三維數(shù)字技術(shù)在AP1000核電站的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究

張 馳，張學(xué)斌，方奇術(shù)，王兆希，趙文韜

(1.山東核電有限公司，山東 海陽(yáng) 216600；2.國(guó)家電投集團(tuán)電站運(yùn)營(yíng)技術(shù)(北京)有限公司，北京 120029)

AP1000屬于雙環(huán)路的壓水堆，每個(gè)環(huán)路包括一條熱腿、兩條冷腿，兩臺(tái)主冷卻泵并列運(yùn)行，吸入口直接焊接在蒸汽發(fā)生器的底部。AP1000機(jī)組的主要特點(diǎn)[1-2]有：專(zhuān)設(shè)高度可靠的非能動(dòng)設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了廠房和系統(tǒng)，節(jié)省投資并將堆芯熔化概率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)；采用模塊化設(shè)計(jì)施工、3D設(shè)計(jì)、虛擬建造、數(shù)字化電廠等技術(shù)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，優(yōu)化進(jìn)度縮短工期；堆芯裝載Robust燃料組件，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命60年，堆芯高富集度，18個(gè)月?lián)Q料設(shè)計(jì)，加強(qiáng)堆芯反射層，主管道LBB設(shè)計(jì)等；灰棒調(diào)節(jié)堆功率，無(wú)須調(diào)硼進(jìn)行負(fù)荷跟蹤；全數(shù)字化監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)系統(tǒng)。

AP1000在設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)模塊和設(shè)備模塊兩類(lèi)，結(jié)構(gòu)模塊由各種型鋼焊接連接而成，作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分；設(shè)備模塊由設(shè)備、管道、儀表、閥門(mén)、支架以及固定用的型鋼等組合而成[3]。模塊化布置可以減低主廠房布置的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，總平面的組合布置靈活多變，可較好的適應(yīng)不同廠址的要求，模塊化使原先傳統(tǒng)上采用順序進(jìn)行的施工可以平行進(jìn)行，可以通過(guò)減少在現(xiàn)場(chǎng)的施工量而縮短核電的建設(shè)工期，大量的施工工作在制造廠完成，可以更好地保證施工質(zhì)量。然而大規(guī)模的模塊化在提供各種便利的同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)大件運(yùn)輸和吊裝工作帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[4-5]。

三維數(shù)字模型在核電的模塊化設(shè)計(jì)、建造以及運(yùn)維等各個(gè)階段都得到了廣泛的應(yīng)用和研究，本論文主要介紹三維數(shù)字技術(shù)在AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設(shè)計(jì)及安裝上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在AP1000的WLS系統(tǒng)KB16模塊維修更換上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1 AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設(shè)計(jì)的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

1.1 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)字技術(shù)

為滿(mǎn)足AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊的特定維修演練拆裝的使用功能，同時(shí)降低隔間模塊內(nèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)成本，數(shù)字化技術(shù)貫穿于隔間模塊的整個(gè)設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程，主要包括：

1)根據(jù)功能設(shè)置選定隔間模塊的幾何區(qū)域范圍，完成三維模型中隔間模塊的空間范圍和空間布置等信息的初步設(shè)計(jì)。

2)從隔間模塊的幾何空間區(qū)域中選擇進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的對(duì)象類(lèi)，隔間模塊中的對(duì)象類(lèi)主要包括鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道和支吊架等，以后因?yàn)槟K安裝和運(yùn)輸需要添加的臨時(shí)支架、鋼結(jié)構(gòu)和管道等。

3)根據(jù)功能要求進(jìn)行隔間模塊內(nèi)對(duì)象類(lèi)的屬性設(shè)計(jì)：幾何尺寸屬性、材料屬性、表面加工質(zhì)量、焊點(diǎn)和焊材屬性等的設(shè)計(jì)；模塊內(nèi)對(duì)象類(lèi)的質(zhì)量、重心屬性、吊點(diǎn)屬性等二次屬性等的校核；

