核電站機(jī)械模塊化建造模式分析

紀(jì)立軍，陳昊陽，徐國(guó)飛，邰 江

中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840

傳統(tǒng)核電工程建造方法對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的人力和物力需求量較大，施工過程易受到場(chǎng)地、氣候等因素制約，導(dǎo)致質(zhì)量、安全、進(jìn)度等方面存在風(fēng)險(xiǎn)。由于核電行業(yè)具有標(biāo)準(zhǔn)高、要求嚴(yán)、規(guī)模大、投入大、工期長(zhǎng)等特點(diǎn)，需要采用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和建造技術(shù)，結(jié)合科學(xué)管理來優(yōu)化施工邏輯，改善施工環(huán)境，縮短建造周期，提高安全水平，從而提高核電工程質(zhì)量，降低建造成本。

模塊化技術(shù)是核電站工程縮短建造工期、降低造價(jià)的重要技術(shù)手段，已成為第三代核電的發(fā)展方向之一。在國(guó)內(nèi)，核電模塊化建造技術(shù)從大亞灣核電、秦山一期開始，在穹頂結(jié)構(gòu)施工中體現(xiàn)了小規(guī)模模塊化施工方式。目前，我國(guó)已建或在建核電站中大規(guī)模應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)與施工的，只有從美國(guó)引進(jìn)的浙江三門1號(hào)、2號(hào)，山東海陽1號(hào)、2號(hào)AP1000核電站，以及山東榮成的CAP1400核電站。

模塊化設(shè)計(jì)是核電站詳細(xì)設(shè)計(jì)的一部分，為其提供了全新的設(shè)計(jì)理念和施工設(shè)想，即在車間里預(yù)制模塊，在可控制的環(huán)境里最大化制造安裝，保證建造質(zhì)量。同時(shí)，模塊制造能夠與土建施工平行進(jìn)行，從而縮短建造工期。最大程度上應(yīng)用模塊化建造可縮短電站建造周期和節(jié)約成本，同時(shí)滿足電站的安全性和可維護(hù)性要求。

1 機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)概述

模塊化包括模塊設(shè)計(jì)和模塊部件的工廠建造，部件是獨(dú)立的運(yùn)輸單元，可以后期在現(xiàn)場(chǎng)通過螺栓或者焊接的方式進(jìn)行連接。在被安裝到安裝區(qū)域前，模塊中所有的系統(tǒng)部件都要裝配好。通過采用該方式，電廠可以按照區(qū)域劃分在同一區(qū)域的所有組件，不分系統(tǒng)和功能，都預(yù)裝集成在同一結(jié)構(gòu)框架上，將該結(jié)構(gòu)框架和相關(guān)所有設(shè)備作為一個(gè)整體單元運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，拼裝成更大的模塊，或者直接安裝到電廠中。首先，布置專業(yè)要建立模塊化設(shè)計(jì)的概念，即要把設(shè)備和不同系統(tǒng)組合到一起，并注意因安全、冗余、防火以及防水而考慮的合理分界要求。其次，用詳細(xì)的布置圖或者PDMS三維模型來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起重機(jī)的最大荷載，外形尺寸不能超過規(guī)定的限值，重量和尺寸應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸?shù)南拗埔筮M(jìn)一步調(diào)整。

機(jī)械模塊的規(guī)劃和設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過程，如何規(guī)劃和設(shè)計(jì)機(jī)械模塊的組成部件和物項(xiàng)首先面臨的是技術(shù)問題，然后是保證機(jī)械模塊具備可實(shí)施的制造和安裝條件，以及機(jī)械模塊的采購(gòu)邏輯問題。

（1）定義。為了方便工藝管道預(yù)制及安裝，縮短現(xiàn)場(chǎng)的安裝周期，將核電站內(nèi)相對(duì)集中布置的泵、閥、熱交換器、容器、過濾器等工藝設(shè)備和管道安裝在一個(gè)共同的整體鋼結(jié)構(gòu)框架上，組成一個(gè)整體單元，稱為機(jī)械模塊。如有需要，測(cè)量?jī)x表及其管線也可安裝于機(jī)械模塊內(nèi)。

（2）分類。機(jī)械模塊分為設(shè)備模塊和管道模塊。設(shè)備模塊主要由工藝設(shè)備、工藝管道、閥門、管件、鋼結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的支架組成。相對(duì)于設(shè)備模塊而言，管道模塊的結(jié)構(gòu)比較單一，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由工藝管道、管件、閥門、鋼框架和支架組成。

