魯勤武(國家能源核電工程建設(shè)技術(shù)研發(fā)（實驗）中心（中廣核工程有限公司），廣東 深圳 518124）

核電工程模塊化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

魯勤武
(國家能源核電工程建設(shè)技術(shù)研發(fā)（實驗）中心（中廣核工程有限公司），廣東 深圳 518124）

模塊化設(shè)計和建造技術(shù)是第三代核電技術(shù)的重要特征之一，為了推進核電工程設(shè)計、建造技術(shù)的科技創(chuàng)新，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模塊化技術(shù)，中廣核工程有限公司基于CPR1000型核電站進行了模塊化技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用工作，在核電工程模塊化設(shè)計技術(shù)體系建立、模塊化三維設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)以及安全殼鋼襯里模塊化施工示范應(yīng)用方面取得了初步的研究成果。

模塊化施工；鋼襯里；空間網(wǎng)架吊具

核電工程采用模塊化技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)80年代初期，美國Bechtel公司計劃將核潛艇模塊化建造的成功經(jīng)驗應(yīng)用于核電工程建造并進行了大量的基礎(chǔ)研究，但是由于美國三哩島事故的發(fā)生，致使美國的核電建設(shè)出現(xiàn)停滯，于是Bechtel公司將其模塊化設(shè)計和建造理念推向正在大力發(fā)展核電的日本，與日本的日立公司一起推進核電工程模塊化技術(shù)的應(yīng)用研究和項目實施試驗。在日立公司參與日本52個BWR/ABWR核電機組中的20個機組的設(shè)計建造中，最近的8個機組均采用了3D-CAD三維設(shè)計，模塊化設(shè)計的模塊數(shù)量由最初的18個增加到196個，在未來的核電建造中將增加到235個。1臺核電機組建造工期也由20世紀(jì)80年代的62個月降低到現(xiàn)在的48個月（從第一灌混凝土到商業(yè)運行）。

加拿大原子能有限公司AECL在模塊化施工方面也有一定的研究和應(yīng)用，并在秦山CANDU6安全殼噴淋系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)、主熱傳輸集管束中，首次部分采用了模塊施工技術(shù)，而且在CANDU6的改進型ACR-1000的設(shè)計里，也加大了模塊化的設(shè)計范圍并準(zhǔn)備在新項目上推廣應(yīng)用。

蘇聯(lián)在核電站建造中推行的擴大工廠預(yù)制工藝，實際上也是一種模塊化建造的雛形。

美國西屋公司對AP1000百萬千瓦級壓水堆核電站設(shè)計就是采用了模塊化設(shè)計，該技術(shù)已在我國浙江三門核電站和山東海陽核電站開工建設(shè)，目前設(shè)計的結(jié)構(gòu)模塊和機械模塊單堆共計170多個。

我國核電發(fā)展已從起步階段進入發(fā)展階段，目前運行和在建核電站主要是二代及二代加核電技術(shù)，采用二代及二代加技術(shù)的核電站，在設(shè)計階段未考慮模塊化施工，施工單位在建造過程中經(jīng)過實踐，將鋼襯里穹頂?shù)葮?gòu)件在場地上拼裝完成后整體吊裝，可視為模塊化施工的嘗試。因此，在國內(nèi)核電站建設(shè)中，尚沒有大規(guī)模采用成熟的模塊化施工技術(shù)。

隨著核能應(yīng)用步伐的加快以及未來核電站在建造方面的高質(zhì)量、高速度、高效率的要求，可以預(yù)測模塊化施工技術(shù)在未來核電站建造過程中將逐步得到大量的應(yīng)用。

1 國家能源核電工程建設(shè)技術(shù)研發(fā)中心的成立

2010年，國家能源核電工程建設(shè)技術(shù)研發(fā)（實驗）中心落戶中廣核工程有限公司（簡稱中廣核），模塊化技術(shù)研究所肩負起了國內(nèi)核電領(lǐng)域模塊化技術(shù)引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的平臺建設(shè)，同時作為推進模塊化設(shè)計、建設(shè)技術(shù)科技合作和交流平臺，為核電工程模塊化技術(shù)的普及推廣、提升我國核電設(shè)計和建造的整體水平方面起著積極作用。

