核电工程模块化技术研发与应用

鲁勤武(国家能源核电工程建设技术研发（实验）中心（中广核工程有限公司），广东 深圳 518124）

核电工程模块化技术研发与应用

鲁勤武
(国家能源核电工程建设技术研发（实验）中心（中广核工程有限公司），广东 深圳 518124）

模块化设计和建造技术是第三代核电技术的重要特征之一，为了推进核电工程设计、建造技术的科技创新，研究开发具有自主知识产权的模块化技术，中广核工程有限公司基于CPR1000型核电站进行了模块化技术研究开发与应用工作，在核电工程模块化设计技术体系建立、模块化三维设计系统开发以及安全壳钢衬里模块化施工示范应用方面取得了初步的研究成果。

模块化施工；钢衬里；空间网架吊具

核电工程采用模块化技术可以追溯到20世纪80年代初期，美国Bechtel公司计划将核潜艇模块化建造的成功经验应用于核电工程建造并进行了大量的基础研究，但是由于美国三哩岛事故的发生，致使美国的核电建设出现停滞，于是Bechtel公司将其模块化设计和建造理念推向正在大力发展核电的日本，与日本的日立公司一起推进核电工程模块化技术的应用研究和项目实施试验。在日立公司参与日本52个BWR/ABWR核电机组中的20个机组的设计建造中，最近的8个机组均采用了3D-CAD三维设计，模块化设计的模块数量由最初的18个增加到196个，在未来的核电建造中将增加到235个。1台核电机组建造工期也由20世纪80年代的62个月降低到现在的48个月（从第一灌混凝土到商业运行）。

加拿大原子能有限公司AECL在模块化施工方面也有一定的研究和应用，并在秦山CANDU6安全壳喷淋系统钢结构、主热传输集管束中，首次部分采用了模块施工技术，而且在CANDU6的改进型ACR-1000的设计里，也加大了模块化的设计范围并准备在新项目上推广应用。

苏联在核电站建造中推行的扩大工厂预制工艺，实际上也是一种模块化建造的雏形。

美国西屋公司对AP1000百万千瓦级压水堆核电站设计就是采用了模块化设计，该技术已在我国浙江三门核电站和山东海阳核电站开工建设，目前设计的结构模块和机械模块单堆共计170多个。

我国核电发展已从起步阶段进入发展阶段，目前运行和在建核电站主要是二代及二代加核电技术，采用二代及二代加技术的核电站，在设计阶段未考虑模块化施工，施工单位在建造过程中经过实践，将钢衬里穹顶等构件在场地上拼装完成后整体吊装，可视为模块化施工的尝试。因此，在国内核电站建设中，尚没有大规模采用成熟的模块化施工技术。

随着核能应用步伐的加快以及未来核电站在建造方面的高质量、高速度、高效率的要求，可以预测模块化施工技术在未来核电站建造过程中将逐步得到大量的应用。

1 国家能源核电工程建设技术研发中心的成立

2010年，国家能源核电工程建设技术研发（实验）中心落户中广核工程有限公司（简称中广核），模块化技术研究所肩负起了国内核电领域模块化技术引进、消化、吸收、再创新的平台建设，同时作为推进模块化设计、建设技术科技合作和交流平台，为核电工程模块化技术的普及推广、提升我国核电设计和建造的整体水平方面起着积极作用。

2 中广核模块化技术开发成果

核电工程模块化技术研究开发是一项系统工程，它不仅涉及核电站的设计、采购、制造、安装、调试全过程，而且必须考虑我国施工领域的现状、施工水平、管理水平和组织管理等现状，是一个循序渐进的过程，因此在模块化技术研究开发的初期（第一阶段）确定了“会设计、能设计以及积累实施经验”的模块化技术总体研发推进思路，在此基础上总结经验、完善模块技术体系，扩大模块应用范围和进行模块化技术的最优化应用（第二阶段）。如下就第一阶段的主要研发成果做一简单阐述[1]。

2.1 模块化设计技术体系的建立

模块设计是核电工程模块化技术的龙头，是引领模块化技术应用的前提。由于模块化技术是一项通用技术，该技术的研究开发不会因为堆型不同而发生大的差异，本模块化技术研究开发基于CPR1000项目为设计对象、以中广核的管理及组织模式为参照进行模块化设计技术体系的研究和建立，在该体系的合理性、实施性以及有效性验证后再根据实际项目的需要进行适应性优化和完善。

模块化设计技术体系的研究是基于CPR1000对策性研究成果的基础上，进一步深化研究成果，借鉴国外模块设计的成功经验，自主开展示范模块的设计，通过多专业参与的示范模块设计、施工方案研究，探索和梳理出了一套较完整合理的模块化设计体系及满足工程实施的工程文件体系，编制出版了模块化设计技术管理体系文件，其中模块设计专用规范（工程设计相关通用设计规范除外）20项，经示范模块设计使用该体系技术文件，基本上可以满足指导模块设计以及控制设计质量的需要。

