韓小萍，魯勤武，李軼，李連學(xué)

(國(guó)家能源核電工程建設(shè)技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心(中廣核工程有限公司)，廣東省深圳市， 518124)

0 引言

目前我國(guó)在建核電站以CPR1000型為主，其系統(tǒng)復(fù)雜、建造周期長(zhǎng)、施工質(zhì)量要求高，在保證質(zhì)量的前提下，如何縮短工期、降低工程造價(jià)是核電業(yè)主追求的目標(biāo)之一。傳統(tǒng)施工模式，核島廠(chǎng)房?jī)?nèi)的大量閥門(mén)與管道的組合焊接工作均在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，需投入較多焊工，且施工周期長(zhǎng)。為減少核島現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，提高安裝效率，本文借鑒國(guó)外沸水堆核電站實(shí)施管道段模塊化技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CPR1000型核電站管道段模塊化施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，制定了管道段模塊的選定原則和設(shè)計(jì)流程，開(kāi)發(fā)了基于三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的管道段模塊設(shè)計(jì)功能，提出了實(shí)施管道段模塊的技術(shù)條件，為CPR1000型核電站應(yīng)用模塊化施工技術(shù)提供了參考。

1 國(guó)外核電站管道段模塊化技術(shù)

1.1 管道段模塊化技術(shù)

國(guó)外沸水堆核電站從20世紀(jì)60年代開(kāi)始逐步采用了模塊化施工技術(shù)，并取得了良好的工程效果［1］。隨著模塊化技術(shù)的日益成熟和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，沸水堆核電站采用模塊化設(shè)計(jì)、建造的范圍越來(lái)越廣，設(shè)計(jì)的模塊也越來(lái)越大，同時(shí)也要求配置適應(yīng)模塊化施工的大型移動(dòng)式吊車(chē)并擴(kuò)大開(kāi)頂施工區(qū)域。為提高吊車(chē)的使用效率，充分利用開(kāi)頂施工時(shí)間，將不適宜做進(jìn)模塊的管道與閥門(mén)盡可能提前在工廠(chǎng)完成組對(duì)、焊接工作，預(yù)制成一體(即管道段模塊)批量化生產(chǎn)，然后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)利用其他模塊的安裝設(shè)備和路徑進(jìn)行管道段模塊的后續(xù)安裝，從而最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)的工作量。

1.2 管道段模塊化實(shí)施要點(diǎn)

1.2.1 管道段模塊設(shè)計(jì)

管道段模塊設(shè)計(jì)階段的工作:選定管道段模塊;定義管道段模塊;確定管道段模塊焊縫類(lèi)別;出版管道段模塊施工圖。根據(jù)工程施工計(jì)劃制定模塊中閥門(mén)和管道的采購(gòu)計(jì)劃，確定閥門(mén)、管道的供貨時(shí)間和地點(diǎn)。圖1是管道段模塊三維設(shè)計(jì)模型范例。

圖1 管道段模塊三維設(shè)計(jì)模型Fig.13D design model of piping-block module

1.2.2 管道段模塊制造

管道段模塊工廠(chǎng)預(yù)制與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工在制造工藝、規(guī)范、環(huán)境等方面完全一致，無(wú)特殊要求。

1.2.3 管道段模塊水壓試驗(yàn)

管道段模塊在工廠(chǎng)預(yù)制完成后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

1.2.4 管道段模塊運(yùn)輸

管道段模塊經(jīng)檢驗(yàn)合格后出廠(chǎng)，一般情況下隨同其他模塊一起運(yùn)輸。

1.2.5 管道段模塊引入

利用其他模塊的引入設(shè)備和路徑將管道段模塊引入就位或暫時(shí)存放待安裝。

2 CPR1000核電站管道段模塊化技術(shù)

2.1 管道段模塊設(shè)計(jì)原則

通過(guò)對(duì)國(guó)外管道段模塊化技術(shù)的研究和分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)CPR1000型核電站施工現(xiàn)狀，制定出適用于CPR1000型核電站的管道段模塊設(shè)計(jì)原則［2］。