4)各對(duì)象類(lèi)設(shè)計(jì)過(guò)程中，同步進(jìn)行隔間模塊內(nèi)對(duì)象的組裝設(shè)計(jì)和干涉校核，形成隔間模塊內(nèi)對(duì)象的組合件和整體布置圖，隔間模塊內(nèi)各對(duì)象類(lèi)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)修改時(shí)同步實(shí)時(shí)更新。

5)隔間模塊內(nèi)對(duì)象類(lèi)的施工圖設(shè)計(jì)，三維模型圖及三視圖，形成部件清單圖冊(cè)，工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝。其中各對(duì)象類(lèi)分模塊組裝完成后的隔間模塊模型圖如圖1所示。

圖1 對(duì)象類(lèi)分模塊組裝隔間模塊圖Fig.1 Modular assembly diagram ofobject class sub-module

1.2 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)值模擬計(jì)算

按照特定維修演練拆裝等使用要求下的不同工況，以及ASME相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)各分模塊進(jìn)行強(qiáng)度校核和分析，本設(shè)計(jì)實(shí)例中以容器分模塊為例，如圖2所示，建立相應(yīng)的幾何模型，分析與其他相連接的分模塊的邊界條件，包括與鋼結(jié)構(gòu)相連接邊界、與泵設(shè)備相連接邊界、與支撐結(jié)構(gòu)相連接的邊界，設(shè)定相應(yīng)的幾何邊界條件和載荷邊界條件。

根據(jù)2.1中提供的對(duì)象類(lèi)屬性中的材料屬性，進(jìn)行特定維修演練拆裝等不同工況下的計(jì)算，獲得在某設(shè)備安裝演練工況下的整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和整體位移水平如圖3所示，評(píng)估應(yīng)力水平和位移水平對(duì)隔間模塊特定維修演練拆裝等不同使用工況下的安全性和準(zhǔn)確性。

圖2 幾何模型及邊界條件Fig.2 Geometric model and boundary conditions

圖3 某工況下的容器分模塊的整體位移和應(yīng)力水平Fig.3 Overall displacement and stress level of acontainer sub-module under certain operating conditions

1.3 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊安裝過(guò)程中強(qiáng)度校核

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)理想情況下各種工況的應(yīng)力和位移進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件和安裝單位的安裝控制精度，一方面驗(yàn)證1.2節(jié)中的設(shè)計(jì)工況應(yīng)力值，一方面控制安裝工況下各種偏差引起的裝配應(yīng)力。

根據(jù)1.2節(jié)中設(shè)計(jì)工況下各個(gè)分模塊的應(yīng)力和位移計(jì)算值，選取各分模塊應(yīng)力水平較高位置為測(cè)點(diǎn)，測(cè)量各個(gè)安裝工況下的應(yīng)變應(yīng)力值，如圖4所示。

圖4 某分模塊設(shè)計(jì)應(yīng)力較高位置的應(yīng)變測(cè)量Fig.4 Strain measurement in a sub-modulewhere the design stress is high

以應(yīng)力水平較高的測(cè)點(diǎn)5為例，在某安裝工況下測(cè)點(diǎn)5的縱向應(yīng)變?yōu)?297.5 με，橫向應(yīng)變-216.9 με，45°方向應(yīng)變-130.8 με，計(jì)算獲得面內(nèi)第一主應(yīng)力為-107.3 MPa，面內(nèi)第二主應(yīng)力為-88.9 MPa，滿(mǎn)足該工況下該份模塊的設(shè)計(jì)要求。

2 AP1000的WLS系統(tǒng)KB16模塊維修更換的三維數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

2.1 KB16模塊三維模型復(fù)現(xiàn)

KB16模塊屬于核島內(nèi)橙區(qū)，目前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，已經(jīng)有多次的維修更換零部件，因?yàn)榭臻g狹小，造成了一定的檢修難度。AP1000核電站商運(yùn)后，KB16模塊屬于橙區(qū)，必然需要通過(guò)設(shè)計(jì)檢修方案控制檢修時(shí)間，減少人員輻照劑量，并且有利于減少大修工期。