2.2 模块化三维设计系统的研究开发[2]

2.2.1 模块三维设计系统构架

CPR1000核电项目的原始设计中并没有模块化理念，建立电厂三维模型时也未考虑到模块化设计的环节，同时PDMS三维设计平台本身也不具备模块设计功能，因此，直接在PDMS平台上开展模块化设计比较困难。

模块三维设计系统就是基于中广核已经建立起的比较完善的协同三维设计平台，充分发挥其已有的设计和管理功能，对模块设计特别需求的功能进行二次开发而形成的设计系统，图1是模块三维设计系统构架,该系统具有模块区域概选等6大功能，经实际应用及优化改进，已完全满足现阶段模块设计的功能需求。

今后将会根据不同项目的具体特点进行适应性的调整和修改以满足不同堆型及实际工程的需要。

2.2.2 模块三维设计系统主要功能

（1）模块区域概选

模块区域概选就是在完成初步设计的核电站三维模型中明确定义模块区域的空间范围，直观地表现出进行模块化设计的空间区域，从而使各专业设计人员了解模块区域的空间分布以及提供模块空间范围信息。

（2）模块对象定义

模块对象定义主要是从概选的模块区域的三维模型中，选择进行模块化设计的对象，从模块区域中区分模块化模型和非模块化模型。在模块化设计前期模块化模型主要包括设备、管道、电缆桥架、暖通、钢结构、支吊架等，在模块化设计中后期，还包括因模块安装和运输需要所添加的临时支吊架、临时钢结构、新建钢结构、新建支架和临时管道等。

（3）模块对象设计

模块对象设计是指对模块三维模型进行的设计优化（如支吊架整合优化）、焊点定制、新增钢结构和支架设计建模、临时钢结构和支架设计建模等工作，同时对于三维模型的模块标记属性做一些必要的调整，对于模块对象定义中所定义的模块关联数据也需要进行对应的修改。

（4）模块施工图设计

1）管道施工图设计

采用模块化设计后，管道施工图（又称管道三维制作图、ISO图）将会应用于预制工厂、模块化预制厂和安装现场。模块三维设计系统采用了PDMS平台的Design模块管道模型设计、Spooler模块出图设计、IsoDraft模块出图、AutoCad自动修改的方式完成管道施工图出图。

图1 模块三维设计系统构架Fig.1 The 3D modular design system stucture

2）模块支吊架图设计

支吊架出图以模块三维模型为基础，采用PDMS平台的draft模块出图，根据出图需求进行支吊架出图定制以满足设计需要。

3）模块组装图设计

模块组装图是模块化设计新增的一类图纸，是指导模块在模块工厂组装和模块在现场安装的工程文件，模块组装图采用PDMS平台的draft模块出图。为满足模块组装图的出图要求，专门对模块组装图进行了出图定制，对出图工具也进行了一些适应性的开发。

（5）模块重量及重心计算

模块重量及重心计算功能根据模块的三维模型数据，计算并导出模块的重量和重心，供模块吊具吊点设计、模块运输设计等使用。

（6）模块部件清单设计

模块部件清单说明模块的组成以及组成部品的名称、物理特性、供货地点等信息，部品的类别主要有大管、小管、临时放置大管、临时放置小管、阀门、永久钢结构、临时钢结构、管道永久性支架、管道临时性支架、设备、暖通管道、暖通支架、电缆桥架、电气支架等。

模块三维设计系统可以实时地自动生成模块部件清单。

图2是使用模块三维设计系统设计的一个模块的三维模型。

图2 模块三维设计模型Fig.2 3D modular design model

2.3 安全壳钢衬里模块化施工的成功示范应用

2.3.1 核岛安全壳钢衬里

CPR1000核岛安全壳钢衬里由底板、截锥体、筒体、穹顶4大部分构成，其厚度为6 mm、材质为P265GH，通过其背部的角钢和焊钉锚固在混凝土结构中。其中：截锥体和筒体共有13个安装层，每层由9～11张预制钢板对接焊接而成，每层筒体上分布有直径和数量不同的各类工艺及电气贯穿件、设备闸门套筒、人员闸门套筒、贯穿锚固件等部件。截锥体和筒体壁板施工均现场单片拼装、就位，现场焊接9或11道竖向焊缝（2层对接时有环向焊缝），然后再进行贯穿件及锚固件的开孔和焊接[3]。

2.3.2 钢衬里模块化设计方案[3]

（1）模块化设计方案

钢衬里模块化方案就是通过采用模块化技术，对安全壳钢衬里进行模块化设计和施工，实现改善施工环境、降低施工安全风险、保证施工质量、提高施工效率及缩短工期的目的[1]。

在核岛施工中，钢衬里底板和截锥体处于核岛施工关键路径上。在模块化技术开发和研究过程中先后提出了4种模块化方案，经过各种方案对比论证和考虑现场施工场地、大型吊装设备等因素，最终确定局部双层整体吊装设计方案，即示范项目安全壳钢衬里模块化设计方案采用6层钢衬里，筒体以下部分每两层设计成为一个模块的方案。

