AP1000机械模块设计改进

摘 要：模块化设计与建造技术是三代非能动核电站的主要特点之一.AP1000依托项目三门和海阳一期核电站机械模块制造和施工过程中,机械模块的安装方式、管道接口、电缆敷设、采购等问题影响了施工的进度和质量.如何利用依托项目施工过程中反馈的经验改进后续机组的机械模块设计是需要工程设计人员考虑的问题.本论文将根据机械模块施工经验反馈,对依托项目机械模块的设计优化进行研究和探讨,为后续核电站机械模块设计提供有益指导.

关 键 词：机械模块设计改进安装采购接口

1前言

模块化技术现已在造船、航空、石化、和常规电厂等项目中得到成功应用,有效的缩短施工工期、降低建造成本和风险.核电作为一种清洁和安全的能源,在国内外都有很好的发展前景.AP1000第三代先进压水堆核电机组大量使用了模块化施工技术.模块化施工技术是指将核电站中部分区域的设备、管道、风管、电气、仪表以及钢结构框架等组装成一体.在进行核电站各厂房布置过程中,按照模块的设计要求,通过合理、优化布置,分割出尽可能多的模块,所分割的每一个模块能成为相对完整、紧凑,可以在工厂加工、制造并完成部分功能试验的单元.在施工阶段,现场主要是模块的吊运、拼装和连接工作,不仅大大加快了建造进度,而且也节省了现场大量的劳力,减少了现场的物资供应和拥挤程度.

机械模块作为AP1000第三代核电机组构成重要的一个组成部分,其设计质量直接影响着电站布置和运转,乃至最终的经济效益.AP1000依托项目机械模块采用的是美国西屋的设计思路和规范标准,本文根据依托项目施工的反馈,对国产化后续项目机械模块设计提出几项改进.

2安装方式改进

依托项目山东海阳核电厂在建造过程中,发现部分锚固螺栓位置发生偏移,实际位置超出设计公差,超差范围在-11mm到+16mm之间.由于螺栓位置都已经固定,所以无法进行调整.现场要求设计方把后续设备连接的管道等物项图纸根据超差范围进行升级或者更改,以保证管道等物项与位置偏差的设备正确安装.

AP1000依托项目的设备模块安装大多采用直埋锚栓安装方式,如图2-1所示,在浇注过程中混凝土需要振捣密实,因此直埋螺栓容易偏离原来的位置,导致螺栓与螺栓孔无法对齐,安装困难.

在对直埋锚栓进行纠偏时,必须先凿开混凝土,焊接加固钢板,再二次灌浆整固,因此施工作业工作量大.而且考虑到灌浆后还需要养护一端时间,故而又拖延现场施工进度.在设备模块实际安装过程中,当安装孔与地脚螺栓错位时,现场施工方通常采用扩孔的方式加以解决.由于AP1000绝大部分设备模块需要正常工作60年,所以基础的稳固很重要,而扩孔会在一定程度上削弱底座的强度,尤其是安装孔靠近底座边沿时.

除此之外,直埋锚栓浇注完成后,并不会马上使用,还需等待模块进场.在此期间,直埋螺栓需要防止物体撞击,以防螺栓折弯或者断裂.如果模块进场时间间隔长,直埋锚栓由于长期暴露在空气中或浸泡在水中而产生锈蚀,导致强度下降,如图2-3所示.况且,由于三代核电AP1000施工采用开顶法施工,即在下层重要模块（或设备）和大体积模块（或设备）全部就位后再浇灌上层楼板.在开放式环境中,各种不利因素相对更多,直埋锚栓产生锈蚀、折弯或者断裂的可能性更大,成品保护工作量大大增加.

而我国核电设计中（例如恰希玛核电）,设备安装的传统做法是采用焊接、地脚螺栓和膨胀螺栓等安装方式,并在国内核电建造中得到了广泛运用.实践证明,二次灌浆地脚螺栓施工技术成熟,安装方式定位精度高,易于施工,方便成品保护.而且,地脚螺栓是在设备安装阶段才开始施工,因此成品养护时间缩短,不易生锈.施工完成后刷上保护涂层,能有效避免腐蚀降低螺栓的强度问题.

二次灌浆地脚螺栓能够克服直埋锚栓的缺点,将直埋锚栓改成二次灌浆地脚螺栓的安装方式是一种很好的实用方案.虽然受力强度相对有所降低,但仍能满足安装需要.在因为空间受限而不能改成地脚螺栓的地方,设备模块安装可以改成焊接方式.这种施工方式在AP1000依托项目中也得到了比较广泛的应用,因此也是实际可行的.

针对上述情况,在后续项目的设计过程中,考虑到AP1000核电站由于空间过于拥挤,即空间上不允许改成二次灌浆地脚螺栓的安装方式,因此可以考虑将部分模块的安装方式修改为焊接,如图2-4所示.这样的设计改进具有以下的优点：在模块就位前可以根据现场实际情况,通过垫铁或者使用垫板调整到理想位置,并保持了原有的安装方法优点-安装时间短.