2 中廣核模塊化技術(shù)開發(fā)成果

核電工程模塊化技術(shù)研究開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，它不僅涉及核電站的設(shè)計、采購、制造、安裝、調(diào)試全過程，而且必須考慮我國施工領(lǐng)域的現(xiàn)狀、施工水平、管理水平和組織管理等現(xiàn)狀，是一個循序漸進的過程，因此在模塊化技術(shù)研究開發(fā)的初期（第一階段）確定了“會設(shè)計、能設(shè)計以及積累實施經(jīng)驗”的模塊化技術(shù)總體研發(fā)推進思路，在此基礎(chǔ)上總結(jié)經(jīng)驗、完善模塊技術(shù)體系，擴大模塊應(yīng)用范圍和進行模塊化技術(shù)的最優(yōu)化應(yīng)用（第二階段）。如下就第一階段的主要研發(fā)成果做一簡單闡述[1]。

2.1 模塊化設(shè)計技術(shù)體系的建立

模塊設(shè)計是核電工程模塊化技術(shù)的龍頭，是引領(lǐng)模塊化技術(shù)應(yīng)用的前提。由于模塊化技術(shù)是一項通用技術(shù)，該技術(shù)的研究開發(fā)不會因為堆型不同而發(fā)生大的差異，本模塊化技術(shù)研究開發(fā)基于CPR1000項目為設(shè)計對象、以中廣核的管理及組織模式為參照進行模塊化設(shè)計技術(shù)體系的研究和建立，在該體系的合理性、實施性以及有效性驗證后再根據(jù)實際項目的需要進行適應(yīng)性優(yōu)化和完善。

模塊化設(shè)計技術(shù)體系的研究是基于CPR1000對策性研究成果的基礎(chǔ)上，進一步深化研究成果，借鑒國外模塊設(shè)計的成功經(jīng)驗，自主開展示范模塊的設(shè)計，通過多專業(yè)參與的示范模塊設(shè)計、施工方案研究，探索和梳理出了一套較完整合理的模塊化設(shè)計體系及滿足工程實施的工程文件體系，編制出版了模塊化設(shè)計技術(shù)管理體系文件，其中模塊設(shè)計專用規(guī)范（工程設(shè)計相關(guān)通用設(shè)計規(guī)范除外）20項，經(jīng)示范模塊設(shè)計使用該體系技術(shù)文件，基本上可以滿足指導(dǎo)模塊設(shè)計以及控制設(shè)計質(zhì)量的需要。

2.2 模塊化三維設(shè)計系統(tǒng)的研究開發(fā)[2]

2.2.1 模塊三維設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架

CPR1000核電項目的原始設(shè)計中并沒有模塊化理念，建立電廠三維模型時也未考慮到模塊化設(shè)計的環(huán)節(jié)，同時PDMS三維設(shè)計平臺本身也不具備模塊設(shè)計功能，因此，直接在PDMS平臺上開展模塊化設(shè)計比較困難。

模塊三維設(shè)計系統(tǒng)就是基于中廣核已經(jīng)建立起的比較完善的協(xié)同三維設(shè)計平臺，充分發(fā)揮其已有的設(shè)計和管理功能，對模塊設(shè)計特別需求的功能進行二次開發(fā)而形成的設(shè)計系統(tǒng)，圖1是模塊三維設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架,該系統(tǒng)具有模塊區(qū)域概選等6大功能，經(jīng)實際應(yīng)用及優(yōu)化改進，已完全滿足現(xiàn)階段模塊設(shè)計的功能需求。

今后將會根據(jù)不同項目的具體特點進行適應(yīng)性的調(diào)整和修改以滿足不同堆型及實際工程的需要。

2.2.2 模塊三維設(shè)計系統(tǒng)主要功能

（1）模塊區(qū)域概選

模塊區(qū)域概選就是在完成初步設(shè)計的核電站三維模型中明確定義模塊區(qū)域的空間范圍，直觀地表現(xiàn)出進行模塊化設(shè)計的空間區(qū)域，從而使各專業(yè)設(shè)計人員了解模塊區(qū)域的空間分布以及提供模塊空間范圍信息。