(1)管線(xiàn)上的閥門(mén)屬于以下情況之一的不設(shè)計(jì)為管道段模塊:閥門(mén)和管道采用法蘭連接;“帶遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)”的閥門(mén)或氣動(dòng)、電動(dòng)閥門(mén);止回閥;閥門(mén)體積較大或不能水平放置運(yùn)輸;DN≤50的管道上連接的閥門(mén)質(zhì)量大于等于50 kg。

(2)預(yù)制成管道段模塊需要使用過(guò)多的臨時(shí)材料(主要是臨時(shí)支撐鋼結(jié)構(gòu))則不設(shè)計(jì)為管道段模塊。

(3)管道段模塊邊界的現(xiàn)場(chǎng)焊口處于墻角、穿墻及其他復(fù)雜位置，則不設(shè)計(jì)為管道段模塊。

(4)不滿(mǎn)足吊裝空間、安裝空間要求或其尺寸超出運(yùn)輸限制要求，則不設(shè)計(jì)為管道段模塊。

2.2 管道段模塊邊界的界定原則

(1)以閥門(mén)兩側(cè)或一側(cè)最近的現(xiàn)場(chǎng)焊為管道段模塊的邊界，不改變除閥門(mén)兩側(cè)或一側(cè)外的其他焊縫形式。

(2)管道段模塊設(shè)計(jì)不應(yīng)增加焊點(diǎn)。

2.3 管道段模塊設(shè)計(jì)流程

管道段模塊設(shè)計(jì)流程如圖2所示［2］。

圖2 管道段模塊設(shè)計(jì)流程Fig.2Design flow chart of piping-block module

2.4 管道段模塊三維設(shè)計(jì)功能開(kāi)發(fā)

根據(jù)管道段模塊三維設(shè)計(jì)功能需求，開(kāi)發(fā)出管道段模塊三維設(shè)計(jì)功能［3］，具體界面如圖3所示。

圖3 管道段模塊定義界面Fig.3Definition interface of piping-block module

使用管道段模塊三維設(shè)計(jì)功能完成的管道段模塊三維模型如圖4所示。

2.5 CPR1000核島管道段模塊設(shè)計(jì)

2.5.1 管道段模塊設(shè)計(jì)對(duì)象及范圍

根據(jù)設(shè)計(jì)原則和CPR1000型核電站閥門(mén)清單，對(duì)某項(xiàng)目1、2、9號(hào)機(jī)組核島廠(chǎng)房三維模型中的閥門(mén)逐個(gè)進(jìn)行分析，初步確定符合管道段模塊條件的閥門(mén)范圍。

2.5.2 管道段模塊設(shè)計(jì)結(jié)果

針對(duì)初步確定符合管道段模塊條件的閥門(mén)范圍進(jìn)行管道段模塊的設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)管徑小于等于50.8 mm(2英寸)管道段模塊4 709個(gè)，管徑為50.82～ 152.4 mm(2～6英寸)的管道段模塊545個(gè)［2-4］。

圖4 管道段模塊三維模型Fig.43D model of piping-block

2.5.3 管道段模塊實(shí)施效果評(píng)估

管道段模塊的實(shí)施，使閥門(mén)兩側(cè)或一側(cè)的現(xiàn)場(chǎng)焊接變?yōu)楣S(chǎng)焊接，從而在一定程度上減少了現(xiàn)場(chǎng)管道和閥門(mén)的焊接工作量，根據(jù)CPR1000核電工程使用的“點(diǎn)系統(tǒng)”方法來(lái)量化測(cè)算實(shí)施管道段模塊后現(xiàn)場(chǎng)工作量的前移［4］。

單個(gè)管道段實(shí)施模塊化后減少的現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)數(shù)Q為

