孫冠宇，鄔芝勝，肖俊寧，李毅，黎春梅，黃捷，武相，夏軍寶，干依燃

中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家級重點實驗室，四川 成都 610213

管路作為船用反應(yīng)堆系統(tǒng)的核心部件之一，對整個系統(tǒng)能否正常運行起著十分重要的作用。我國在船用核動力設(shè)計中，從20 世紀(jì)60 年代至今，一直延續(xù)傳統(tǒng)的設(shè)計模式，從最早的“二維繪圖”階段逐步發(fā)展到現(xiàn)在的“二維和三維單機混合建?！彪A段，并以二維設(shè)計為主。由于反應(yīng)堆系統(tǒng)管路及管件的數(shù)量和種類較多，這使得管路的布置設(shè)計任務(wù)十分繁重，亟需優(yōu)化改進。

而根據(jù)核電管路布置的經(jīng)驗，模塊化設(shè)計可提高設(shè)計效率，有效縮短工程工期并優(yōu)化施工質(zhì)量[1-3]。目前模塊化設(shè)計技術(shù)在第三代核電系統(tǒng)管路布置設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛，且已成為第三代核電技術(shù)的重要特征之一[4]。

本文對國內(nèi)模塊化技術(shù)在系統(tǒng)管路布置設(shè)計的應(yīng)用情況進行了梳理，開展了船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管路模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，著重給出了模塊化技術(shù)在船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管路布置設(shè)計中的應(yīng)用并對此進行分析。

1 船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管路模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1.1 船用反應(yīng)堆系統(tǒng)數(shù)字化布置設(shè)計技術(shù)

數(shù)字建模是數(shù)字化設(shè)計的核心。在系統(tǒng)數(shù)字布置設(shè)計中，管路數(shù)字模型是系統(tǒng)功能最直接的體現(xiàn)，由管線和管件2 部分組成。由于船用反應(yīng)堆系統(tǒng)的管件的材料、溫度、壓力和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等系統(tǒng)屬性參數(shù)與核電站有所差異，為此需結(jié)合系統(tǒng)特性在Creo 三維數(shù)字化平臺進行二次開發(fā)。本節(jié)從管線和管件2 個方面介紹了船用反應(yīng)堆系統(tǒng)數(shù)字化布置設(shè)計技術(shù)的研究。Creo 三維數(shù)字化設(shè)計平臺的人機交互界面較為簡潔，可直接在管路功能模塊內(nèi)完成管線庫的創(chuàng)建。在創(chuàng)建船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管線庫時，結(jié)合了已擁有的CADDS5 三維設(shè)計軟件船用非標(biāo)管線庫信息，對管線的系統(tǒng)屬性參數(shù)(溫度、壓力、材料和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等)進行二次增補，完成非標(biāo)管線庫跨平臺遷移，并完善管線數(shù)字模型信息，如圖1 所示。

圖1 管線庫遷移和完善示意

船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管件數(shù)據(jù)庫主要包括閥門庫、附件庫和支吊架庫。在數(shù)字化布置設(shè)計中，因零件數(shù)據(jù)量較小，故將各管件視作零件處理；同時考慮到后期的維護方便，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Excel 文件。為實現(xiàn)反應(yīng)堆系統(tǒng)管件的快速建模，利用Creo 提供的參數(shù)工具及關(guān)系式工具建立參數(shù)與尺寸的關(guān)聯(lián)，根據(jù)各零件結(jié)構(gòu)形式的不同建立關(guān)系式，修改參數(shù)即可修改結(jié)構(gòu)尺寸。在創(chuàng)建數(shù)字模型時，結(jié)合了反應(yīng)堆系統(tǒng)特性，為各零件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，具體設(shè)置情況見表1。管件數(shù)據(jù)庫示意圖如圖2 所示。在系統(tǒng)布置設(shè)計時，可根據(jù)設(shè)計需求直接在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建或調(diào)用閥門、三通、流量計和支吊架等管件數(shù)字模型。

圖2 管件數(shù)據(jù)庫示意

表1 管件主要參數(shù)配置表

現(xiàn)以限位支架為例，建立限位支架的三維模型，然后設(shè)置限位支架的設(shè)計參數(shù)，主要包括有支吊架所在管線的管路直徑D、管線的保溫層厚度n和支吊點至生根點的距離X，最后建立限位支架數(shù)字模型的關(guān)系式生成限位支架數(shù)字模型，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)管件參數(shù)化設(shè)計示意(以限位支架為例)

