“华龙一号”预应力倒U形钢束灌浆质量问题分析与应对

曹钟引

(福建福清核电有限公司，福建 福清 350318)

“华龙一号”预应力工程钢束灌浆作业是整个施工工艺的最后一个主要环节，它的质量好坏直接关系到钢束后期的工作效果和耐久性，从而影响反应堆厂房安全壳这一道核安全屏障的完整性。为了保障钢束灌浆的密实性，设计文件对灌浆工艺在前期孔道打压准备、浆体材料准备、施工环境温度、灌浆每个步骤的时长等方面均有非常严格的要求和限制。但在实际执行过程中由于准备工作不充分、风险评估不完善以及操作有瑕疵等情况的发生，依然会造成质量问题的出现。2018年在国外一项目上就出现了倒U形钢束在灌浆过程中浆体堵管导致灌浆中断从而出现质量事件的情况。针对这一情况，本文通过介绍“华龙一号”预应力体系和灌浆工艺的特点，描述和分析质量事件发生的过程和原因，最终提出处理措施和后续施工技术优化改进方向。

1 背景

1.1 “华龙一号”预应力简介

“华龙一号”预应力工程是反应堆厂房双层安全壳的内壳结构中的一部分，采用后张法工艺，共分为两种布置形式：水平环向布置和倒U形布置。其中水平环向布置，钢束环绕一圈后两端锚固在安全壳的扶壁柱上；倒U形布置，钢束绕穹顶180°对称锚固在安全壳下部预应力廊道顶部。其中环向布置钢束127束、倒U形布置94束，每一束孔道含55根1×7强度1860 MPa钢绞线,钢束采用两端张拉，设计张拉力12276 kN。

目前，国内外所有已经完成预应力施工的的“华龙一号”机组均采用的法西奈(Freyssinet)的C系列锚固系统，涉及的张拉设备等主要设备也为该公司提供。目前 “华龙一号”的预应力工程在工程量、钢绞线长度、各道工艺的施工难度等方面远超其他堆型机组，同时由于“华龙一号”为国产新堆型，没有成熟的施工经验可以参考。

1.2 预应力主要工艺简介

预应力工程是一项耗时长、涉及面广的单项工程。在前期针对预应力使用的钢绞线、锚固系统、浆体材料需要进行一系列的试验以验证材料的实用性和工艺的可行性。

正式工程的工艺主要分为：穿束、张拉和灌浆，其中灌浆前还需要进行孔道打压，以验证孔道的密闭性和完整性，为后续的灌浆作业提供保障，打压的压力要求为5～7 bar，同时确保稳压3 min压降不大于1 bar，但是，在实际操作中发现部分孔道无法满足3 min压降不大于1 bar的要求，设计人员对此提出了灌浆过程中分级保压的应对措施,具体为灌浆液面至2.5 bar、5 bar、7 bar、10 bar四个压力界面对应的灌浆标高时稳压1 min后观测3 min压降不超过0.25 bar。

灌浆按照设计文件要求需要在张拉后7天进行，超期需要对钢绞线进行保护，最多不能超过14天。灌浆泵的装载能力需要达到10～14 m/min水泥浆的速率。灌浆对环境和安全壳的温度要求很高，要求安全壳的结构温度为5～25 ℃，环境温度0～35 ℃，低于或者高于均不可以进行灌浆作业。

灌浆作业分为以下几个步骤，参照图1倒U形灌浆示意图。

图1 倒U形灌浆示意图

1.2.1 竖直段灌浆与吹浆

由于竖直段灌浆A、B 两段工艺一样，此处仅表述A 段灌浆方法。A、B 两段灌浆可分开进行，也可同时进行，在灌注穹顶段缓凝浆前需将同一根倒U 形钢束的两根竖向段灌浆完成，即7 天内必须完成这两根竖向段钢束的灌浆，同时必须在7 天内完成穹顶段缓凝浆灌注。

第一步:灌浆，从倒U 形钢束底部灌浆至A2，灌浆过程按照不同压力界面分级进行。第二步：吹浆，除A2 和A3 以外，其他孔道全部关闭，在A2 处接上排浆管放浆，从A3 处向孔道内打入压力为3 bar 的压缩空气，使浆体从A2 处排出。当A2 处无浆体排出时，取下A2 处排浆管并接在A1 处。打开A1，从A2 处向孔道内打入压力为3 bar 的压缩空气，使浆体从A1 排出，随着浆体排出量的减少，将压缩空气压力逐渐降低至1 bar，直至A1 处无浆体排出。

