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(mén)1、2號(hào)機(jī)組以及海陽(yáng)1、2號(hào)機(jī)組(下文簡(jiǎn)稱(chēng)依托項(xiàng)目)。在依托項(xiàng)目的建造過(guò)程中，由于“首堆效應(yīng)”，建造過(guò)程中對(duì)于模塊化的理念并未完全消化，通過(guò)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(chēng)“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(mén)、人員閘門(mén)、內(nèi)外加強(qiáng)肋、環(huán)吊梁以及筒體壁上安裝的各類(lèi)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(guò)車(chē)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(kāi)展設(shè)備閘門(mén)、人員閘門(mén)、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(guò)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(lèi)CV附件的供貨和安裝方式存在以下問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(mén)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(guò)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(chēng)厚度超過(guò)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(guò)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(mǎn)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(chēng)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(guò)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(lèi)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(kāi)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(lèi)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?chē)呢灤┘诤附蛹盁崽幚淼睦奂幼饔孟碌淖冃巫畲笃畛^(guò)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(kāi)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(chē)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(mén)插入板設(shè)計(jì)優(yōu)化

CV結(jié)構(gòu)中人員閘門(mén)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(kāi)孔，再安裝人員閘門(mén)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(mén)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(kāi)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(mén)貫穿件插入板結(jié)構(gòu)從開(kāi)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(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題突出，且熱處理后容易發(fā)生部分焊縫裂紋的問(wèn)題。

考慮上述問(wèn)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(chē)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(chē)間開(kāi)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(guò)吊裝安裝至托板上方，最后依次完成焊接。存在的問(wèn)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(chē)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(mǎn)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(wèn)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)間開(kāi)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(guò)程。本文通過(guò)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。