式中:B為管道現(xiàn)場(chǎng)安裝總點(diǎn)數(shù)，由單張等軸圖包括的管段、管件、在線(xiàn)設(shè)備的總質(zhì)量乘以管道單位質(zhì)量的安裝點(diǎn)數(shù)計(jì)算得出(管道單位質(zhì)量的安裝點(diǎn)數(shù)是根據(jù)管徑規(guī)格、材質(zhì)、工程經(jīng)驗(yàn)值確定，如表1所示［5］);G為單張等軸圖所包含的管段數(shù)量;H為單張等軸圖所包含的現(xiàn)場(chǎng)焊口數(shù)量;M為實(shí)施管道段模塊后管段數(shù)的減少量;N為實(shí)施管道段模塊后現(xiàn)場(chǎng)焊口數(shù)的減少量。

表1 管道單位質(zhì)量安裝點(diǎn)數(shù)Tab.1Installation points of pipelines per unit quality

按照“點(diǎn)系統(tǒng)”工程點(diǎn)數(shù)的分配比例，管道現(xiàn)場(chǎng)安裝總點(diǎn)數(shù)中，管道、閥門(mén)就位、組對(duì)占管段現(xiàn)場(chǎng)安裝總點(diǎn)數(shù)的33%，焊接完成為35%，無(wú)損檢測(cè)為12%，水壓試驗(yàn)為15%，安裝文件為5%。管道段模塊的實(shí)施使安裝點(diǎn)數(shù)有變化的階段為管道和閥門(mén)就位組對(duì)、焊接完成、現(xiàn)場(chǎng)焊口無(wú)損檢測(cè)3個(gè)方面。為此按式(1)統(tǒng)計(jì)出上述3個(gè)方面的變化量，即可測(cè)算出實(shí)施管道段模塊后該管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量的變化。

核島廠(chǎng)房實(shí)施管道段模塊后減少的總的現(xiàn)場(chǎng)工作量，可通過(guò)單個(gè)管道段模塊減少的現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)數(shù)，乘以廠(chǎng)房?jī)?nèi)全部管道段模塊的數(shù)量計(jì)算得出。

按上述方法對(duì)設(shè)計(jì)完成的管徑≤50.8 mm以及50.8～152.4 mm的部分管道段模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后得出≤50.8 mm的每個(gè)管道段模塊平均減少安裝點(diǎn)數(shù)為5.14，50.8～152.4 mm的每個(gè)管道段模塊平均減少安裝點(diǎn)數(shù)為20.57。根據(jù)不同規(guī)格的管道段數(shù)量和相應(yīng)的單個(gè)管道段模塊減少的安裝點(diǎn)數(shù)，匯總CPR1000核電站實(shí)施管道段模塊的總體效果見(jiàn)表2［2］。管徑≥152.4 mm的管道的閥門(mén)質(zhì)量大，做成管道段的數(shù)量較少，在此不考慮實(shí)施管道段后現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn)數(shù)的減少量。

表2 核電站實(shí)施管段模塊的總體效果Tab.2Overall effect of piping-block module implementation in nuclear power plant

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，前移現(xiàn)場(chǎng)工作總量為35 415點(diǎn)。如1個(gè)熟練工人工作1 h的點(diǎn)數(shù)為0.83，則前移的工時(shí)數(shù)為42 668 h，即實(shí)施管道段模塊化后大約可以將現(xiàn)場(chǎng)約43 000個(gè)工時(shí)的工作量前移到工廠(chǎng)。由于工廠(chǎng)作業(yè)集約化、效率高、能耗低，故大大降低了工程造價(jià)。

3 管道段模塊化實(shí)施

管道段模塊化涉及到工程設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制［5］和現(xiàn)場(chǎng)施工管理等諸多方面，現(xiàn)分析其實(shí)施對(duì)核電站傳統(tǒng)建設(shè)的影響并提出建議。

3.1 工程設(shè)計(jì)