1.2 船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管路模塊化設(shè)計原則

現(xiàn)有船用反應(yīng)堆系統(tǒng)經(jīng)過歷年的經(jīng)驗累積，管路布置設(shè)計具有較為成熟的技術(shù)。但前期的管路設(shè)計時是按系統(tǒng)進行設(shè)計的，沒有按模塊劃分。本文按模塊化需求進行區(qū)域劃分和斷管設(shè)計，并完成模塊內(nèi)的管路及支吊架布置設(shè)計。針對模塊內(nèi)的布置設(shè)計，從以系統(tǒng)管路為對象轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅K區(qū)域為對象，文獻[5-9]對管路的模塊化設(shè)計需注意的問題進行了初步分析，本文結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，提出適用于船用核動力裝置高能系統(tǒng)管路模塊化設(shè)計原則：

1)管路模塊應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計且具有可組裝性。

2)管路的模塊化設(shè)計應(yīng)最大程度利用已有設(shè)計成果，同時模塊應(yīng)具有合理性、安全性、可操作性和可維修性。

3)管路模塊中的閥門不宜采用“帶遠傳機構(gòu)”的閥門或氣動、電動閥門，止回閥；閥門的體積不宜較大，且應(yīng)具備運輸條件，安裝時應(yīng)水平安裝；DN 不大于50 的管道上連接的閥門質(zhì)量應(yīng)不大于50 kg。

4)管路模塊預(yù)制過程中，需要使用過多的臨時材料(主要為臨時支撐鋼結(jié)構(gòu))時，不應(yīng)設(shè)計為管路模塊。

5)管路模塊不滿足吊裝空間、安裝空間要求或其尺寸超出運輸限制要求時，不應(yīng)設(shè)計為管路模塊。

6)管路模塊邊界的界定應(yīng)以閥門兩側(cè)或一側(cè)最近的現(xiàn)場焊為管道段模塊的邊界，不改變除閥門兩側(cè)或一側(cè)外的其他焊縫形式；管道段模塊設(shè)計不應(yīng)增加焊點；邊界的現(xiàn)場焊口處于墻角、穿墻及其他復(fù)雜位置時，不應(yīng)設(shè)計為管路模塊。

7)模塊間的對接管路數(shù)量，在不影響系統(tǒng)原理的情況下應(yīng)盡可能精簡。

8)管路模塊的對接區(qū)應(yīng)確保管路對接安裝施工空間和環(huán)境，且距離較近的管路對接處應(yīng)采用錯位布置。同時，根據(jù)管路使用特點及空間布置條件，在與管路對接處的一定距離內(nèi)應(yīng)設(shè)置有具有補償?shù)耐庑?如彎頭、環(huán)行和彎曲等)。

2 模塊化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 典型管路模塊設(shè)計

AP1000 的自動卸壓系統(tǒng)(automatic depressurization system，ADS)中系統(tǒng)排放管線采用模塊化設(shè)計，主要由結(jié)構(gòu)框架、管道支架、管道和閥門組成，模塊總重量約46 t，其三維模型如圖4 所示[10]；CPR1000 中布置較為集中的典型管線采用模塊化設(shè)計，并作為示范模塊[11]，其三維模型如圖5 所示。

圖4 AP1000 管路模塊三維示意

圖5 CPR1000 示范模塊三維示意

參考核電模塊化設(shè)計的模塊選取方法，本節(jié)基于最大化利用已有設(shè)計成果的原則，選取反應(yīng)堆系統(tǒng)中具有代表性的區(qū)域作為典型模塊。經(jīng)過篩選比對，選定壓力安全系統(tǒng)中布置較為緊湊的區(qū)域作為設(shè)計對象。整個模塊的設(shè)計在Creo 三維數(shù)字化平臺上進行，該模塊的設(shè)計方案信息如下：安裝區(qū)域為艙室右側(cè)中層后部；外形尺寸為1.79 m×1.25 m×0.84 m；質(zhì)量約為1.6 t。方案簡圖如圖6 所示。

圖6 典型管路模塊方案

2.2 耗能計算分析

2.2.1 模塊間管路對接方式

考慮到管路模塊化設(shè)計原則6)—原則8)，典型管路模塊設(shè)有3 根模塊間對接管，各對接管之間均留有足夠的距離，滿足現(xiàn)場操作空間需求。目前，模塊間管路對接方式主要有以下幾種：傳統(tǒng)模式管路對接方式(法蘭、螺紋接頭和焊接)，其適用范圍較廣；卡套管接頭，主要用于小口徑管系；卡箍式管接頭，主要用于中低壓管系；TiNi 記憶合金管接頭，主要用于高壓管系，但規(guī)格較少。經(jīng)分析，鑒于壓力安全系統(tǒng)的高溫高壓特性，模塊間的連接形式采用焊接連接。