（2）模塊對象定義

模塊對象定義主要是從概選的模塊區(qū)域的三維模型中，選擇進行模塊化設(shè)計的對象，從模塊區(qū)域中區(qū)分模塊化模型和非模塊化模型。在模塊化設(shè)計前期模塊化模型主要包括設(shè)備、管道、電纜橋架、暖通、鋼結(jié)構(gòu)、支吊架等，在模塊化設(shè)計中后期，還包括因模塊安裝和運輸需要所添加的臨時支吊架、臨時鋼結(jié)構(gòu)、新建鋼結(jié)構(gòu)、新建支架和臨時管道等。

（3）模塊對象設(shè)計

模塊對象設(shè)計是指對模塊三維模型進行的設(shè)計優(yōu)化（如支吊架整合優(yōu)化）、焊點定制、新增鋼結(jié)構(gòu)和支架設(shè)計建模、臨時鋼結(jié)構(gòu)和支架設(shè)計建模等工作，同時對于三維模型的模塊標(biāo)記屬性做一些必要的調(diào)整，對于模塊對象定義中所定義的模塊關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)也需要進行對應(yīng)的修改。

（4）模塊施工圖設(shè)計

1）管道施工圖設(shè)計

采用模塊化設(shè)計后，管道施工圖（又稱管道三維制作圖、ISO圖）將會應(yīng)用于預(yù)制工廠、模塊化預(yù)制廠和安裝現(xiàn)場。模塊三維設(shè)計系統(tǒng)采用了PDMS平臺的Design模塊管道模型設(shè)計、Spooler模塊出圖設(shè)計、IsoDraft模塊出圖、AutoCad自動修改的方式完成管道施工圖出圖。

圖1 模塊三維設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 The 3D modular design system stucture

2）模塊支吊架圖設(shè)計

支吊架出圖以模塊三維模型為基礎(chǔ)，采用PDMS平臺的draft模塊出圖，根據(jù)出圖需求進行支吊架出圖定制以滿足設(shè)計需要。

3）模塊組裝圖設(shè)計

模塊組裝圖是模塊化設(shè)計新增的一類圖紙，是指導(dǎo)模塊在模塊工廠組裝和模塊在現(xiàn)場安裝的工程文件，模塊組裝圖采用PDMS平臺的draft模塊出圖。為滿足模塊組裝圖的出圖要求，專門對模塊組裝圖進行了出圖定制，對出圖工具也進行了一些適應(yīng)性的開發(fā)。

（5）模塊重量及重心計算

模塊重量及重心計算功能根據(jù)模塊的三維模型數(shù)據(jù)，計算并導(dǎo)出模塊的重量和重心，供模塊吊具吊點設(shè)計、模塊運輸設(shè)計等使用。

（6）模塊部件清單設(shè)計

模塊部件清單說明模塊的組成以及組成部品的名稱、物理特性、供貨地點等信息，部品的類別主要有大管、小管、臨時放置大管、臨時放置小管、閥門、永久鋼結(jié)構(gòu)、臨時鋼結(jié)構(gòu)、管道永久性支架、管道臨時性支架、設(shè)備、暖通管道、暖通支架、電纜橋架、電氣支架等。

模塊三維設(shè)計系統(tǒng)可以實時地自動生成模塊部件清單。

圖2是使用模塊三維設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的一個模塊的三維模型。

圖2 模塊三維設(shè)計模型Fig.2 3D modular design model

2.3 安全殼鋼襯里模塊化施工的成功示范應(yīng)用

2.3.1 核島安全殼鋼襯里

CPR1000核島安全殼鋼襯里由底板、截錐體、筒體、穹頂4大部分構(gòu)成，其厚度為6 mm、材質(zhì)為P265GH，通過其背部的角鋼和焊釘錨固在混凝土結(jié)構(gòu)中。其中：截錐體和筒體共有13個安裝層，每層由9～11張預(yù)制鋼板對接焊接而成，每層筒體上分布有直徑和數(shù)量不同的各類工藝及電氣貫穿件、設(shè)備閘門套筒、人員閘門套筒、貫穿錨固件等部件。截錐體和筒體壁板施工均現(xiàn)場單片拼裝、就位，現(xiàn)場焊接9或11道豎向焊縫（2層對接時有環(huán)向焊縫），然后再進行貫穿件及錨固件的開孔和焊接[3]。

2.3.2 鋼襯里模塊化設(shè)計方案[3]

（1）模塊化設(shè)計方案

鋼襯里模塊化方案就是通過采用模塊化技術(shù)，對安全殼鋼襯里進行模塊化設(shè)計和施工，實現(xiàn)改善施工環(huán)境、降低施工安全風(fēng)險、保證施工質(zhì)量、提高施工效率及縮短工期的目的[1]。

