李 銀，魏 巍，晏桂珍，馮威揚(yáng)，王奕清

(1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 煙臺(tái) 265118；2.山東省核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺(tái) 265118；3.煙臺(tái)市核電設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺(tái) 265118)

AP1000三代核電技術(shù)采用了模塊化概念，引入了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工”的建造理念，大量采用模塊，為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、縮短施工工期、控制建造成本、降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)創(chuàng)造了有利條件[1]。AP1000由美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)，首批四個(gè)機(jī)組均在中國(guó)，分別為三門1、2號(hào)機(jī)組以及海陽(yáng)1、2號(hào)機(jī)組(下文簡(jiǎn)稱依托項(xiàng)目)。在依托項(xiàng)目的建造過程中，由于“首堆效應(yīng)”，建造過程中對(duì)于模塊化的理念并未完全消化，通過總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼制安全殼的模塊化建造進(jìn)行優(yōu)化，可以有效縮短模塊的建造周期，進(jìn)一步降低核電造價(jià)。

1 鋼制安全殼簡(jiǎn)介

AP1000安全殼由兩層組成，其內(nèi)層為圓柱形鋼制容器，外層為鋼筋混凝土屏蔽構(gòu)筑物[2]。其中，鋼制安全殼(簡(jiǎn)稱“CV”)，提供一個(gè)放射性物質(zhì)釋放的非能動(dòng)屏障[2]，材料為SA738 Gr.B，由圓柱形的筒體和橢球形的上、下封頭組成，其上包括了電氣及機(jī)械貫穿件、設(shè)備閘門、人員閘門、內(nèi)外加強(qiáng)肋、環(huán)吊梁以及筒體壁上安裝的各類支架附件板等附件，如圖1所示。AP1000機(jī)組CV內(nèi)直徑約39.6 m，高度約65.6 m，總重約3600 t。其中，筒體部分劃分為11層，每層由12塊鋼板拼焊而成。

圖1 CV整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of CV

依托項(xiàng)目中，考慮到吊裝因素的影響，將CV筒體分為四個(gè)單元，分別為第一環(huán)(3圈鋼板組成)，高度11.67 m；第二環(huán)(3圈鋼板組成)，高度11.649 m；第三環(huán)(3圈鋼板組成)，高度11.649 m；第四環(huán)(2圈鋼板組成)，高度7.766 m。筒體鋼板經(jīng)過車間預(yù)制成型，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。筒體部分的四個(gè)環(huán)段分別在拼裝場(chǎng)地進(jìn)行組裝，然后在核島順序完成吊裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組裝。待核島就位后，在核島開展設(shè)備閘門、人員閘門、機(jī)械貫穿件、電氣貫穿件、附件板等的焊接及熱處理；內(nèi)外部外加強(qiáng)圈與環(huán)吊梁采用散件方式，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝與安裝。

上述依托項(xiàng)目的建造方式，在拼裝過程中重點(diǎn)考慮了鋼制安全殼筒體環(huán)的分段與組裝。對(duì)于各類CV附件的供貨和安裝方式存在以下問題：

1)大量采用散件供貨形式，例如貫穿件套筒與插入板分開供貨，內(nèi)外加強(qiáng)圈散件供貨(分為腹板、翼板、托板)，環(huán)吊梁散件供貨(分為上環(huán)板、下環(huán)板、人孔板、豎向筋板)，很大程度上增加了現(xiàn)場(chǎng)施工工程量。

2)將附件的安裝工作大量留至核島開展，在核島引入了大量的交叉施工作業(yè)，從而降低了施工工效。

此外，受閘門與貫穿件在整體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及熱處理等技術(shù)要求的影響，施工過程中存在較多可提升的優(yōu)化方案，后文逐一論述。

2 CV設(shè)計(jì)與建造優(yōu)化方案

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

2.1.1 免除對(duì)接焊縫的焊后熱處理

AP1000 CV第一層筒體板厚47.6 mm，根據(jù)產(chǎn)品建造規(guī)范ASME NE-4600的要求，公稱厚度超過44.5 mm的對(duì)接焊縫需要進(jìn)行焊后熱處理[3]。對(duì)于功率更大的非能動(dòng)壓水堆核電站CV，需要焊后熱處理的焊縫更多。根據(jù)產(chǎn)品的建造要求，綜合工程成本考慮，CV焊縫采用電加熱局部焊后熱處理是相對(duì)可行的[4]。CV的材質(zhì)為SA 738 Gr.B調(diào)制鋼板，焊后熱處理溫度要求控制在595 ℃～620 ℃之間，溫度均勻性控制難；局部焊后熱處理具有搭接區(qū)域重復(fù)加熱和變形控制難點(diǎn)，以及焊后熱處理能耗高、占用CV組焊整體工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

