陷；如果进行密闭处理，也存在不足：密闭处理时存在一部分空气在箱型结构里，为以后支吊架的锈蚀埋下隐患；支吊架从预制到最终安装的周期较长，密闭工作通常只能在支吊架调整时进行，密闭前箱型结构内部已经锈蚀；支吊架预制时在进行组装焊接，组件之间形成缝隙、死角，进入喷砂防腐阶段，无论利用机械除锈或手工除锈效果均不好，防腐涂装更加困难，称之为防腐不可达。
（3）现场变更多，影响施工速度。由于核岛厂房内安装工程涉及电气、通风、仪表、管道等众多专业，现场情况错综复杂，在施工阶段往往由于多专业“打架”或本专业“打架”，而需对支吊架进行变更使支吊架工作。核电站的变更管理流程线路较长，批复流转时间久，影响施工顺畅进行。
3．支吊架的设计优化
支吊架设计是管道设计的重要任务之一。从某种意义上说，管道的设计过程也是管道支吊架设计过程。为了减少核电站支吊架变更，方便安装，需要进行优化设计，建议如下：
3.1 管道支吊架设计选用应优先选用标准的及通用的支吊架
在设计中，应优先选择普通支吊架，尽量减少弹簧支吊架，由于弹簧支吊架比普通支吊架贵，在长期工作状态下还有失效问题，不如普通刚性支吊架耐用可靠，且过多的设置弹簧支吊架还会使管系各点位移方向失去控制，稳定性差。另外，标准支吊架在预制、安装过程中容易积累经验，组织标准化施工，提高支吊架安装质量。
3.2 在支吊架设计中应考虑足够的安装和维修空间
在核电站支吊架安装过程中由于空间狭窄，给支吊架的安装和焊接工作造成很大困难，容易造成支吊架安装位置偏差不能保证管道系统受力状态，而且支吊架最后在补漆时也不能保证涂装质量。同时也给电厂投入运营后，检修人员进行支吊架系统冷态、热态调整及维修带来极大的不便。因此支吊架在设计时应尽量简化型式，在满足设计功能的情况下优先采用构造简单的小型支吊架。
3.3 采用新型组合式支吊架，减少焊接工作量和安装难度
传统支吊架以焊接方式连接，整副支架焊接好后再安装，非常笨重，安装时需多人合作才能完成；而新型支吊架以连接件的方式组合、咬合或啮合支架各部件，安装时只需两人合作即可轻松完成支架安装。新型组合式支吊架可以工厂标准化生产，现场安装即可，与原始的制作方式相比降低了材料与辅材的损耗，节省了大量的人力成本，提高了工效和施工安全性，减少了对环境的污染。
3.4 借助支吊架系统建模，有效避免碰撞
对于传统的二维设计,主要靠设计人员的手工对比,解决各种碰撞问题。支吊架与设备、管道、桥架、建筑结构其它管道支吊架之间的碰撞现象时有发生。以前的三维设计仅将设备、管道、建筑物结构引入三维设计平台,支吊架仅是管道上的一个逻辑点,也无法解决支吊架的碰撞问题。现场一旦出现这类问题,往往需要调整支吊架位置或安装方式,部分管道需要重新进行应力分析,对所调整的支吊架进行重新设计,既浪费安装材料又影响工程进度。借助支吊架系统建模软件,通过在核电厂区统一坐标系中输入相关数据可以将支吊架以三维模型形式与设备、管道、桥架、建筑物结构共同搭建在PDMS平台上,通过程序的碰撞检查功能,可以有效避免这类问题的发生,降低设计失误。
4．支吊架施工工序的改进
支吊架的安装施工过程涉及车间组装焊接、喷砂防腐、现场安装、现场补漆四项重要工序，根据现场施工经验，笔者认为进行各项施工工序的合理搭配，对制作安装质量的提高及系统运行寿命的延长意义重大。
4.1 进行支架车间预制与现场安装工序调整
技术人员应深入理解支吊架图纸各部件的组装顺序，熟悉现场安装位置与施工难度，利用车间优越的施工条件完成主体部件的组装焊接，尽量减少现场焊接工作量；对于预留调整段或因涉及设计、安装偏差需要调整的的支吊架可进行现场实测预组装后返回预制车间进行组装焊接及防腐涂装工作。
4.2 预制、安装与防腐涂装的交叉配合
由于箱型结构或预制完成后防腐施工不可达的支吊架在组装完毕后防腐涂装困难或效果不理想，可以调换为：对于要组装为箱型结构或防腐不可达支吊架的组件（槽钢、钢板等）在下料后可以先进行防腐涂装施工，再返回预制车间进行组装焊接，完成后再次对焊缝处进行手工补漆；需要注意的是，为防止涂装完毕的支吊架组件返回预制车间时错用、误用，应对这些组件进行标识便于辨认。工序调整后可以有效的解决该种类型支架的防腐蚀问题。
4.3 进行支吊架与管道安装的搭接施工顺序
为了满足支吊架安装时人员站位空间要求，同时保证安装质量，可以将支吊架的安装可分为两个阶段，即：第一阶段、第二阶段，称之为第一级支架和第二级支架。第一级支架指的是固定到土建钢结构或混凝土结构上的固定部件和辅助钢结构架。第二级支架包括：管道限位和固定部件、中间支承件。
一般第一级支吊架应在安装管道之前安装，这些支架可用于管道系统的吊装和就位；第二级支吊架的安装工作需与管道安装相互配合进行，两者相辅相成。第二级支吊架安装：管道在支吊架上位置调整好后，按设计要求用管卡固定管道。安装完毕后，检查整个管道系统的支吊架，达到受力应均匀、稳固后解除临时吊挂装置。
5．结束语
提高核电厂管道支吊架的安装质量，精心调整支吊架施工工序，使其处于良性工作状态，这项工作已越来越受到核电业主及参建单位的重视。通过这项工作，可以有效地减少支架失效导致事故的发生，不断提高核电厂的安全生产水平，延长机组的使用寿命。
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