AP1000模塊安裝中的典型問題探討

柴慶竹

【摘要】AP1000模塊化技術(shù)旨在提高核電廠建造的平行施工能力和工作效率，縮短建造周期，壓縮建造成本，與核電市場(chǎng)化相契合。在三門、海陽(yáng)核電項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐證明，模塊化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)其初衷。但因?yàn)槭鞘状螒?yīng)用，也存在一些問題。比如材料變更、不符合項(xiàng)等方面的問題，也有西屋設(shè)計(jì)缺陷及采購(gòu)方面的問題。在后續(xù)三代核電國(guó)產(chǎn)化過程中，需積極吸取WEC在三門、海陽(yáng)核電項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，不斷改進(jìn)和完善模塊化技術(shù)在核電中的應(yīng)用，使模塊化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更好發(fā)揮，展現(xiàn)其真正的價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】模塊化技術(shù)；先進(jìn)壓水堆；AP1000

1、前言

模塊化作為可適應(yīng)設(shè)計(jì)和大規(guī)模定制中的重要設(shè)計(jì)方法和核心技術(shù)，通過功能模塊的不同組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的用戶化和定制化設(shè)計(jì)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車制造、減速器、計(jì)算機(jī)、家電和家具等行業(yè)。模塊化技術(shù)在第三代核電設(shè)計(jì)與建造中的應(yīng)用尚屬首次，對(duì)于核電設(shè)計(jì)來說是全新的技術(shù)。核電站投資巨大且建造周期長(zhǎng)，AP1000模塊化設(shè)計(jì)為縮短核電站的建設(shè)周期提供的一種全新的解決方法，能夠大幅度提高核電廠建造的平行施工能力和工作效率。AP1000模塊化技術(shù)旨在將電廠的各部分設(shè)計(jì)和制造成獨(dú)立可運(yùn)輸?shù)膯卧?，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后通過螺栓或焊接等方式連接成整體。這些單元可以是廠房結(jié)構(gòu)的一部分，也可以是機(jī)械設(shè)備、管道，電氣橋架或暖通風(fēng)管的組合。AP1000模塊分成兩種類型，結(jié)構(gòu)模塊和機(jī)械模塊。結(jié)構(gòu)模塊有三個(gè)基本類型：鋼筋支撐框架模塊、永久鋼模板模塊和結(jié)構(gòu)鋼板混凝土模板襯里模塊。機(jī)械模塊分為設(shè)備模塊和管道模塊。AP1000模塊化技術(shù)在中國(guó)三門，海陽(yáng)核電項(xiàng)目中得到了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐證明，模塊化技術(shù)在三代核電項(xiàng)目建造過程中能夠?qū)崿F(xiàn)其設(shè)計(jì)初衷——縮短工期、提高施工效率。然而，AP1000作為世界首堆，也是模塊化技術(shù)在三代核電項(xiàng)目中的首次應(yīng)用，在制造安裝過程中難免會(huì)存在一些問題。以下是本人在經(jīng)歷模塊設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝過程時(shí)的幾點(diǎn)心得，供模塊設(shè)計(jì)方及施工方參考借鑒。

2、典型問題探討

模塊化技術(shù)在實(shí)踐中應(yīng)用時(shí)，主要存在以下幾方面的問題：材料變更引起的現(xiàn)場(chǎng)變更，不符合項(xiàng)引起的現(xiàn)場(chǎng)變更，設(shè)計(jì)變更引起的現(xiàn)場(chǎng)變更，WEC文件與國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差異引起的模塊整改和模塊到貨時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)安裝順序沖突引起的現(xiàn)場(chǎng)變更等。

