核動力平臺模塊劃分技術(shù)研究

朱成華，陳艷霞，郭 健

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

模塊化設(shè)計(jì)與建造是當(dāng)今大型復(fù)雜系統(tǒng)、平臺和工程研制的發(fā)展方向，在縮短工程研制周期、降低經(jīng)費(fèi)需求、加強(qiáng)施工環(huán)境及建造質(zhì)量控制、提高使用維護(hù)、維修便捷性等方面具有重要意義[1]。海洋核動力平臺是核動力艦船的轉(zhuǎn)化成果，也是船舶與核電工程的有機(jī)結(jié)合，核動力平臺的設(shè)計(jì)建造模式可以借鑒船舶、核電、核動力艦船的模塊化思想。

船舶模塊化技術(shù)研究始于MEKO/FES艦船設(shè)計(jì)思想，即將不同裝備以模塊形式安裝到標(biāo)準(zhǔn)艦船平臺，采用多個(gè)預(yù)裝配分段建造、平行作業(yè)、互不干擾，最終集中安裝的艦船設(shè)計(jì)理念及建造方式[2]。

美國URD文件在ALWR（先進(jìn)輕水反應(yīng)堆）可建造性的政策聲明中要求應(yīng)用先進(jìn)的模塊化技術(shù)。如今國內(nèi)核電行業(yè)的模塊化設(shè)計(jì)、建造技術(shù)應(yīng)用始于秦山三期核電建造[3]。然而，無論是船舶海工領(lǐng)域還是核電領(lǐng)域，模塊化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展都受到設(shè)計(jì)建造技術(shù)實(shí)力和建造流程質(zhì)量管理水平的制約。尤其是在模塊化頂層規(guī)劃——模塊劃分技術(shù)的關(guān)注較少。因此，有必要結(jié)合海洋核動力平臺自身特點(diǎn)，對平臺模塊劃分技術(shù)進(jìn)行研究，為平臺模塊化設(shè)計(jì)建造提供理論指導(dǎo)。

1 模塊劃分原則

模塊劃分是在一定原則上對某一產(chǎn)品有針對性的進(jìn)行空間分割和功能劃分，在考慮設(shè)計(jì)、建造、維修以及更新?lián)Q代的需求，對一定范圍內(nèi)具有功能關(guān)聯(lián)的設(shè)備、管路及其附件進(jìn)行整合，使其能成為功能與結(jié)構(gòu)獨(dú)立，滿足區(qū)域化設(shè)計(jì)建造的要求[4–5]。

因此，模塊劃分應(yīng)遵循的基本原則包括區(qū)域和功能獨(dú)立性、擴(kuò)展性、標(biāo)準(zhǔn)化。

1.1 平臺區(qū)域/總段模塊劃分原則

平臺模塊化設(shè)計(jì)是為了以少數(shù)模塊組成盡可能多類型的核動力平臺，并在滿足要求的基礎(chǔ)上使平臺性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、研制周期短。因此，如何方案設(shè)計(jì)階段科學(xué)合理地劃分模塊，使平臺設(shè)計(jì)具有一定靈活性、建造管理合理性，而且使平臺模塊系列具有很強(qiáng)的擴(kuò)展、變型、輻射能力，是平臺模塊化設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。

方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行區(qū)域/總段模塊劃分必須對平臺進(jìn)行仔細(xì)的功能分析，并遵循以下原則：

1）總段模塊在平臺中的作用及其更換的可能性和必要性；

2）保持總段模塊功能獨(dú)立和結(jié)構(gòu)完整，特別是涉核區(qū)域與非核區(qū)域的獨(dú)立和完整[6]；

3）總段模塊間的接合要便于聯(lián)接與分離；

4）總段模塊的分解、組合不能影響平臺的主要功能。

1.2 平臺模塊劃分原則

1.2.1 功能模塊劃分原則

功能模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件，為使平臺模塊構(gòu)建合理、組合便利[7]，在功能模塊劃分中要遵循以下原則：

1）區(qū)域性原則

以區(qū)域功能為導(dǎo)向、結(jié)合結(jié)構(gòu)模塊劃分需求，保證區(qū)域模塊最大化、獨(dú)立性，如核動力平臺可以劃分為生活區(qū)、工作區(qū)、堆艙區(qū)、單點(diǎn)區(qū)；

2）功能獨(dú)立性

以模塊平行設(shè)計(jì)為目標(biāo)，考慮模塊組合多樣化，減少冗余功能，保證模塊的功能獨(dú)立和完整，如核動力平臺應(yīng)急電站分為逆變模塊、配電模塊等；