焊后熱處理的主要作用是松弛焊接殘余應(yīng)力、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸、改善母材和焊接接頭的性能、提高抗應(yīng)力腐蝕的能力，以及進(jìn)一步釋放焊縫金屬中的有害氣體防止延遲裂紋的發(fā)生等。CV的建造周期長(zhǎng)達(dá)3～5年，通過自然時(shí)效能夠有效松弛焊接殘余應(yīng)力。研究表明， SA-738 Gr.B材料焊后熱處理使焊縫和熱影響區(qū)碳化物數(shù)量明顯增多，使焊縫金屬晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致焊后熱處理態(tài)焊縫和熱影響區(qū)沖擊性能下降[5]。結(jié)合美國(guó)核管會(huì)(NRC)批準(zhǔn)的ASME規(guī)范案例N-841，當(dāng)SA-738 Gr.B母材厚度小于等于60mm時(shí)，在焊接工藝滿足一定條件的前提下，可以免除焊接接頭的焊后熱處理[6]。當(dāng)后續(xù)CV主材選用SA-738 Gr.B時(shí)，從設(shè)計(jì)上，建議參照ASME規(guī)范案例N-841，采取免除母材公稱厚度小于等于60 mm的對(duì)接焊縫焊后熱處理。另外，作為一種替代方案，通過采用強(qiáng)度更高的材料，降低CV筒體壁厚，實(shí)現(xiàn)免除焊后熱處理的目的。免除焊后熱處理，一方面降低CV制造成本與能耗，另一方面顯著縮短CV的制造周期，對(duì)提升產(chǎn)品整體經(jīng)濟(jì)性具有明顯的貢獻(xiàn)作用。

2.1.2 貫穿件布置優(yōu)化

在CV結(jié)構(gòu)中，貫穿件是建立反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)外連接的關(guān)鍵接口，目前設(shè)計(jì)主要從功能接口上進(jìn)行布局，結(jié)構(gòu)如圖2所示。部分貫穿件正好位于鋼板與鋼板相接位置。此類區(qū)域一方面要進(jìn)行鋼板焊縫的組對(duì)、焊接及熱處理等工作，另一方面又要進(jìn)行貫穿件安裝所需的開孔、組對(duì)、焊接及熱處理工作，容易導(dǎo)致應(yīng)力疊加。根據(jù)依托項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，此類區(qū)域容易產(chǎn)生較大的塑性變形(設(shè)計(jì)要求形狀偏差為一個(gè)板厚即44.5 mm，實(shí)際施工中在主焊縫周圍的貫穿件在焊接及熱處理的累加作用下的變形最大偏差超過100 mm)，且焊接缺陷比率較高。建議對(duì)貫穿件的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，貫穿件和其插入板盡量避開鋼板對(duì)接區(qū)域。若貫穿和插入板分別布置在單張筒體板范圍內(nèi)，則可以實(shí)現(xiàn)將貫穿件和插入板組件整體焊后熱處理后，在制造車間將其整體焊接在筒體板上交付，用于筒體環(huán)的拼裝，進(jìn)一步推動(dòng)工廠模塊化預(yù)制的水平，縮短CV筒體環(huán)的組裝焊接工期。

圖2 CV貫穿件布置圖Fig.2 Layout of CV penetrations

2.1.3 人員閘門插入板設(shè)計(jì)優(yōu)化

CV結(jié)構(gòu)中人員閘門直徑4 m，插入板壁厚95.2 mm，原設(shè)計(jì)的插入板為嵌入式結(jié)構(gòu)，即先完成所在筒體板的整圈拼裝，然后定位放線根據(jù)插入板的尺寸進(jìn)行開孔，再安裝人員閘門的插入板結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。這種嵌入式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致閘門插入板的安裝必須要上下兩層CV鋼板焊接完成后方可進(jìn)行安裝，不利于工期的控制。同時(shí)由于插入板上下均為筒體環(huán)焊縫，右側(cè)為筒體縱焊縫，在此局部區(qū)域內(nèi)需進(jìn)行兩條環(huán)縫焊接、1條縱縫焊接，以及插入板的開孔及焊接，容易產(chǎn)生應(yīng)力疊加，控制變形的難度也會(huì)加大。為此考慮將閘門貫穿件插入板結(jié)構(gòu)從開孔嵌入式調(diào)整為矩形筒體板結(jié)構(gòu)(如圖4、圖5所示)，即將閘門插入板作為整圈筒體板的一個(gè)鋼板單元，在完成此區(qū)域筒體板安裝的同時(shí)即可完成了閘門貫穿件的安裝。這樣既節(jié)約了工期，又減少了局部區(qū)域內(nèi)的焊縫數(shù)量，利于閘門安裝質(zhì)量控制。