2.1 MSR引起的現(xiàn)場(chǎng)變更。MSR：MaterialSubstituteRequest.材料變更申請(qǐng)。由于AP1000核島部分為美國(guó)西屋公司（WestingHouse，WEC）主導(dǎo)設(shè)計(jì)，模塊材料大多采用美標(biāo)材料，特別是大宗材料如結(jié)構(gòu)型鋼、板材等。AP1000引入國(guó)內(nèi)后，出于采購(gòu)便利性及成本控制的考慮，施工方和業(yè)主往往會(huì)向設(shè)計(jì)方建議采用國(guó)標(biāo)型鋼或截面型號(hào)較通用的美標(biāo)型鋼代換。WEC會(huì)接受承包商（Contrator）的MSR并作出評(píng)估，評(píng)價(jià)代換材料的強(qiáng)度及對(duì)模塊的完整性穩(wěn)定性影響。但MSR引起的接口變化，比如相連部件的長(zhǎng)度或位置調(diào)整，以及MSR造成的工期延時(shí)和由此增加的人力成本則由對(duì)方承擔(dān)。如圖2-1所示，屏蔽廠房屋頂?shù)膹较蛑髁翰牧嫌蒞36*393通過MSR變更為W36*395，型鋼截面高度由374/5”變更為383/8”。經(jīng)WEC評(píng)估，主梁材料變更后，強(qiáng)度未減弱。主梁下方的4根水平次梁，8根豎直次梁與主梁間通過帶螺栓的連接板連接。12根次梁的長(zhǎng)度和位置需加以調(diào)整才能保證CH72模塊內(nèi)部的設(shè)備/管道位置保持不變。同時(shí)，生根在主梁上的工藝管道/電纜及其支撐的位置需做相應(yīng)調(diào)整。在AP1000模塊化實(shí)踐中，針對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的MSR相對(duì)好處理一些，作為廠房結(jié)構(gòu)的支撐單元，結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)各構(gòu)件所處空間較為寬松，涉及接口SSC也便于調(diào)整。但對(duì)于機(jī)械模塊而言，由于機(jī)械模塊是以工藝設(shè)備/管道，電氣橋架和暖通風(fēng)管等為核心搭建鋼結(jié)構(gòu)框架，空間緊湊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)外部接口眾多。因此，機(jī)械模塊的MSR處理難度較大，WEC一般不建議變更。由此得到啟示：在模塊設(shè)計(jì)、采購(gòu)和制造過程中，設(shè)計(jì)方在保證模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)需盡量采用通用的國(guó)標(biāo)型鋼或美標(biāo)型鋼，以方便大宗采購(gòu)，降低成本。工程采購(gòu)方應(yīng)在前期積極開展國(guó)內(nèi)/外大宗材料調(diào)研，制作供貨商名錄及商品數(shù)據(jù)庫(kù)，為模塊設(shè)計(jì)選材提供指導(dǎo)和支持。

2.2 NCR引起的現(xiàn)場(chǎng)變更。NCR：Non-ConformanceRequest，不符合項(xiàng)申請(qǐng)不符合項(xiàng)，即工程實(shí)施結(jié)果與設(shè)計(jì)不符，有可控與不可控之分。可控不符合項(xiàng)，指的是能夠追究到責(zé)任方的不符合項(xiàng)，比如設(shè)計(jì)失誤，現(xiàn)場(chǎng)施工偏差超差等；不可控不符合項(xiàng)，指的是不受人為因素控制，比如受氣候影響，溫度變化，臺(tái)風(fēng)，暴雨等自然因素造成的模塊變形等。在模塊制造和安裝過程中，兩種不符合項(xiàng)并存。AP1000大型結(jié)構(gòu)模塊，由大面積鋼板與槽鋼/角鋼制成的龍骨焊接拼裝而成，板內(nèi)側(cè)焊接剪力釘與后澆混凝土緊密結(jié)合。結(jié)構(gòu)模塊在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后吊入核島。在拼裝，吊裝過程中受多重因素影響，如溫差、風(fēng)力，還有材料本身由于長(zhǎng)度過長(zhǎng)/面積過大產(chǎn)生的變形，很難保證施工效果完全符合設(shè)計(jì)要求。如圖2-2所示，CA01和CA02模塊在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后分別吊入安全殼廠房底板，二者在IRWST（內(nèi)置換料水箱）池壁處有一條拼接縫。由于CA01和CA02體積龐大，高9m。在吊裝就位后出現(xiàn)NCR，二者拼接縫處產(chǎn)生錯(cuò)邊，錯(cuò)邊量最大處達(dá)34mm。經(jīng)WEC分析，此NCR不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生很大影響，建議現(xiàn)場(chǎng)采用焊接連接板的方法，如圖2-3所示，對(duì)二模塊拼接處進(jìn)行連接并補(bǔ)強(qiáng)，以抵消錯(cuò)邊板間的剪切力。實(shí)踐證明，每個(gè)NCR的產(chǎn)生往往包含可控的和不可控的雙重因素。如上案例，CA01和CA02間產(chǎn)生錯(cuò)邊，有可能是因?yàn)槟K拼裝過程中產(chǎn)生的累積偏差，也有可能是受溫度變化，風(fēng)力，材料本身變形等因素影響。類似的例子還很多，后續(xù)機(jī)組在拼/吊裝過程中也采取了一些有針對(duì)性的改進(jìn)措施，如加裝臨時(shí)支撐或臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)措施等，雖有所改善但仍不能杜絕NCR的產(chǎn)生。由此得到啟示，在模塊設(shè)計(jì)過程中，需不斷吸取現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及其它廠址或堆型的施工經(jīng)驗(yàn)，盡可能多的考慮影響模塊吊裝/安裝的因素。利用現(xiàn)有的工程計(jì)算軟件，模擬環(huán)境盡可能貼近實(shí)際，為現(xiàn)場(chǎng)模塊吊裝/安裝增設(shè)臨時(shí)支撐/補(bǔ)強(qiáng)措施提供理論依據(jù)。當(dāng)NCR產(chǎn)生時(shí)，評(píng)估NCR對(duì)模塊產(chǎn)生的影響，當(dāng)影響在可接受范圍內(nèi)時(shí)采取針對(duì)NCR的補(bǔ)救措施，避免返工，將NCR導(dǎo)致的后續(xù)工作成本降至最低。