（2）模块吊具方案

为避免钢衬里在吊装过程中出现平面外的侧向变形，通过设置吊装吊具改变钢衬里的受力模式。研究成功并设计出传力直接、结构简单、自重轻、空间四边形网架结构的钢衬里模块专用特殊吊具（空间网架吊具）。

（3）起重机的计算与选择

根据起吊重量和国内现有大型吊机拥有情况，3个模块的吊装选用SCC6300型履带式起重吊机。

2.3.3 钢衬里模块化施工技术方案[3]

（1）模块化施工实施技术文件

钢衬里壁板及贯穿件套筒在车间分片预制成形后，运到现场拼装成模块，并安装贯穿件套筒，最后进行模块吊装，在组装过程中需要采用大量的工装、模具，确保施工安装精度、控制变形，以及编制相应的质量、安全控制措施。因此，编制合理、有效、可控的施工技术方案等技术文件是保障钢衬里模块化施工顺利成功实施的前提。

钢衬里模块的主要施工方案等技术文件有：①钢衬里模块化设计方案；②钢衬里模块化吊具设计方案；③钢衬里模块化车间预制方案；④钢衬里模块化吊装用索具验收方案；⑤钢衬里模块化拼装场地方案；⑥钢衬里模块化现场拼装方案；⑦钢衬里模块化吊装方案等13份。

上述13份施工方案等技术文件有效地指导了钢衬里模块示范项目的顺利实施、保障了施工质量和控制了安全风险，根据实施工程中的经验反馈，对技术方案进行了全面的优化修订形成了《CPR1000钢衬里模块化施工方案技术文件包》，为后续项目钢衬里施工的标准化、短工期的实现奠定了良好的基础。

（2）阳江核电站3号机组钢衬里模块化成功实施

阳江核电站3号机组钢衬里模块化示范项目现场实施从第一块模块吊装到三块全部完成（2011年年初开始进行模块I的拼装到第三块成功吊装）只用了不到6个月，施工质量好于预期，示范项目的成功应用，证明了设计方案和施工方案的合理、有效、可控，积累了丰富的施工经验。

（3）钢衬里模块化实施时的建议

1）根据不同的核电站项目的资源情况，合理划分钢衬里模块大小和质量。

2）要充分结合机组的施工进度计划，合理安排拼装场地及拼装时间，提前规划和协调利用紧张的场地资源。

3）研制质量轻、刚度大、空间受力好的双层网架结构大型特种吊具，实现吊具制造及吊车使用费用降到最低。

4）由于钢衬里壁板上不均匀分布有贯穿件套筒，所以施工方案设计时要精确计算每个模块的重量和偏心位置及采取一定防偏心措施。

5）为减小组对偏差，每个拼装完成的模块必须有偏差控制预案。

3 结束语

中广核实施核电工程模块化技术研究开发与应用战略，经过几年努力，取得以下成果：

1）自主建立起了一套比较完整的模块化设计技术体系，该体系的建立实现了核电站模块化设计能力的具备，迈出了实质性的一步。

2）基于中广核已经建立起的比较完善的协同三维设计平台（PDMS），对模块设计特别需求的功能进行二次开发，开发出模块三维设计系统，为模块设计提供了一套完整的、便捷高效的实用设计工具，应用效果良好。

3）积极将科研成果转化为生产力，推进钢衬里模块化技术方案的示范项目实施，取得了项目实施的巨大成功，同时也验证了模块化技术研发的核心能力的掌握。

虽然中广核在系统研究开发核电工程模块化技术和项目示范应用方面迈出了坚实的一步，但是在充分发挥模块化技术为核电工程缩短工期、降低造价和提高质量的优势方面还没有进行全方位、大深度、广范围的系统协同推进，下一步将着重推进建立模块设计、采购、建造技术管理体系，为模块化技术在核电项目上的规模化应用夯实基础，同时依托国家核电工程技术建造技术研发（实验）中心模块化技术研究所这个建设技术科技合作和交流平台，联合大专院校、科研机构、供应商以及施工单位联合攻克模块化技术的共性技术难关，普及模块化技术理念，提升核电行业的模块化整体设计和建造技术水平。

[1] 中广核工程有限公司. 模块化技术开发研究报告[R].深圳：中广核工程有限公司，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] 鲁勤武，李轶，吴祥勇. 基于PDMS平台的核电工程模块三维设计系统研究开发[R]//中国核学会2011年度学术交流年会论文集. 北京：中国核学会，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] 鲁勤武，张淑霞，郭俊营，等. 阳江核电站3号机组钢衬里模块化施工方法[J]. 电力建设，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

鲁勤武（1965—），男，高级工程师，硕士学位，从事核电工程模块化技术研究开发及设计管理工作。