核电站机械模块化建造模式分析

纪立军，陈昊阳，徐国飞，邰 江

中国核电工程有限公司，北京 100840

传统核电工程建造方法对施工现场的人力和物力需求量较大，施工过程易受到场地、气候等因素制约，导致质量、安全、进度等方面存在风险。由于核电行业具有标准高、要求严、规模大、投入大、工期长等特点，需要采用更先进的设计理念和建造技术，结合科学管理来优化施工逻辑，改善施工环境，缩短建造周期，提高安全水平，从而提高核电工程质量，降低建造成本。

模块化技术是核电站工程缩短建造工期、降低造价的重要技术手段，已成为第三代核电的发展方向之一。在国内，核电模块化建造技术从大亚湾核电、秦山一期开始，在穹顶结构施工中体现了小规模模块化施工方式。目前，我国已建或在建核电站中大规模应用模块化设计与施工的，只有从美国引进的浙江三门1号、2号，山东海阳1号、2号AP1000核电站，以及山东荣成的CAP1400核电站。

模块化设计是核电站详细设计的一部分，为其提供了全新的设计理念和施工设想，即在车间里预制模块，在可控制的环境里最大化制造安装，保证建造质量。同时，模块制造能够与土建施工平行进行，从而缩短建造工期。最大程度上应用模块化建造可缩短电站建造周期和节约成本，同时满足电站的安全性和可维护性要求。

1 机械模块化设计概述

模块化包括模块设计和模块部件的工厂建造，部件是独立的运输单元，可以后期在现场通过螺栓或者焊接的方式进行连接。在被安装到安装区域前，模块中所有的系统部件都要装配好。通过采用该方式，电厂可以按照区域划分在同一区域的所有组件，不分系统和功能，都预装集成在同一结构框架上，将该结构框架和相关所有设备作为一个整体单元运到现场，拼装成更大的模块，或者直接安装到电厂中。首先，布置专业要建立模块化设计的概念，即要把设备和不同系统组合到一起，并注意因安全、冗余、防火以及防水而考虑的合理分界要求。其次，用详细的布置图或者PDMS三维模型来分析和确定各组件的详细分界。模块的尺寸与重量也是影响边界选择的因素，模块的重量不能超过起重机的最大荷载，外形尺寸不能超过规定的限值，重量和尺寸应根据运输的限制要求进一步调整。

机械模块的规划和设计是一个反复的过程，如何规划和设计机械模块的组成部件和物项首先面临的是技术问题，然后是保证机械模块具备可实施的制造和安装条件，以及机械模块的采购逻辑问题。

（1）定义。为了方便工艺管道预制及安装，缩短现场的安装周期，将核电站内相对集中布置的泵、阀、热交换器、容器、过滤器等工艺设备和管道安装在一个共同的整体钢结构框架上，组成一个整体单元，称为机械模块。如有需要，测量仪表及其管线也可安装于机械模块内。

（2）分类。机械模块分为设备模块和管道模块。设备模块主要由工艺设备、工艺管道、阀门、管件、钢结构以及相应的支架组成。相对于设备模块而言，管道模块的结构比较单一，功能相对简单，主要由工艺管道、管件、阀门、钢框架和支架组成。

（3）制造。模块化设计能够提高核电站的施工质量，并能缩短工期。但机械模块的制造和安装顺序必须结合整个电厂的建造进度计划考虑，以降低因施工作业通道狭窄而安装困难的风险。机械模块在工厂制造组装，安装在钢结构框架上，再运输到现场需要安装的位置。模块尺寸应能满足商业铁路运输要求而非船运，因为部分厂址不能直接从水路到达。但是，典型模块应可以船运，方便运送到经水路可达的现场。机械模块在运输前，需在制造加工厂完成组装、测试、检验。

（4）施工。模块化方法基于场内和厂外的制造设施，利用平行建造、较好的质量控制和充分的测试等方法，最大程度上减少气候、场地等因素制约。为了实现模块化建造，需要制订整体的设计技术策略，针对电站不同的位置来确定哪些适合做成模块。根据三门核电的工程经验，对于已完成的电站设计，很难再对模块进行修改，即使能够修改，也会耗费大量的人力和物力。因此，在设计之初就应考虑模块化设计的可行性，以确保模块化和传统建造技术的结合应用，最大限度地降低电站成本，缩短施工周期。