圖3 大型貫穿件插入板優(yōu)化前Fig.3 Reinforcing plate of large penetrations before optimization

圖4 大型貫穿件插入板優(yōu)化后Fig.4 Reinforcing plate of large penetrations after optimization

圖5 國(guó)外某AP1000核電項(xiàng)目?jī)?yōu)化后的下部人員閘門Fig.5 Optimized lower personnel airlock for an overseas AP1000 nuclear power project

2.2 建造施工優(yōu)化方案

2.2.1 筒體板與貫穿件、附件板的模塊化施工

依托項(xiàng)目中CV筒體板、貫穿件插入板、貫穿件套筒、附件板等均為散件供貨。首先在核電建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行筒體板的拼裝，核島就位以后根據(jù)核島坐標(biāo)系進(jìn)行貫穿件及附件板的安裝。其中貫穿件套筒組件的施工邏輯是將插入板與貫穿件套筒分為兩個(gè)零件，分步安裝在CV上。先根據(jù)插入板的尺寸在CV筒體上完成開孔，然后將插入板焊接至筒體上，再安裝貫穿件套筒，最后再對(duì)焊縫進(jìn)行局部熱處理。整體工藝流程如圖6所示。

圖6 依托項(xiàng)目CV建造工藝流程圖Fig.6 CV construction process flow of the supporting project

上述工藝流程所帶來(lái)的問題包括：

1)貫穿件、附件板均在核島拼裝，增加了現(xiàn)場(chǎng)的施工工期，同時(shí)在核島引入大量的交叉施工，進(jìn)而影響了核島整體工期。

2)貫穿件插入板與套筒之間的T形接頭焊縫焊接難度大，現(xiàn)場(chǎng)施工合格率低，返修問題頻頻發(fā)生，進(jìn)一步增加了工期風(fēng)險(xiǎn)。

3)貫穿件現(xiàn)場(chǎng)焊接完成后在CV本體上進(jìn)行局部熱處理，熱處理導(dǎo)致的局部變形問題突出，且熱處理后容易發(fā)生部分焊縫裂紋的問題。

考慮上述問題，對(duì)CV及貫穿件、附件板的建造工藝進(jìn)行優(yōu)化。按照“工廠化預(yù)制、模塊化施工”的理念，將每張鋼板及其上所布置的貫穿件、附件板等附件作為一個(gè)模塊單元，在預(yù)制車間完成組件的模塊化預(yù)制，待運(yùn)輸至拼裝現(xiàn)場(chǎng)后只需要進(jìn)行鋼板與鋼板之間的主縫焊接即可(少量跨焊縫位置的附近板及貫穿件在其后進(jìn)行)。在熱處理要求未能免除之前，按照貫穿件插入板與鋼板之間的焊縫是否需要進(jìn)行熱處理(即焊縫名義厚度是否大于44.5mm)分為兩種建造工藝流程，分別如圖7和圖8所示。

圖7 鋼板厚度大于44.5mm，需進(jìn)行整體爐內(nèi)熱處理的工藝流程圖Fig.7 Construction process flow for steel plate thickness greater than 44.5 mm ,requiring integral furnace heat treatment

圖8 鋼板設(shè)計(jì)厚度小于44.5mm，不需進(jìn)行整體熱處理的建造工藝流程圖Fig.8 Construction process flow for steel plate thickness less than 44.5 mm ,not requiring integral furnace heat treatment

采用上述優(yōu)化后的建造工藝，可將大量工作提前至預(yù)制車間開展，大幅提高了CV鋼板部件出廠的模塊化水平，減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接工作。

2.2.2 內(nèi)外加強(qiáng)肋的模塊化施工

CV內(nèi)外加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)包括腹板、翼板、托板等零件，如圖9所示。在依托項(xiàng)目中，是散件供貨至施工現(xiàn)場(chǎng)，先將腹板與翼板焊接，再將托板單獨(dú)焊接在CV筒體上，最后將腹板與翼板的組合件通過吊裝安裝至托板上方，最后依次完成焊接。存在的問題主要是散件供貨至現(xiàn)場(chǎng)，分別進(jìn)行焊接，大大增加了現(xiàn)場(chǎng)施工的工程量，不利于工期的控制。

圖9 外加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure of external stiffener

按照模塊化思路進(jìn)行再次優(yōu)化，將整圈加強(qiáng)肋進(jìn)行分段后，每一段作為一個(gè)子組件。即將每一段的腹板、翼板、托板作為一個(gè)子組件，在車間即完成組件預(yù)制。以組件形式供貨到施工現(xiàn)場(chǎng)后，以組件為單位進(jìn)行安裝節(jié)省大量組件拼裝焊接工期。