1.2.2 穹顶段第一次段灌浆与吹浆

穹顶段初次灌浆应在竖直段灌浆后7 天内进行，此时需要A、B端同时灌注。与竖直段一样的原理将浆体灌至最高点A0，再通过吹浆工序将浆体排至A3标高。

1.2.3 穹顶段第二次段灌浆

穹顶第二次灌浆也是最后一次，不再有吹浆工序，依然要求在上一次灌浆后七天内完成。各开孔的初始状态：A0、A3、B3 均打开，并在A0 处接上重力补浆斗。排净灌浆管中的水且流出浆体测流动度合格，在A3、B3 处接上灌浆管，向孔道内缓慢注入膨胀浆，开始计时。当A0 处重力补浆斗中有浆涌出时取样测流动度，合格则停止计时，注满重力补浆斗后关闭A3、B3，取下灌浆管。如不合格，则继续泵浆，直至重力补浆斗内浆体流动度合格为止。

2 灌浆质量事件过程介绍

2.1 事件概述

2018年6 月，在国外某项目上，在进行内安全壳预应力倒U形V1、V5、V9、V13 4 根摩擦试验钢束进行灌浆施工时，施工顺序为先进行4 根钢束的A 端，A 端灌浆结束后再进行B 端灌浆，由于上述4 束钢束密封性检查时不符合“3 min 后压降不超过1 bar”要求，现场采取分级的方式进行灌浆施工，其中在完成V1A 端灌浆后，进行V5A 端钢束灌浆时，在10 bar 压力层面稳压后观测时压降超过0.25 bar，不符合分级灌浆要求，在进行多次排浆重新灌注的过程中导致最后浆体无法正常排出，从而导致质量事件出现。

2.2 事件详细过程

在前期的制浆过程中，记录的拌合水采用了5～7 ℃冷水，测试的流动度、温度均满足缓凝浆试验指标要求。现场所测环境温度为31 ℃，廊道孔道温度28 ℃，穹顶孔道33.3 ℃符合设计文件要求，但是偏高。

本次灌浆是倒U形钢束垂直段，在钢束A 段底部进行灌浆，见示意图2。

图2 本次灌浆示意图

为了避免温度偏高的风险，施工选在了夜间进行，首先进行的V1A灌浆顺利完成后，切换至V5A段进行灌浆。灌浆严格按照设计要求的备用措施分级进行，期间在达到2.5 bar、5 bar、7 bar压力层面时，观测压降均符合要求，但是当压力达到10 bar压力层面后，稳压1 min后的压力为9.8 bar，观测3 min 后的压降为9.5 bar，稳定后观测的压降达到了0.3 bar，超过了设计要求的压降0.25 bar 的限值范围。现场立即要求进行排浆处理，安排人员进行排浆吹扫。排浆完成后，现场立即启动了第二轮的灌浆工作，按照同样的流程压力值在2.5 bar、5 bar、7 bar层面时，观测压降均符合要求，但是当压力达到10 bar 后压降高达2 bar，远远超过设计要求。现场质控人员、技术人员和施工人员商定后决定进行了第二次排浆处理，随后立即安排人员进行排浆，但未见浆体流出，启用灌浆泵疏通管道，浆体依旧无法排除，之后采用穹顶高压气体进行疏通的方式依然无法排除浆体，最后使用V5B 端对钢束进行吹浆，孔道内的浆体依然没有流出管道，半个小时后工作人员打开底部灌浆帽，看到部分浆体已经粘附在切割后外露的钢绞线上，灌浆帽内的水泥浆倒在地上已经不能流动。随后现场工作人员对外露在钢绞线上的浆体和倒在地上的浆体进行了复查，组织对钢衬里情况进行排查，未发现有异常情况，随即取消当天后续的钢束灌浆作业。整个过程持续了近3个多小时，对比V1A段灌浆仅用30余分钟，时间上已经远远超出正常流程所需时间。

3 原因分析

通过对整个质量事件发生的过程的分析，主要的原因可以分为以下几点：

1)分级保压与环境温度的不利影响。该项目所处环境温度较高，即使在夜间环境温度和混凝土的温度也接近了规定的上限值，这会导致浆体材料凝固时间缩短，如果过程中操作时间过长将会导致浆体沉淀、泌水、凝固。在此次事件中由于多次分级保压观测，放大了了这一不利因素。

2)灌浆时间过长。这是导致这一事件发生的直接原因，前后操作时间将近3 h，是正常灌浆时间的6倍，浆体流动度随着时间增加而降低，最终发生堵管无法排除的情况。这其中，每一压力层级的观测时间、出现问题后现场管理各层级的汇报讨论分析占据了大量的时间，影响了浆体的质量。

