AP1000 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)分析

楊志全 歐彥佑

（中國(guó)核電工程有限公司，中國(guó) 北京 100840）

0 引言

AP1000 是我國(guó)從美國(guó)西屋公司引進(jìn)的第3 代壓水堆核電站，其特點(diǎn)是采用非能動(dòng)安全措施和模塊化設(shè)計(jì)。因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)可以提高電站施工質(zhì)量和加工、 安裝效率， 所以模塊化設(shè)計(jì)被廣泛的應(yīng)用在AP1000 電廠中，模塊主要有結(jié)構(gòu)模塊，機(jī)械模塊，電氣模塊，和模塊互連管道。 機(jī)械模塊是各類(lèi)模塊中比較重要的一類(lèi)模塊，包含各類(lèi)設(shè)備和工藝管道，甚至鋼結(jié)構(gòu)，通風(fēng)結(jié)構(gòu)和電氣，儀表等，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，涉及的接口眾多，故其在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮很多方面的內(nèi)容。此外，在后期的制造和安裝過(guò)程中，機(jī)械模塊可能出現(xiàn)的問(wèn)題也需要在其設(shè)計(jì)階段就考慮進(jìn)去，以盡量避免制造和安裝時(shí)的問(wèn)題，減小制造安裝難度。因此，模塊的具體設(shè)計(jì)成為了最重要的環(huán)節(jié)。以下本文將對(duì)機(jī)械模塊設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 機(jī)械模塊的概述

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的概念

模塊化即采用模塊式設(shè)計(jì)，之后將模塊部件在工廠建造，成為獨(dú)立的運(yùn)輸單元，以便后期在現(xiàn)場(chǎng)由螺栓或者焊接連接。 在被安裝到相應(yīng)區(qū)域之前，模塊中所有的系統(tǒng)部件都要裝配好。采用模塊化方式，電廠可以在設(shè)計(jì)時(shí)將同一系統(tǒng)的一部分物項(xiàng)設(shè)計(jì)在同一區(qū)域內(nèi)，或者將不同系統(tǒng)和功能的物項(xiàng)劃分在同一區(qū)域，這些物項(xiàng)都預(yù)裝集成在同一結(jié)構(gòu)框架上，作為一個(gè)整體單元運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)被拼裝成更大的模塊或者直接安裝到電廠中。

1.2 機(jī)械模塊的定義

機(jī)械模塊內(nèi)包含如泵、換熱器、風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)組、過(guò)濾器等設(shè)備，這些設(shè)備和與之相連接的管道、閥門(mén)、風(fēng)管、托盤(pán)、儀表、電纜和支架等安裝在一個(gè)共同的鋼結(jié)構(gòu)框架上。 預(yù)先布置并組裝在一起后，作為一個(gè)整體單元安裝到廠房的指定區(qū)域。 按照設(shè)計(jì)，模塊有一定的系統(tǒng)功能，是工藝系統(tǒng)的一部分。 模塊內(nèi)材料和部件應(yīng)該盡量在加工制造階段把測(cè)試和試驗(yàn)做好，以便盡可能減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.3 機(jī)械模塊的分類(lèi)

1.3.1 設(shè)備模塊

設(shè)備模塊包含工藝設(shè)備，例如：泵、換熱器、風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)組、過(guò)濾器、箱罐、閥門(mén)、儀表、泵等。

1.3.2 管道模塊

管道模塊不含泵、箱罐以及熱交換器等主要工藝設(shè)備，管道模塊主要包括管道、閥門(mén)、風(fēng)管、托盤(pán)、儀表管以及相應(yīng)的支撐，與結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)合在一起形成永久支撐。

1.4 機(jī)械模塊安全分級(jí)和抗震分類(lèi)

1.4.1 安全分級(jí)

機(jī)械模塊包含安全相關(guān)和非安全相關(guān)的機(jī)械模塊。 從設(shè)計(jì)、材料選擇、制造加工、試驗(yàn)、質(zhì)保、吊裝要求，安全模塊與非安全模塊均不相同。安全相關(guān)承壓邊界部件（承壓容器管道）的設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)應(yīng)滿(mǎn)足ASME“鍋爐和壓力容器規(guī)范”第III 卷、第1 冊(cè)的要求。 非安全相關(guān)承壓容器應(yīng)滿(mǎn)足ASME“鍋爐和壓力容器規(guī)范”第VIII 卷的要求。

1.4.2 抗震類(lèi)別

AP1000 核電廠中模塊抗震類(lèi)別有三種，抗震I 類(lèi)、抗震II 類(lèi)及非抗震類(lèi)。

抗震I 類(lèi)的模塊是核安全類(lèi)模塊。 這些模塊應(yīng)設(shè)計(jì)成可以抵抗SSE 安全停堆地震的影響，并維持支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能以及支撐系統(tǒng)的完整性。

抗震IIA 類(lèi)和IIB 類(lèi)模塊是非核安全類(lèi)結(jié)構(gòu)，在SSE 地震下它的失效可能會(huì)導(dǎo)致核安全類(lèi)結(jié)構(gòu)、支撐、管道、組件或設(shè)備喪失功能。 這些模塊應(yīng)設(shè)計(jì)成在SSE 期間能維持結(jié)構(gòu)完整性。 抗震類(lèi)模塊用于支承非抗震類(lèi)管道應(yīng)按抗震IIB 類(lèi)設(shè)計(jì)。

非抗震類(lèi)模塊是非核安全類(lèi)的結(jié)構(gòu)，它們的失效不會(huì)造成核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)、管道和設(shè)備的支撐或支架或設(shè)備等物項(xiàng)的功能的損壞。 它們支撐非核安全、非抗震類(lèi)管道及設(shè)備。