3）結(jié)構(gòu)獨(dú)立原則

基于功能獨(dú)立性配置獨(dú)立結(jié)構(gòu)，為模塊的設(shè)計(jì)、建造、產(chǎn)品組合、產(chǎn)品維修更換提供便利，如為設(shè)備冷卻水出口端管路模塊設(shè)置獨(dú)立的依附結(jié)構(gòu)；

4）大小適中原則

基于約定層次的模塊分解，以并行設(shè)計(jì)、建造為前提，確定平臺總的最低約定分解層級，核動力平臺模塊劃分的最低約定分解層級為部件模塊，如淡水供給模塊；

5）通用性原則

模塊劃分結(jié)果應(yīng)具有廣泛的功能或結(jié)構(gòu)覆蓋性，為構(gòu)造多樣化的平臺提供功能或結(jié)構(gòu)組件，如改變核動力平臺單點(diǎn)模塊型式，可以將核動力平臺應(yīng)用于不同海域。

1.2.2 結(jié)構(gòu)模塊劃分原則

結(jié)構(gòu)模塊劃分既要考慮其本身作為平臺總體結(jié)構(gòu)有設(shè)計(jì)建造的要求，又考慮模塊上的設(shè)備、模塊安裝等多種因素[8–9]，特別是對核級設(shè)備影響。在結(jié)構(gòu)模塊劃分中遵循以下原則：

1）考慮區(qū)域裝配的完整性

結(jié)構(gòu)模塊劃分時(shí)需最大限度實(shí)現(xiàn)各區(qū)域、各功能模塊的結(jié)構(gòu)完整性，如堆艙、生活區(qū)等。

2）考慮分段與總段模塊的起重與運(yùn)輸

結(jié)構(gòu)模塊劃分需綜合權(quán)衡模塊重量和尺寸在運(yùn)輸能力范圍內(nèi)，并對其起重運(yùn)輸能力充分利用。

3）考慮施工工藝的合理性

結(jié)構(gòu)模塊劃分應(yīng)盡量擴(kuò)大分段裝配焊接的機(jī)械化、自動化范圍，考慮使高空作業(yè)平面化。

4）考慮的結(jié)構(gòu)合理性

結(jié)構(gòu)模塊劃分應(yīng)保證分段大接縫位置布置和接頭形式，而且各模塊應(yīng)具有足夠的剛性以便調(diào)運(yùn)。

5）考慮施工作業(yè)的均衡性

結(jié)構(gòu)模塊劃分應(yīng)保證作業(yè)量的均衡性。各結(jié)構(gòu)模塊必須在體積、重量和形狀等方面具有相似性，以便在加工和各級裝配過程中均勻地分配工作量。

2 模塊劃分方法

2.1 平臺模塊層次劃分

海洋核動力平臺是一個(gè)復(fù)雜的多系統(tǒng)工程產(chǎn)品，其特點(diǎn)是功能復(fù)雜、結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)層級多。在進(jìn)行模塊劃分時(shí)，首先應(yīng)該按層次逐級展開，逐層向下分解，高層次以低層次為基礎(chǔ)，同時(shí)高層次又帶動和決定低層次的構(gòu)成和發(fā)展。

表1 平臺模塊層次Tab.1 Level division of nuclear power platform

因此在進(jìn)行平臺模塊劃分時(shí)，首先應(yīng)該按照平臺的相對復(fù)雜程度或功能關(guān)系劃分屬于平臺的層次，然后在各個(gè)層次確定初始約定層次和最低約定層次，最后在初始約定層次進(jìn)行模塊劃分得出最低約定層次模塊，如此重復(fù)直至模塊劃分滿足標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、組合化的設(shè)計(jì)需求。

從海洋核動力平臺模塊化區(qū)域概念出發(fā)，結(jié)合船舶分段建造、總段對接的實(shí)際情況，建議將造船模塊分為7個(gè)層次，其中每個(gè)層次模塊包含相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模塊和功能模塊。

2.2 模塊劃分方法

平臺是由多個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)共同組成的有機(jī)整體，所涉及功能要素龐雜，因而其組合方式無限。平臺模塊劃分是研究如何將無限個(gè)功能要素組合確定為有限個(gè)最優(yōu)組合的過程。

模塊劃分以功能為核電開展，即將功能分析為基礎(chǔ)構(gòu)件簡單模型，然后由簡單模型組合復(fù)雜系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)原有系統(tǒng)的特定功能。

1）以功能為核心進(jìn)行分解

模塊是指具有某種確定功能的獨(dú)立單元，功能既是構(gòu)成模塊的依據(jù)，也是進(jìn)行模塊分解的基礎(chǔ)。模塊可以是物理單元，也可以是結(jié)構(gòu)單元，但就實(shí)際設(shè)計(jì)建造而言，獨(dú)立功能模塊已包含結(jié)構(gòu)單元，即物理功能單元和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元的組合體。