3设计优化

3.1底板设计优化

部分机械模块底板尺寸过小,导致地脚螺栓孔边缘与底板边距以及底板上方工字钢与孔间距过短,如图3-1所示.工字钢在底板焊接完成以后,焊缝几乎贴着孔的边缘,导致锚栓紧固件无法安装,现场采取了切削垫圈和打磨焊缝的方法解决此问题.

特别是孔与板边缘的间距过小,将影响板承受水平方向剪切力的强度,另外垫圈的剪切和焊缝的打磨也将影响其承载力.

因此,机械模块底板设计需作改进,应增大底板尺寸,满足螺栓孔边缘与板边缘以及螺栓孔边与工字钢之间有足够的间隙（约25mm）,以保证工字钢的焊接以及紧固件的安装.

3.2牛腿设计优化

辅助厂房部分管道模块安装在混凝土预置的牛腿上,部分模块底座工字钢与牛腿边缘间距太小,只有13mm,施工稍有偏差即会导致模块无法安装的情况,如图3-2所示.

由于在浇筑混凝土时需要进行振捣,振动可能会使临时固定的预埋板产生移动,另外成形后的混凝土会发生一定程度的膨胀,导致许多预埋板发生不同程度的下陷,预埋板的凹凸安装公差为13mm,因此在此允许范围内下陷的预埋板仍视为合格.但由于预埋板凹陷,导致牛腿的安装位置随预埋板发生凹陷,存在13mm允许公差的牛腿偏移大大超出了牛腿支撑板与钢结构边缘的间隙,且底座工字钢与牛腿的焊缝焊高要求为10mm,因此导致两者无法进行正常焊接.针对以上问题,须考虑改进管道模块牛腿设计,增大牛腿底板宽度尺寸,充分考虑公差范围的影响,应至少距边缘25mm左右.以满足牛腿底板与模块底框工字钢之间有足够的焊接间隙,保证管道模块的正常吊装和焊接安装.

4吊装顺序改进

在依托项目模块的安装就位过程中发现,由于结构墙上的部分管道在浇筑混凝土时已经完成预置,导致贯穿件管道的位置挡住了模块的吊装路线,需切割管道后才能进行模块正常的吊装,模块安装完毕后,再焊回管道或者贯穿件,如下图4-1所示.

另外,由于CA20底层的模块墙内已经完成灌浆,同时已经安装上了管道贯穿件,在吊装时,导致模块被贯穿件阻挡,无法正常垂直下落,见下图4-2所示.

综合以上模块吊装过程中受阻的情况,对于安装在模块周围,考虑可能会对模块吊装产生影响的贯穿件的安装顺序加以重视和改进,必要时需依据后续模块吊装,调整贯穿件安装方案和顺序,并在贯穿件图纸上标明满足模块安装吊装要求的注释和标识.

另外,在机械模块的设计上也应充分考虑机械模块离墙间距.由于在吊装路径上可能存在的贯穿件,模块离墙的间距设计应考虑贯穿件伸出墙面的长度,保证模块吊装空间不受影响.

5接口设计改进

工厂化预制、模块化施工充分体现了机械模块制造与安装的特点.机械模块集成化程度高,现场调整的空间有限,因此机械模块内外接口设计的重要性尤其突出.

依托项目三门核电站在建造施工中发现,某模块在就位安装之后,有2处管道与出墙150mm的管道贯穿件在连接处发生明显错位,无法有效对接,如图5-1所示,已完全错位.

这种情况的出现,主要原因是由于现场施工和工厂预制的双重误差造成的.同时,设计时也未充分考虑施工误差.对于此类问题,现场通常采用拆除模块内的管道,对中连接后再复原模块内的支撑,但模块必须进行现场变更,但因为空间狭小,变更施工会很困难.

对于此类情况,最好的做法是增加调整段,以弥补土建施工和设备安装误差带来的负面影响.实际的手段有：（1）考虑在此接口处最近的一个弯管处采用弯头替代,方便现场调整模块内管道.（2）在模块管道对外接口处增加一段直管调整段,出现误差通过弯管方式保持对中和连接.（3）在模块对外接口处增加“Z”字形调整段,方便安装时调整.（4）穿墙直埋管（贯穿件）改为穿墙套管,穿墙管道从套管中穿过,因而可以后装,也方便安装时调整管道连接.如图5-2所示采用了增加调整段的方式.

6结语

AP1000模块化设计的优点在于精简厂房,通过模块化施工理念将现场工作转移至模块制造厂,缩短了施工周期.首座核电站的建设施工过程中暴露出的一些问题,为后续电站的改进设计提供了宝贵的经验.

模块化设计与电厂的总体布置是紧密相连的,模块化设计需要更为合理的布置,在模块化设计过程中需要对管道布置做不停的调整和优化.管道布置不仅要考虑符合模块化设计的要求,更要考虑模块在工厂的组装（比如型钢的焊接,管道支撑管部的安装等）,以及现场安装（地脚螺栓的安装和模块支撑的焊接等）的要求与偏差.

我国三门、海阳AP1000第三代核电机组首次采用模块化设计和建造方法进行核电站施工.应在设计、制造、组装、试验、施工和建造等各个方面吸取经验并加以总结,为后续核电站的施工提供良好的基础.