2 機(jī)械模塊設(shè)計(jì)分析

機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、電氣、暖通及其他系統(tǒng)建造的可行性、可操作性、可維護(hù)性。 在布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意模塊布置需要滿(mǎn)足模塊內(nèi)所有部件在安裝過(guò)程中和完成后的通道和維修空間要求。 同時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧希M(jìn)行部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，優(yōu)先安裝順序，并進(jìn)行放射性與非放射性區(qū)域以及系統(tǒng)的一體化建造。

設(shè)計(jì)初期，模塊化布置需考慮選定模塊的位置和空間范圍，與電廠中其他結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)施的關(guān)系，以及其他相鄰模塊接口的關(guān)系等。

因此，機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則和步驟：

2.1 機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

因?yàn)闄C(jī)械模塊包含結(jié)構(gòu)支撐、工藝設(shè)備、工藝管道、通風(fēng)和電氣設(shè)備等，所以模塊的設(shè)計(jì)是工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要組成部分，模塊的設(shè)計(jì)必須要符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則并滿(mǎn)足系統(tǒng)功能。 此外，還要滿(mǎn)足模塊本身的受力要求，滿(mǎn)足工廠加工制造，現(xiàn)場(chǎng)組裝的一般要求，以及模塊的吊裝、維護(hù)和運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

機(jī)械模塊中的設(shè)備模塊基于以下準(zhǔn)則：

1）模塊布置應(yīng)滿(mǎn)足通道及模塊內(nèi)所有的部件的維修空間要求，應(yīng)提供吊耳或者吊軌用于移動(dòng)較重的組件。

2）總的來(lái)說(shuō)，重設(shè)備應(yīng)放在模塊中比較低的位置，如有要求，在某些重設(shè)備下面還需要做抗震加固。

3）儀表板應(yīng)設(shè)在模塊中便于操作員監(jiān)控的一側(cè)，接線盒、端子板、壓縮空氣、電源等應(yīng)靠近儀表板設(shè)置。

4）應(yīng)注意日常維修保養(yǎng)和操作員的可達(dá)性，支撐柱應(yīng)盡量做到最少。

5）如果兩個(gè)或者多個(gè)模塊運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)需要連接到一起，這些模塊應(yīng)在制造裝配過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，以確保運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后能夠順利連接，連接處的管道現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)應(yīng)保證公差在1/8 英寸內(nèi)。

機(jī)械模塊中的管道模塊基于以下準(zhǔn)則：

1）管道支撐應(yīng)在模塊結(jié)構(gòu)上，管道錨固應(yīng)位于模塊之外。

2）除特殊說(shuō)明，所有的現(xiàn)場(chǎng)管道連接均采用焊接方式。

3）在建造、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中施加在結(jié)構(gòu)支撐部件上的吊裝力應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮。

2.2 機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)步驟

2.2.1 綜合布置

進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)完成模塊綜合布置圖，顯示模塊中的所有管道，設(shè)備/零部件，通風(fēng)系統(tǒng)管道以及電纜托盤(pán)。 綜合布置圖還應(yīng)表示出模塊邊界，特殊接口要求和管道支撐。

把設(shè)備和不同系統(tǒng)組合到一起并確定合理的模塊分界，要注意考慮安全、冗余、防火以及防水等方面的合理分界要求。用詳細(xì)的布置圖或者3D 模型來(lái)分析和確定各組件的詳細(xì)分界。 模塊的尺寸與重量也是影響邊界選擇的因素，模塊的重量不能超過(guò)起重機(jī)的最大載荷，外形尺寸不能超過(guò)規(guī)定的限值，重量和尺寸還要根據(jù)運(yùn)輸?shù)南拗埔筮M(jìn)一步調(diào)整。

2.2.2 初步應(yīng)力分析

綜合布置完成后，進(jìn)行初步應(yīng)力分析，分析模塊吊裝、運(yùn)輸以及建造過(guò)程中可能產(chǎn)生的載荷組合。

2.2.3 模塊本身的總體布置

在初步應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊本身的總體布置。

模塊需要經(jīng)過(guò)組裝、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、測(cè)試、安裝就位、連接、清洗、啟用、維護(hù)，這些環(huán)節(jié)都要在布置設(shè)計(jì)階段考慮進(jìn)去。由于與臨近的模塊連接時(shí)可能有多個(gè)接口，所以公差要比傳統(tǒng)布置設(shè)計(jì)的公差要求更嚴(yán)格，并考慮各組件的局部安裝公差。

2.2.4 最終應(yīng)力分析

以上完成后進(jìn)行最終應(yīng)力分析及分析報(bào)告。

2.2.5 施工制造圖

確定模塊總體設(shè)計(jì)無(wú)誤，力學(xué)分析結(jié)果合格后，將機(jī)械模塊中的結(jié)構(gòu)框架和管道分開(kāi)進(jìn)行編制詳細(xì)的制造圖以便于工廠加工。

2.3 設(shè)計(jì)后續(xù)環(huán)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)反饋

完成設(shè)計(jì)后，在工廠加工、包裝、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題需要反饋到設(shè)計(jì)中，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)的反饋修改設(shè)計(jì)，不斷提升設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)日臻完善。

3 結(jié)論

綜上所述， 核電站模塊化設(shè)計(jì)可以提加快核電站的建造進(jìn)度，降低電站的建造成本，提高生產(chǎn)效率和工程質(zhì)量。但同時(shí)，也注意到模塊化設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)，接口復(fù)雜，需要處理的信息量很大，容易出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)、制造和安裝問(wèn)題，這就需要設(shè)計(jì)人員在采用模塊化設(shè)計(jì)時(shí)注意遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，遵守相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)制造廠和安裝現(xiàn)場(chǎng)的多次反饋，增加設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)，使模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)最大化。