3)排浆后没有对孔道进行有效的清理。由于布满钢绞线的孔道中存在大量的细微空间，浆体材料又有较强的依附能力，排浆后依然会存在大量的浆体存在狭小空间、钢绞线表面和导管表面，这些浆体长时间释放水化热，在狭小空间泌水后凝固，导致第二次灌浆后无法排除。

4)应急管理不足。针对施工环境恶劣的客观情况，针对可能出现的质量风险没有提前做好策划和应对方案。在问题发生后才进行各级汇报和分析，浪费了大量的宝贵时间，同时针对问题处理措施的制定存在较多不科学不合理的地方，例如排浆后未对孔道进行清理等。

以上四点原因是此次倒U形钢束灌浆出现质量事件的主要原因。

4 处理措施

经过现场对V5 钢束A 端灌浆中断灌浆过程记录的数据分析，计算灌入浆体数量，算出已经灌注的高度，表明管道内浆体已灌到标高42.5 m 处。施工现场采取了真空压力灌浆工艺，将真空泵放置在49.1 m 标高A2处对管道进行负压抽真空，在标高45.3 m 的A1 处进行压力灌浆，具体见图3。

图3 真空灌浆示意图

具体操作流程如下：

1)将灌浆泵系统安装完成，A1与A1′连接;

2)将真空泵系统安装完成，真空泵连接接头A2′与A2 连接;

3)关闭A2 之外的所有球阀，并抽至-750～-950 mbar，在A1 处将浆体泵入，真空泵持续开启并保持压力；

4)直到A2 处有浆体流出；

5)当浆体到达A2 时(通过透明软管观察)，关闭灌浆泵，关闭真空泵，测A2 处浆体流动度；

6)最后关闭A2 处的阀门，在A1 处用5 bar 的压力保压1 min。

该措施处理后，通过计算泵入量等数据，显示结果达到了预期目标。

5 优化方向与建议

本次倒U形灌浆中断质量事件的出现一方面是“华龙一号”预应力工程本身施工难度大、质量难以控制，并且没有成熟的经验参考这些客观因素造成。同时更重要的是施工过程中管理上缺乏有效的风险识别和预判，没有指定详细的风险应对措施，同时已有的处理措施缺乏充分的技术分析和讨论，可行性大打折扣。

对此，提出 “华龙一号”倒U形灌浆优化方向供后续机组建设参考。

5.1 灌浆方式的适应性

针对孔道打压不满足设计文件要求的情况，灌浆采用分级保压的方法，这一方法的选择需要慎重。这一施工方法存在一定的风险，特别是针对环境干燥、温度较高的地区，这些不利的环境因素加上分级过程的多次停顿极易造成浆体流动性降低、快速泌水凝固，导致灌浆无法顺利完成。因此，这一方式在国内的核电，例如福建福清核电就非常适用，因为福建福清核电施工现场湿度大、夜间温度不会超过30 ℃，实际分级保压灌浆这一施工方式最初是针对福清核电这样的施工环境提出的。

5.2 应急预案和准备工作要充分

灌浆前应在穹顶上或双壳间准备好水源、压缩空气，同时应严格按施工方案及技术规格书要求选择灌浆时的环境温度，即0～35 ℃。应急处理的流程需要简化，不应设置大量层级的汇报，现场技术人员和质控人员在问题发生后有权力第一时间采取已制定的措施，不需再进行汇报。

5.3 灌浆中的细节问题把握

应注意在灌浆泵向孔道中注浆时，入口处压力表示值会有波动，当灌浆过程中需观察压力表压力时，应先停止灌浆泵，停止灌浆3 min，观察压降，此时，如压力持续下降则判断为压力异常，需要立即采取措施进行处理。

5.4 应急处理的响应

需要排除浆体时，尽量在最短的时间内完成排浆并用压缩空气吹空导管和灌浆口,排浆后需对孔道进行冲洗和吹扫。再次灌浆的浆体材料建议重新制备，出机时间尽量不要超过1 h。排除的浆体材料不可以再次使用，应当予以报废。全流程的处理不要超过3 h。

6 结论

“华龙一号”是目前我国自主三代核电技术，承担着中国核电“走出去”的历史重任，目前福建福清核电“华龙一号”首堆示范工程正在如火如荼的建设中，将建设中的各类经验反馈及时有效的传达、落实和优化关系到“华龙一号”工程建设的质量保障和顺利推进，确保后续新机组的建设能够有效规避类似问题的出现。预应力灌浆中的细节把控关系到实体的最终质量，也关系到机组的核安全屏障。