2 机械模块的布置原则

模块化设计在传统布罝原则基础上增加了额外的要求。虽然很多布置的通用原则仍继续可用，但要求模块设计者必须知道不同组件的相对位置和模块结构的关系以及模块最终在电厂的安装位置的关系。模块需要经过组装、运输、检验、测试、安装就位、连接、清洗、维护，这些因素都要在布置设计阶段予以考虑。

尽管模块化可以降低成本，加快进度，但必须持续考虑建造的可行性、可操作性、可维护性。特别是电厂布置设计过程中，应考虑以下原则：电厂建筑物的布置和结构、设备、管道、电气、暖通及其他服务系统的设计，应注重建造能力的提高，以及改善电厂的可操作性和可维护性；模块布置需要满足模块内所有部件在建造过程中和建造完成后的通道和维修空间要求；提高建造能力可通过材料选择，电厂各方面部件的标准化，合理的人员通道规划，设计上不互相干涉，一体化建造计划，优先安装顺序等方式实现；因为与临近的模块连接时可能有多个接口，所以公差要比传统布置设计的公差要求更严格，尺寸必须保证在一个选定的整体坐标系内，并考虑各组件的局部安装公差。

3 机械模块化建造模式分析

3.1 机械模块采购模式

在传统的采购模式下，机械设备、阀门、泵、工艺管道、管件、风管和电缆桥架等都委托制造厂制造，业主或安装单位分别采购后，在现场进行安装。在模块化建造中，通常将模块所包含的设备、管道、管件、风管、电缆桥架等采购后集中于模块加工厂，组装成模块。

机械模块的采购需统筹兼顾采购质量、成本和进度的关系。机械模块采购可遵循以下原则：对于必须实施整体采购否则影响系统性能的设备模块，以及由通用材料组成、附加值低的管道模块，可以模块为单元实施采购；对于拆分后既不影响模块整体性能，又有利于降低采购成本的，则可以将模块拆分后打包采购；对于非核级材料，如果量少、品种和规格较多，应尽量打包采购；对于核级材料，应单独划包采购以保证质量。在工程采购实践中，上述采购原则应根据具体情况做相应调整。

整个模块具备独立系统功能时，若对其中的单体设备单独进行采购，会对整个系统的性能、调试、安全和稳定运行产生风险，为了避免这种情况的出现，应把整个模块作为一个整体进行采购，同时考虑各模块的进度差异，可以与供应商签订分阶段供货合同，如果后续模块有新增采购需求，可直接以订单形式追加采购。

3.2 机械模块建造模式

模块化建造允许按并行的建造计划活动进行，可以将一个较拥挤的施工作业区域的工作量移到场外进行。但是，制订科学的安装逻辑非常重要，而且现场各建造施工班组相比传统核电站建造模式需要更好的协作。

（1）通过使用模块化技术，电站应能最大化发挥模块化的优点，电站的设计者和建造者应在模块化设计上密切配合。

（2）模块化设计应优先运用标准的元件和组件来简化工作，设计应考虑安装、维护、运行及内部组件拆装的空间通道等，在制造时，模块设计应全部完成，不留开口项。

（3）复杂的模块由工厂加工制造，制造商应参与设计过程。运输、模块接口中的加工公差以及操作和维护的可达性必须考虑在内，模块的大小必须考虑运输的最大重量和尺寸的限制及间隙，也要考虑场内起重机的最大起吊极限。

（4）模块化计划应为主要的成套设备包编制文件，包括各种复杂的接口，如根据永久性结构、综合性组件或材料，确定是工厂加工或者现场组装。编制计划时需评估由制造商购买原材料的价格优势及风险，包括模块内设备阀门的交货时间及周围其他物项的施工影响。

（5）详细计划应考虑电站模块的安装路径和安装逻辑顺序，并根据先后顺序确定制造加工和安装计划，系统调试也应考虑指定到该计划中。

（6）外部建筑物在墙或楼板上的开孔或临时开孔，其大小和位置应考虑模块的安装顺序和模块的大小。

（7）场内起重机的能力需要保证吊装大模块并且符合相关的建造技术要求。

4 结束语

与传统的非模块化设计技术相比，模块化设计具有可缩短施工周期、改善施工环境、利于控制质量等优点。但是机械模块化设计对设计、采购、制造和安装的逻辑顺序，以及对项目管理和进度计划要求更为严格。因此，开展机械模块化设计对于提高我国自主研发三代核电站堆型竞争力，无论是在国内市场还是在国际市场开发竞争中，都非常必要。