2）通用要素的提取和典型化

以主要功能要素為核心把關(guān)系較為密切的構(gòu)成要素進(jìn)行分組，經(jīng)過加工整理，把這些功能要素從初始約定層次中分離出來，使之成為能夠適應(yīng)同一層次其他產(chǎn)品的具有特定功能的獨(dú)立單元。

3）模塊接口分界點(diǎn)的選取

模塊接口分解點(diǎn)的選取原則是使模塊內(nèi)的聚集度最大，而模塊間的結(jié)合度最小。模塊內(nèi)的構(gòu)成要素就是為實(shí)現(xiàn)某一特定功能而服務(wù)的，并使接口結(jié)構(gòu)簡化，使系統(tǒng)既容易組合、又容易拆散。

4）非典型或非核心要素的處理

非典型或非核心要素的簡化和整合，在總段層次級體現(xiàn)為一些能通用于多種系統(tǒng)的裝置或設(shè)備；在部件層級則為各種類型的通用模塊。

5）模塊接口的處理

模塊接口是各組成模塊間傳遞功能的共享界面，是物質(zhì)、能量、信息傳遞的樞紐，模塊間接口的匹配性將直接影響到模塊功能的發(fā)揮和整機(jī)的可靠性。

2.3 模塊劃分的流程

模塊劃分原則是模塊劃分過程中的總綱，要實(shí)現(xiàn)對模塊劃分必須確定模塊劃分的主要環(huán)節(jié)和流程，如圖1所示是模塊劃分的主要環(huán)節(jié)和流程。

1）各模塊層次分析

對各模塊層次進(jìn)行分析，調(diào)查、研究、技術(shù)發(fā)展方向，并在此基礎(chǔ)上確定模塊化的規(guī)模、適用范圍。

2）主要功能要素提取和分離

針對各層次的不同特征，分析功能要素，組合功能關(guān)聯(lián)性高并分離功能聚合度低的部分，可以形成該層次模塊的雛形。

3）輔助要素聚合

經(jīng)上述主要功能的提取和分離后，剩下許多輔助要素和一些分立的比較小的構(gòu)成要素，應(yīng)對這些要素進(jìn)行聚合處理，以提高子系統(tǒng)或產(chǎn)品的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，以便簡化系統(tǒng)的構(gòu)成。

4）模塊接口模式分析

在對系統(tǒng)進(jìn)行上述分解后，研究重新組合成多種對象系統(tǒng)的可行性，研究接口方式、接口要素及接口設(shè)置部位等問題。

5）模塊組合驗(yàn)證

運(yùn)用已設(shè)定好的模塊及接口模式，將模塊重新組合成多型產(chǎn)品的可行性，組合既是為了驗(yàn)證是否能達(dá)到最初預(yù)期的目的，也是為了驗(yàn)證系統(tǒng)分解的正確性。

圖1 模塊劃分主要環(huán)節(jié)和流程圖Fig.1 The key link and flow diagram of the module division

3 模塊劃分的實(shí)施

模塊劃分原則和方法為模塊劃分提供理論和思想上的支撐，但在實(shí)際模塊劃分時(shí)，仍要以實(shí)際工程為依托，因此，本文將以海洋核動力平臺的模塊劃分為基礎(chǔ)對平臺模塊劃分具體實(shí)施過程的簡單說明。

3.1 模塊劃分具體實(shí)施

海洋核動力平臺示范工程為搭載有核動力裝置的焊接結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)非自航船式平臺/船，長期單點(diǎn)系泊于指定作業(yè)海域，為用戶提供電能、淡水等資源。

1）模塊劃分輸入條件：總布置圖、系統(tǒng)原理圖、艙室布置圖、基本結(jié)構(gòu)圖、重量統(tǒng)計(jì)表、管系原理圖、建造方針、三維模型。

2）模塊劃分是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。模塊劃分首先要在以上實(shí)際工程圖紙文件的基礎(chǔ)上，按照模塊劃分原則及方法制定符合本工程項(xiàng)目的劃分細(xì)則，進(jìn)行模塊劃分前期規(guī)劃，初步草擬模塊劃分結(jié)構(gòu)樹；然后根據(jù)產(chǎn)品建造方針及建造規(guī)定不斷修正，同時(shí)考慮符合設(shè)計(jì)方法、作業(yè)階段及有關(guān)工藝要求；最后得出模塊化劃分結(jié)構(gòu)樹。圖2為海洋核動力平臺按區(qū)域劃分的局部結(jié)構(gòu)樹。

圖2 按區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)樹Fig.2 The regional structure tree