2.2.2 可組裝性

考慮到管路模塊化設(shè)計原則1)和原則2)，典型管路模塊內(nèi)的設(shè)計仍沿用船用反應(yīng)堆系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗，管線、閥門、附件之間采用焊接連接，支吊架與鋼結(jié)構(gòu)也采用焊接連接，最終將利用支吊架的可組裝性實現(xiàn)典型模塊的組裝集成。

2.2.3 安裝要求

考慮到管路模塊化設(shè)計原則4)和原則5)，典型管路模塊的外形尺寸及重量與反應(yīng)堆系統(tǒng)的中型設(shè)備相等，且在模塊的上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置有吊耳，可滿足運輸、吊裝和安裝要求。

2.2.4 閥門選型

考慮到管路模塊化設(shè)計原則3)，模塊內(nèi)用的閥門類型主要有電動閘閥、電磁閥和手動節(jié)流閥，不設(shè)置遠傳機構(gòu)且無止回閥，閥門重量均不大于40 kg。

2.3 施工影響分析

通過對壓力安全系統(tǒng)典型區(qū)域的管路模塊化設(shè)計，經(jīng)統(tǒng)計，整個壓力安全系統(tǒng)模塊化率達到21.95%，詳見表2。

表2 管路模塊化統(tǒng)計

采用模塊化設(shè)計后，閥門兩側(cè)或一側(cè)的現(xiàn)場焊接變?yōu)轭A(yù)制工廠焊接，從而在一定程度上減少了現(xiàn)場管管路、閥門和支吊架的焊接工作量。

借鑒CPR1000 核電工程使用的“點系統(tǒng)”方法來量化測算管路模塊化設(shè)計后現(xiàn)場工作量的前移[12-13]。本文將壓力安全系統(tǒng)典型區(qū)域內(nèi)的管路置于同一等軸圖中，經(jīng)初步估算，典型區(qū)域內(nèi)若采用模塊化設(shè)計現(xiàn)場工作量可前移約52%。管路模塊現(xiàn)場工作前移量參數(shù)如下：B為管路現(xiàn)場安裝總點數(shù)，取值1.243；G為單張等軸圖所包含的管段數(shù)量，取值4；H為單張等軸圖所包含的現(xiàn)場焊口數(shù)量，取值78；M為實施管道段模塊后管段數(shù)的減少量，取值2；N為實施管道段模塊后現(xiàn)場焊口數(shù)的減少量，取值59；Q為實施管道段模塊后減少的現(xiàn)場安裝點數(shù)，Q=B×33%×M/G+B×35%×N/H+B×12%×N/H，取值0.647。管路實施模塊化前后對比如圖7 所示，有效地減少了核動力艙室內(nèi)的施工時間。

圖7 管路實施模塊化前后對比

從質(zhì)量控制角度出發(fā)，管路模塊的工廠預(yù)制，增大了施工空間，利于清潔度和精度控制，為施工質(zhì)量的改善提供了條件。同時在施工過程中還可提前發(fā)現(xiàn)和暴露一些問題，進行針對性的解決，從而整體上提高反應(yīng)堆系統(tǒng)管路的安裝質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文梳理了國內(nèi)模塊化技術(shù)在系統(tǒng)管路布置設(shè)計的應(yīng)用情況，結(jié)合船用反應(yīng)堆系統(tǒng)特點，完成了船用反應(yīng)堆系統(tǒng)數(shù)字化布置設(shè)計技術(shù)的研究，提出了船用反應(yīng)堆系統(tǒng)管路模塊化設(shè)計原則，并應(yīng)用于壓力安全系統(tǒng)典型區(qū)域模塊的設(shè)計，分析了模塊化技術(shù)在船用反應(yīng)堆系統(tǒng)應(yīng)用的可行性及施工影響，得到的模塊化設(shè)計可使現(xiàn)場工作量前移約52%，減少了核動力艙室內(nèi)的施工時間。

通過開展船用反應(yīng)堆系統(tǒng)模塊設(shè)計研究，提出了全新的模塊化設(shè)計理念，促進了數(shù)字化設(shè)計能力的提升。模塊化技術(shù)在船用核動力裝置高能系統(tǒng)的應(yīng)用，開啟了系統(tǒng)布置設(shè)計的思路，創(chuàng)新了系統(tǒng)布置設(shè)計的手段，具有重要意義。