在核島施工中，鋼襯里底板和截錐體處于核島施工關(guān)鍵路徑上。在模塊化技術(shù)開發(fā)和研究過程中先后提出了4種模塊化方案，經(jīng)過各種方案對比論證和考慮現(xiàn)場施工場地、大型吊裝設(shè)備等因素，最終確定局部雙層整體吊裝設(shè)計方案，即示范項目安全殼鋼襯里模塊化設(shè)計方案采用6層鋼襯里，筒體以下部分每兩層設(shè)計成為一個模塊的方案。

（2）模塊吊具方案

為避免鋼襯里在吊裝過程中出現(xiàn)平面外的側(cè)向變形，通過設(shè)置吊裝吊具改變鋼襯里的受力模式。研究成功并設(shè)計出傳力直接、結(jié)構(gòu)簡單、自重輕、空間四邊形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的鋼襯里模塊專用特殊吊具（空間網(wǎng)架吊具）。

（3）起重機的計算與選擇

根據(jù)起吊重量和國內(nèi)現(xiàn)有大型吊機擁有情況，3個模塊的吊裝選用SCC6300型履帶式起重吊機。

2.3.3 鋼襯里模塊化施工技術(shù)方案[3]

（1）模塊化施工實施技術(shù)文件

鋼襯里壁板及貫穿件套筒在車間分片預(yù)制成形后，運到現(xiàn)場拼裝成模塊，并安裝貫穿件套筒，最后進行模塊吊裝，在組裝過程中需要采用大量的工裝、模具，確保施工安裝精度、控制變形，以及編制相應(yīng)的質(zhì)量、安全控制措施。因此，編制合理、有效、可控的施工技術(shù)方案等技術(shù)文件是保障鋼襯里模塊化施工順利成功實施的前提。

鋼襯里模塊的主要施工方案等技術(shù)文件有：①鋼襯里模塊化設(shè)計方案；②鋼襯里模塊化吊具設(shè)計方案；③鋼襯里模塊化車間預(yù)制方案；④鋼襯里模塊化吊裝用索具驗收方案；⑤鋼襯里模塊化拼裝場地方案；⑥鋼襯里模塊化現(xiàn)場拼裝方案；⑦鋼襯里模塊化吊裝方案等13份。

上述13份施工方案等技術(shù)文件有效地指導(dǎo)了鋼襯里模塊示范項目的順利實施、保障了施工質(zhì)量和控制了安全風(fēng)險，根據(jù)實施工程中的經(jīng)驗反饋，對技術(shù)方案進行了全面的優(yōu)化修訂形成了《CPR1000鋼襯里模塊化施工方案技術(shù)文件包》，為后續(xù)項目鋼襯里施工的標(biāo)準(zhǔn)化、短工期的實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）陽江核電站3號機組鋼襯里模塊化成功實施

陽江核電站3號機組鋼襯里模塊化示范項目現(xiàn)場實施從第一塊模塊吊裝到三塊全部完成（2011年年初開始進行模塊I的拼裝到第三塊成功吊裝）只用了不到6個月，施工質(zhì)量好于預(yù)期，示范項目的成功應(yīng)用，證明了設(shè)計方案和施工方案的合理、有效、可控，積累了豐富的施工經(jīng)驗。

（3）鋼襯里模塊化實施時的建議

1）根據(jù)不同的核電站項目的資源情況，合理劃分鋼襯里模塊大小和質(zhì)量。

2）要充分結(jié)合機組的施工進度計劃，合理安排拼裝場地及拼裝時間，提前規(guī)劃和協(xié)調(diào)利用緊張的場地資源。

3）研制質(zhì)量輕、剛度大、空間受力好的雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)大型特種吊具，實現(xiàn)吊具制造及吊車使用費用降到最低。

4）由于鋼襯里壁板上不均勻分布有貫穿件套筒，所以施工方案設(shè)計時要精確計算每個模塊的重量和偏心位置及采取一定防偏心措施。

5）為減小組對偏差，每個拼裝完成的模塊必須有偏差控制預(yù)案。

3 結(jié)束語

中廣核實施核電工程模塊化技術(shù)研究開發(fā)與應(yīng)用戰(zhàn)略，經(jīng)過幾年努力，取得以下成果：

1）自主建立起了一套比較完整的模塊化設(shè)計技術(shù)體系，該體系的建立實現(xiàn)了核電站模塊化設(shè)計能力的具備，邁出了實質(zhì)性的一步。