3）模塊劃分應(yīng)以能實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化系統(tǒng)功能為基礎(chǔ)。對模塊劃分結(jié)構(gòu)樹各級模塊進(jìn)行組合分析，校對檢驗(yàn)?zāi)K組合能否滿足系統(tǒng)的功能要求，符合施工工藝規(guī)范，并與相關(guān)各方進(jìn)行協(xié)調(diào)與優(yōu)化。

4）模塊劃分應(yīng)以總布置圖、艙室布置圖、管系原理圖等為背景，根據(jù)實(shí)際模塊劃分情況規(guī)劃管子單元，并繪制各模塊圖紙。

5）各模塊應(yīng)充分考慮模塊的完整性，盡可能設(shè)計(jì)成包容性整體式模塊，使之能更多地包含管子、支架、閥（附）件、設(shè)備、基座、格柵、梯子、欄桿、護(hù)手、電纜管、電控箱等要素。

6）結(jié)構(gòu)模塊作為功能模塊的載體，在進(jìn)行模塊劃分時(shí)要在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)服從功能模塊完整性劃分要求。圖3為海洋核動力平臺結(jié)構(gòu)模塊初步劃分圖。

圖3 結(jié)構(gòu)模塊初步劃分示意圖Fig.3 The preliminary division of structural modules

7）模塊化設(shè)計(jì)建造的優(yōu)點(diǎn)是提高建造質(zhì)量，因此實(shí)際施工作業(yè)應(yīng)該在前期模塊劃分時(shí)就給予考慮。主要包括高空作業(yè)平地做，密閉作業(yè)敞開做，仰、立作業(yè)俯向做，水上作業(yè)陸地做的殼、舾、涂一體化四大作業(yè)原則。

3.2 模塊劃分實(shí)施注意事項(xiàng)

模塊劃分的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于功能模塊的劃分實(shí)施過程，結(jié)構(gòu)模塊幾乎是在滿足一定要求的基礎(chǔ)上服從功能模塊劃分的，因此在模塊劃分時(shí)著重分析了功能模塊劃分應(yīng)注意的主要問題：

1）模塊劃分應(yīng)使其結(jié)構(gòu)大小、功能范圍適當(dāng)。劃分時(shí)應(yīng)盡量使小的設(shè)備、部件、附件集中起來，形成功能完整而且獨(dú)立的模塊，以簡化系統(tǒng)構(gòu)成；

2）在模塊劃分和設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量找出其共性，提高模塊內(nèi)的功能集合度；

3）模塊整體要從制作、安裝、調(diào)試的可能性考慮，同時(shí)要便于運(yùn)輸、安裝及維修、運(yùn)行和在役檢查。

結(jié)構(gòu)模塊作為功能模塊的重要載體，對其進(jìn)行劃分時(shí)要注意以下問題：

1）分段劃分應(yīng)滿足易于建造，高效建造；

2）滿足分段劃分限制，并最大限度的合理利用生產(chǎn)資源；

3）提高原材料的利用率；

4）考慮作業(yè)的類似性便于分段的裝配；

5）保證分段或預(yù)搭載階段艙室的完整性，提高預(yù)舾裝率；

6）保證船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

7）滿足工程建造進(jìn)度、工藝試驗(yàn)流程；

8）分段劃分應(yīng)考慮船廠生產(chǎn)計(jì)劃和建造作業(yè)的均衡性及綜合管理。

3.3 CATIA輔助模塊劃分

CATIA V5軟件針對平臺等結(jié)構(gòu)體專門開發(fā)了功能體積和模塊劃分的創(chuàng)建和修改功能。通過功能體積將設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分割成較小的模塊單元，通過這些模塊單元可以更好地管理設(shè)計(jì)和建造目標(biāo)。

對船體進(jìn)行模塊單元劃分時(shí)需要綜合考慮船廠實(shí)際條件，如在功能設(shè)計(jì)階段早期需要考慮限制和起重能力等。

4 結(jié) 語

模塊化思想在縮短工程研制周期、降低經(jīng)費(fèi)需求、提高施工環(huán)境及建造質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢，但如何在設(shè)計(jì)階段融合模塊思想、以功能為核心進(jìn)行模塊劃分，建立模塊劃分流程是開展模塊化設(shè)計(jì)的前提。

本文結(jié)合核動力艦船和核電模塊化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對海洋核動力平臺提出了劃分原則；在平臺層次劃分的基礎(chǔ)上，闡述了以功能為核心的模塊劃分方法及技術(shù)要點(diǎn)，研究總結(jié)了指導(dǎo)模塊劃分的設(shè)計(jì)流程；最后以海洋核動力平臺為例進(jìn)行模塊劃分，為平臺模塊劃分的具體實(shí)施提供了依據(jù)。