2.2.3 環(huán)吊梁的模塊化施工

安全殼環(huán)吊梁結(jié)構(gòu)是一個(gè)箱體式鋼結(jié)構(gòu)，包括上下環(huán)板、筋板、人孔板等零件，如圖10所示。環(huán)吊梁的上環(huán)板是核島環(huán)吊軌道的承載臺(tái)面，水平度要求較高(整體水平度要求19 mm，每6 m范圍內(nèi)6 mm)。依托項(xiàng)目的施工邏輯為：

圖10 環(huán)吊梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of crane girder

1)散件供貨至施工現(xiàn)場(chǎng);

2)拼裝場(chǎng)地將下部環(huán)板與筒體組對(duì)點(diǎn)焊，然后依次安裝豎向筋板與人孔板，考慮到上環(huán)板水平度要求較高，拼裝場(chǎng)地暫時(shí)不安裝上部環(huán)板;

3)筒體四環(huán)在核島就位后，對(duì)筋板、人孔板的頂部標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量與調(diào)整(切割、打磨)，水平度滿足要求后安裝上部環(huán)板。

依托項(xiàng)目的施工方案存在下述問題：

1)散件供貨至施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)完成所有的焊接工作，工期較長(zhǎng)

2)拼裝場(chǎng)地僅完成了約2/3的工作量，上環(huán)板在核島的施工，占據(jù)了較長(zhǎng)的工期。

對(duì)環(huán)吊梁的施工進(jìn)行如下工藝改進(jìn)：

在車間預(yù)制階段將環(huán)吊梁均勻分為12個(gè)子組件，分別由相應(yīng)位置的上下環(huán)板、筋板與人孔板組成。將大量的焊接工作轉(zhuǎn)移至車間進(jìn)行，減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接工作量，節(jié)省工期。拼裝場(chǎng)地上，待筒體部分完工后，將12個(gè)環(huán)吊梁子組件順序依次完成安裝。此工藝優(yōu)化重點(diǎn)在于上環(huán)板水平度的控制。一方面在場(chǎng)地拼裝階段進(jìn)行控制(控制目標(biāo)為設(shè)計(jì)公差的50%，余下50%公差在核島安裝階段進(jìn)行控制)，另一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)是核島吊裝、安裝階段進(jìn)行水平度的精準(zhǔn)控制。環(huán)吊梁所在的筒體四環(huán)吊裝前，在筒體三環(huán)與四環(huán)接口焊縫上下位置，整圈均布焊接8～12套水平度調(diào)整工裝，(如圖11所示)，四環(huán)吊裝到位后，根據(jù)環(huán)吊梁上環(huán)板的水平度測(cè)量數(shù)據(jù)通過千斤頂局部微調(diào)，輔以工裝卡具進(jìn)行定位后實(shí)施焊接，最終實(shí)現(xiàn)上環(huán)板水平度的精準(zhǔn)控制。

圖11 水平度調(diào)整工裝Fig.11 Adjustment tooling for levelness

3 優(yōu)化后節(jié)約的現(xiàn)場(chǎng)工期

本文從設(shè)計(jì)、施工角度提出的優(yōu)化方案，可較大幅度地減少核電站施工現(xiàn)場(chǎng)的工程量，將相當(dāng)一部分工作提前至預(yù)制車間開展，可有效降低現(xiàn)場(chǎng)的建造工期。根據(jù)依托項(xiàng)目的建造實(shí)踐，上述優(yōu)化方案在AP1000機(jī)組的建造中最終可以減少的工期如表1所示。

表1 優(yōu)化后節(jié)約的工期Table 1 Time saving after optimization

4 總結(jié)

鋼制安全殼的建造是AP系列核電站“模塊化”建造的典型代表，這一施工理念對(duì)于核電施工產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。受設(shè)計(jì)、制造、施工及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)不足等多方面因素的影響，在AP1000依托項(xiàng)目上模塊化建造的理念經(jīng)歷了從無(wú)到有逐步完善的過程。本文通過對(duì)鋼制安全殼在依托項(xiàng)目中的施工工藝、邏輯進(jìn)行總結(jié)及思考，從“模塊化”的角度進(jìn)行了大量的優(yōu)化，進(jìn)一步體現(xiàn)了 “工廠化預(yù)制，模塊化施工”的設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合依托項(xiàng)目的建造實(shí)踐對(duì)優(yōu)化方案對(duì)工期的貢獻(xiàn)進(jìn)行了量化分析，對(duì)于后續(xù)AP系列核電站的建造具有參考價(jià)值。