2.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)或設(shè)計(jì)變更引起的現(xiàn)場(chǎng)變更。受項(xiàng)目進(jìn)度影響，AP1000模塊化設(shè)計(jì)中，往往會(huì)出現(xiàn)模塊計(jì)算書出版滯后于模塊施工圖。根據(jù)模塊力學(xué)計(jì)算反饋，時(shí)常出現(xiàn)模塊的特定部位需要補(bǔ)強(qiáng)的情況。此外，由于大型設(shè)備設(shè)計(jì)載荷與（到貨）成品設(shè)備間差異較大，需要增加設(shè)備支撐或在原來設(shè)備支撐上增加補(bǔ)強(qiáng)件。補(bǔ)強(qiáng)件地增加就會(huì)導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)模塊上增加預(yù)埋板。安裝在結(jié)構(gòu)模塊上的預(yù)埋板需要在模塊鋼模板上開洞以便于預(yù)埋板所帶插筋伸入。部分模塊墻上的開洞過多過密，如CA01，CA20等，導(dǎo)致模塊整體強(qiáng)度弱化。在模塊施工后期，WEC專門發(fā)布了現(xiàn)場(chǎng)變更，要求所有安裝于結(jié)構(gòu)模塊上鋼模板處的預(yù)埋板與鋼模板間實(shí)施角焊縫環(huán)焊。機(jī)械模塊補(bǔ)強(qiáng)如圖2-4所示，安裝于輔助廠房（AuxiliaryBuilding）底層的流出液暫存箱間（EffluentHoldupTankRoom）的R104模塊（管道模塊）跨距17.660m，寬1.5m，且單邊掛墻。WEC在對(duì)該模塊計(jì)算復(fù)核時(shí)發(fā)現(xiàn)，R104中間部位遠(yuǎn)離墻側(cè)變形嚴(yán)重，需要采取支撐補(bǔ)強(qiáng)措施。計(jì)劃在房間的中間隔墻處，即二箱體的間隔位置處設(shè)置支撐點(diǎn)。由于房間內(nèi)設(shè)備/模塊早已就位，且空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后續(xù)的施工難度較大。由此得到啟示：項(xiàng)目管理中應(yīng)在項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)充分考慮各方工作時(shí)間余量，如模塊化實(shí)踐就應(yīng)在模塊設(shè)計(jì)完全固化后實(shí)施制造和安裝。在模塊設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮模塊后期改進(jìn)的可能性和可實(shí)施性。WEC的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得借鑒，以完善國(guó)產(chǎn)化后的模塊設(shè)計(jì)和施工，避免類似問題的發(fā)生。