管道段模塊化將現(xiàn)場(chǎng)工作量前移至工廠(chǎng)，其設(shè)計(jì)也要做相應(yīng)調(diào)整，應(yīng)考慮如下的原則:

(1)管道段模塊設(shè)計(jì)進(jìn)度應(yīng)與其他模塊匹配。

(2)應(yīng)充分利用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行管道段模塊設(shè)計(jì)，確保管道段模塊大小合理、接口準(zhǔn)確。

(3)上游圖紙及文件應(yīng)在相關(guān)管道段安裝開(kāi)工前8個(gè)月提供，以保證有足夠的施工準(zhǔn)備時(shí)間。

(4)閥門(mén)及材料應(yīng)在該區(qū)域安裝開(kāi)工前3個(gè)月到貨及保證供貨質(zhì)量(尤其是閥門(mén))，包括閥門(mén)相應(yīng)的安裝技術(shù)文件。

(5)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)核電站場(chǎng)內(nèi)、場(chǎng)外預(yù)制分工不同，明確閥門(mén)及材料的到貨地點(diǎn)。

3.2 質(zhì)量控制

管道段模塊的工廠(chǎng)預(yù)制為施工質(zhì)量的改善提供了條件，相應(yīng)的質(zhì)量控制也發(fā)生改變，將施工質(zhì)量的控制變?yōu)楣S(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量的控制，必須通過(guò)質(zhì)量計(jì)劃等手段加強(qiáng)車(chē)間生產(chǎn)質(zhì)量控制。

3.3 工程施工管理

采用管道段模塊化施工后，管道段模塊制造和安裝的邏輯性、嚴(yán)密性要求施工計(jì)劃必須更準(zhǔn)確，施工進(jìn)度必須更準(zhǔn)時(shí)，增加了施工管理的難度，對(duì)工程的物資供應(yīng)管理、工程協(xié)調(diào)管理、變更管理、人力資源管理等都提出了更高的要求。

3.4 運(yùn)輸和吊裝

和傳統(tǒng)施工方式相比，實(shí)施管道段模塊化后增加了閥門(mén)二次運(yùn)輸環(huán)節(jié)。由于要考慮部分管道段模塊的支撐，增加了結(jié)構(gòu)件、臨時(shí)支撐和包裝等，一定程度上加大了建造的風(fēng)險(xiǎn)，增加了施工成本。

管道段模塊吊裝應(yīng)盡量配合其他模塊一起使用吊車(chē)，做好計(jì)劃、調(diào)度工作。

4 結(jié)語(yǔ)

作為核電站模塊化技術(shù)的補(bǔ)充，管道段模塊化的實(shí)施減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量、縮短了用工，這些優(yōu)點(diǎn)已被國(guó)外核電工程實(shí)踐所驗(yàn)證。隨著國(guó)內(nèi)核電站模塊化施工技術(shù)的發(fā)展，管道段模塊化施工的優(yōu)越性將會(huì)更好地展現(xiàn)出來(lái)，其發(fā)展前景廣闊，將被核電工程建設(shè)廣泛采用。

［1］中廣核工程有限公司.模塊化技術(shù)開(kāi)發(fā)研究報(bào)告［R］.深圳:中廣核工程有限公司，2010.

［2］中廣核工程有限公司.管道段模塊化技術(shù)可行性分析報(bào)告［R］.深圳:中廣核工程有限公司，2011.

［3］魯勤武，李軼，吳祥勇.基于PDMS平臺(tái)的核電工程模塊三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)［C］//中國(guó)核學(xué)會(huì)2011年度學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集.北京:中國(guó)核學(xué)會(huì)，2011.

［4］中廣核工程有限公司.CPR1000寧德核電廠(chǎng)一期項(xiàng)目三維模型及技術(shù)報(bào)告［R］.深圳市:中廣核工程有限公司，2010.

［5］GB/T 16702—1996壓水堆核電廠(chǎng)核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，1996.

(編輯:楊大浩)