三維技術(shù)應(yīng)用的第一步為通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪復(fù)現(xiàn)，如圖5所示。將模塊內(nèi)按類(lèi)別分為分模塊：管路模塊、鋼結(jié)構(gòu)模塊、風(fēng)管模塊、構(gòu)筑物模塊、設(shè)備模塊等。

圖5 KB16模塊三維模型Fig.5 3D model of KB16 module

各分模塊分別建立后，再將各分模塊通過(guò)功能配合和幾何連接構(gòu)成KB16模塊，通過(guò)CAE軟件進(jìn)行分模塊之間的功能檢查和幾何配合檢查，保證KB16模塊的完整。

2.2 KB16模塊維修更換的三維技術(shù)

根據(jù)預(yù)防性維修大綱，需要對(duì)其中電機(jī)進(jìn)行解體檢查，通過(guò)CAE軟件設(shè)計(jì)電機(jī)設(shè)備吊出的行走路徑，如圖6所示，根據(jù)行走路徑(紅色所示)及設(shè)備幾何形狀，自動(dòng)判斷空間中可能干涉的設(shè)備、管線(xiàn)和支架(紅色所示)等，通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)位置吊點(diǎn)，優(yōu)化行走路徑，確定較少的切割工作量和順利的行走方式。

2.3 KB16維修更換

根據(jù)電機(jī)解體大修程序提供的解體工序和步驟，采用CAE軟件實(shí)現(xiàn)演練(Composer)，做到按步驟依次使用工器具，按拆卸方向和角度進(jìn)行解體、拆卸后的零部件設(shè)計(jì)擺放位置和空間；采用CAE軟件統(tǒng)計(jì)需要的工器具清單、人工時(shí)統(tǒng)計(jì)及空間位置布置，形成詳細(xì)的方案以便于演練或者按方案操作實(shí)施。

圖6 KB16模塊中泵和電機(jī)Fig.6 Pump and motor in the KB16 module

3 結(jié)束語(yǔ)

AP1000采用了模塊化設(shè)計(jì)施工、3D設(shè)計(jì)、虛擬建造、數(shù)字化電廠等技術(shù)，優(yōu)化縮短了工期，提高了設(shè)計(jì)和建造質(zhì)量，三維數(shù)字技術(shù)在設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行管理中獲得了充分的應(yīng)用。

本文以蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊為例，對(duì)設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中的數(shù)字化應(yīng)用做了介紹，包括模塊幾何區(qū)域內(nèi)的空間布置設(shè)計(jì)、按對(duì)象類(lèi)進(jìn)行分模塊的設(shè)計(jì)、個(gè)對(duì)象類(lèi)屬性的設(shè)計(jì)、分模塊的組裝設(shè)計(jì)和干涉校核；設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)值計(jì)算，根據(jù)對(duì)象類(lèi)屬性中的材料屬性，進(jìn)行特定維修演練拆裝等不同工況下的安全性和準(zhǔn)確性計(jì)算；選取各分模塊應(yīng)力水平較高位置為測(cè)點(diǎn)，采用數(shù)字技術(shù)測(cè)量各個(gè)安裝工況下的應(yīng)變應(yīng)力值。

模塊技術(shù)的使用使得核島內(nèi)空間緊湊，給檢修工作帶來(lái)一定的困難，本文以WLS系統(tǒng)KB16模塊的檢修為例，通過(guò)數(shù)字模型技術(shù)檢查分模塊之間的功能匹配和幾何配合；通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)位置吊點(diǎn)，自動(dòng)判斷空間中可能干涉的設(shè)備、管線(xiàn)和支架等，優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)設(shè)備吊出的行走路徑；采用CAE軟件統(tǒng)計(jì)需要的工器具清單、人工時(shí)統(tǒng)計(jì)及空間位置布置，形成詳細(xì)的方案，有利于演練或者按方案操作實(shí)施。