2）基于中廣核已經(jīng)建立起的比較完善的協(xié)同三維設(shè)計平臺（PDMS），對模塊設(shè)計特別需求的功能進行二次開發(fā)，開發(fā)出模塊三維設(shè)計系統(tǒng)，為模塊設(shè)計提供了一套完整的、便捷高效的實用設(shè)計工具，應(yīng)用效果良好。

3）積極將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，推進鋼襯里模塊化技術(shù)方案的示范項目實施，取得了項目實施的巨大成功，同時也驗證了模塊化技術(shù)研發(fā)的核心能力的掌握。

雖然中廣核在系統(tǒng)研究開發(fā)核電工程模塊化技術(shù)和項目示范應(yīng)用方面邁出了堅實的一步，但是在充分發(fā)揮模塊化技術(shù)為核電工程縮短工期、降低造價和提高質(zhì)量的優(yōu)勢方面還沒有進行全方位、大深度、廣范圍的系統(tǒng)協(xié)同推進，下一步將著重推進建立模塊設(shè)計、采購、建造技術(shù)管理體系，為模塊化技術(shù)在核電項目上的規(guī)?；瘧?yīng)用夯實基礎(chǔ)，同時依托國家核電工程技術(shù)建造技術(shù)研發(fā)（實驗）中心模塊化技術(shù)研究所這個建設(shè)技術(shù)科技合作和交流平臺，聯(lián)合大專院校、科研機構(gòu)、供應(yīng)商以及施工單位聯(lián)合攻克模塊化技術(shù)的共性技術(shù)難關(guān)，普及模塊化技術(shù)理念，提升核電行業(yè)的模塊化整體設(shè)計和建造技術(shù)水平。

[1] 中廣核工程有限公司. 模塊化技術(shù)開發(fā)研究報告[R].深圳：中廣核工程有限公司，2009-2012.（China Nuclear Power Engineering Co., Ltd. Study Report on Modular Technology Development [R]. Shenzhen: China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., 2009-2012.）

[2] 魯勤武，李軼，吳祥勇. 基于PDMS平臺的核電工程模塊三維設(shè)計系統(tǒng)研究開發(fā)[R]//中國核學(xué)會2011年度學(xué)術(shù)交流年會論文集. 北京：中國核學(xué)會，2011.（LU Qin-wu, LI Yi, WU Xiang-yong. R&D on Nuclear Power 3D Modular Design System Based on PDMS Platform [R]. China Nuclear Society, 2011 annual academic exchange meeting proceedings. Beijing: China Nuclear Society, 2011.）

[3] 魯勤武，張淑霞，郭俊營，等. 陽江核電站3號機組鋼襯里模塊化施工方法[J]. 電力建設(shè)，2012，33（7)：102-104.（LU Qin-wu, ZHANG Shuxia, GUO Jun-ying, et al. Steel Linear Modular Construction Method for Unit 3 of Yangjiang NPP [J]. Electric Power Contruction, 2012, 33(7):102-104.）

The R&D and Application of the Modular Technology in Nuclear Power Project

LU Qin-wu
（National Energy R&D Center for Nuclear Power Engineering and Construction Technologies (China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.)，Shenzhen of Guangdong Prov. 518124，China）

Modular design and construction is one of the distinctive features of the 3rdgeneration nuclear power technology. In order to promote the technological innovations in nuclear power engineering design and construction and develop the modular technology with independent intellectual property, China Guangdong Nuclear Power Holding Co., Ltd. (CGNPC) has carried out the R&D and application of the modular technology based on the CPR1000 nuclear power plants, and has made the national-level achievements in the establishment of modular design technology system, development of 3D modular design system and application of modular construction of containment steel liner in the demonstration projects.

modular construction；containment steel liner；space grid spreader

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)01-0017-05

TL37

A

1674-1617(2013)01-0017-05

2012-09-13

魯勤武（1965—），男，高級工程師，碩士學(xué)位，從事核電工程模塊化技術(shù)研究開發(fā)及設(shè)計管理工作。