2.4 WEC設(shè)計(jì)文件不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)變更。WEC公司內(nèi)部文件審查，NRC或中國(guó)國(guó)家核安全局在審查DCD文件時(shí)，發(fā)現(xiàn)AP1000設(shè)計(jì)不符合國(guó)內(nèi)/外行業(yè)規(guī)范的情況。如圖2-6所示，NFPA101（LifeSafetyCode）7.2.2.4節(jié)規(guī)定，樓梯頂部扶手（Handrails）的端部應(yīng)超出末級(jí)臺(tái)階邊緣至少12in（305mm），樓梯底部扶手端部應(yīng)超出末級(jí)臺(tái)階邊緣1個(gè)臺(tái)階深度的距離。同時(shí)，要求護(hù)欄扶手等在整個(gè)行程中保持連續(xù)無間斷、突起等，避免現(xiàn)場(chǎng)人員抓空、牽絆等傷害。但是，在WEC進(jìn)行內(nèi)部審查時(shí)發(fā)現(xiàn)部分CH，CS模塊不符合NFPA101的規(guī)定，且端部型式多種多樣。如圖7所示：此外，大多數(shù)CS，CH模塊內(nèi)，扶手欄桿間的間距均小于NFPA規(guī)定的值，即人員通道寬度不足。WEC給出的解釋是，AP1000核島廠房結(jié)構(gòu)緊湊，核島內(nèi)人員流動(dòng)量較小，現(xiàn)有通道寬度可以滿足火災(zāi)逃生要求。由此得到啟示，在AP1000模塊化設(shè)計(jì)過程中，需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。對(duì)于功能相同，結(jié)構(gòu)類似的結(jié)構(gòu)，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，降低工程成本。當(dāng)模塊設(shè)計(jì)無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求時(shí)，需給出充分的理由予以解釋。此外，在引進(jìn)國(guó)外技術(shù)或國(guó)內(nèi)技術(shù)出口時(shí)，往往會(huì)遇到外來標(biāo)準(zhǔn)與本土標(biāo)準(zhǔn)偏離的情況，這就需要設(shè)計(jì)人員充分考慮當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，使產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)力。

2.5 模塊到貨時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)安裝順序沖突引起的現(xiàn)場(chǎng)變更。機(jī)械模塊內(nèi)的設(shè)備制造、采購(gòu)周期往往滯后于模塊鋼結(jié)構(gòu)的制造周期，迫于工程進(jìn)度影響，有些模塊的鋼結(jié)構(gòu)框架會(huì)先于設(shè)備出廠，待設(shè)備到貨后在現(xiàn)場(chǎng)安裝。對(duì)于體積較小的設(shè)備可以采用這樣的方法，但對(duì)于大型設(shè)備而言，現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度較大。如Q240模塊，位于11廠房底板，內(nèi)有5個(gè)大型電動(dòng)閘閥（DN250），該模塊只能從正上方吊裝就位。但由于模塊內(nèi)閘閥設(shè)備到貨較晚，該模塊遲遲未能按期吊裝。受其影響，其正上方結(jié)構(gòu)模塊CA36樓板模塊也未吊裝。待設(shè)備到貨后，Q240模塊吊裝時(shí)發(fā)現(xiàn)，CA36相鄰模塊CA35模塊的一角阻礙了Q240的吊裝路徑。如圖8所示： 發(fā)現(xiàn)此問題時(shí)，CA35模塊上的吊裝用吊耳已切除，不可能通過重置CA35的方法解決。WEC最終采用將CA35與Q240模塊碰撞沖突部分先切割后復(fù)焊的方法，使得Q240得以順利吊裝就位。設(shè)備到貨滯后于模塊出廠是在AP1000模塊化施工過程中常見的問題，施工期間經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械模塊只見鋼結(jié)構(gòu)框架不見設(shè)備管道的情景，在一定程度上弱化了模塊化的優(yōu)勢(shì)。比如，某些模塊內(nèi)物項(xiàng)的密封性試驗(yàn)或NDE試驗(yàn)本可以在車間進(jìn)行卻要拿到現(xiàn)場(chǎng)來做，受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件及操作空間的制約。工程管理方的采購(gòu)管控有待改善。同時(shí)，也給設(shè)計(jì)方以啟示：在模塊設(shè)計(jì)初期應(yīng)積極調(diào)研，充分收集設(shè)備的制造和采購(gòu)周期等方面的信息，與工程管理方積極溝通協(xié)調(diào)，為其制定合理的采購(gòu)施工計(jì)劃提供技術(shù)支持。當(dāng)此類問題不可避免時(shí)，就應(yīng)做好思想準(zhǔn)備與技術(shù)儲(chǔ)備，保證工程順利實(shí)施。

3、結(jié)論與展望

WEC在三代先進(jìn)壓水堆AP1000設(shè)計(jì)中引入先進(jìn)的模塊化技術(shù)，旨在提高核電廠建造的平行施工能力和工作效率，縮短建造周期，壓縮建造成本，與核電市場(chǎng)化相契合。盡管模塊化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中問題層出，比如材料變更、現(xiàn)場(chǎng)不符合項(xiàng)等方面的問題，也有WEC設(shè)計(jì)缺陷及采購(gòu)方面的問題。因此，在后續(xù)三代核電國(guó)產(chǎn)化過程中，需積極吸取WEC在三門、海陽(yáng)核電項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，不斷改進(jìn)和完善模塊化技術(shù)在核電中的應(yīng)用，使模塊化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更好發(fā)揮，展現(xiàn)其真正的價(jià)值。