（3）制造。模塊化設(shè)計(jì)能夠提高核電站的施工質(zhì)量，并能縮短工期。但機(jī)械模塊的制造和安裝順序必須結(jié)合整個(gè)電廠的建造進(jìn)度計(jì)劃考慮，以降低因施工作業(yè)通道狹窄而安裝困難的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械模塊在工廠制造組裝，安裝在鋼結(jié)構(gòu)框架上，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)需要安裝的位置。模塊尺寸應(yīng)能滿足商業(yè)鐵路運(yùn)輸要求而非船運(yùn)，因?yàn)椴糠謴S址不能直接從水路到達(dá)。但是，典型模塊應(yīng)可以船運(yùn)，方便運(yùn)送到經(jīng)水路可達(dá)的現(xiàn)場(chǎng)。機(jī)械模塊在運(yùn)輸前，需在制造加工廠完成組裝、測(cè)試、檢驗(yàn)。

（4）施工。模塊化方法基于場(chǎng)內(nèi)和廠外的制造設(shè)施，利用平行建造、較好的質(zhì)量控制和充分的測(cè)試等方法，最大程度上減少氣候、場(chǎng)地等因素制約。為了實(shí)現(xiàn)模塊化建造，需要制訂整體的設(shè)計(jì)技術(shù)策略，針對(duì)電站不同的位置來確定哪些適合做成模塊。根據(jù)三門核電的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于已完成的電站設(shè)計(jì)，很難再對(duì)模塊進(jìn)行修改，即使能夠修改，也會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。因此，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮模塊化設(shè)計(jì)的可行性，以確保模塊化和傳統(tǒng)建造技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，最大限度地降低電站成本，縮短施工周期。

2 機(jī)械模塊的布置原則

模塊化設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)布罝原則基礎(chǔ)上增加了額外的要求。雖然很多布置的通用原則仍繼續(xù)可用，但要求模塊設(shè)計(jì)者必須知道不同組件的相對(duì)位置和模塊結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及模塊最終在電廠的安裝位置的關(guān)系。模塊需要經(jīng)過組裝、運(yùn)輸、檢驗(yàn)、測(cè)試、安裝就位、連接、清洗、維護(hù)，這些因素都要在布置設(shè)計(jì)階段予以考慮。

盡管模塊化可以降低成本，加快進(jìn)度，但必須持續(xù)考慮建造的可行性、可操作性、可維護(hù)性。特別是電廠布置設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)考慮以下原則：電廠建筑物的布置和結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、電氣、暖通及其他服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)注重建造能力的提高，以及改善電廠的可操作性和可維護(hù)性；模塊布置需要滿足模塊內(nèi)所有部件在建造過程中和建造完成后的通道和維修空間要求；提高建造能力可通過材料選擇，電廠各方面部件的標(biāo)準(zhǔn)化，合理的人員通道規(guī)劃，設(shè)計(jì)上不互相干涉，一體化建造計(jì)劃，優(yōu)先安裝順序等方式實(shí)現(xiàn)；因?yàn)榕c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，尺寸必須保證在一個(gè)選定的整體坐標(biāo)系內(nèi)，并考慮各組件的局部安裝公差。

3 機(jī)械模塊化建造模式分析

3.1 機(jī)械模塊采購(gòu)模式

在傳統(tǒng)的采購(gòu)模式下，機(jī)械設(shè)備、閥門、泵、工藝管道、管件、風(fēng)管和電纜橋架等都委托制造廠制造，業(yè)主或安裝單位分別采購(gòu)后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。在模塊化建造中，通常將模塊所包含的設(shè)備、管道、管件、風(fēng)管、電纜橋架等采購(gòu)后集中于模塊加工廠，組裝成模塊。

機(jī)械模塊的采購(gòu)需統(tǒng)籌兼顧采購(gòu)質(zhì)量、成本和進(jìn)度的關(guān)系。機(jī)械模塊采購(gòu)可遵循以下原則：對(duì)于必須實(shí)施整體采購(gòu)否則影響系統(tǒng)性能的設(shè)備模塊，以及由通用材料組成、附加值低的管道模塊，可以模塊為單元實(shí)施采購(gòu)；對(duì)于拆分后既不影響模塊整體性能，又有利于降低采購(gòu)成本的，則可以將模塊拆分后打包采購(gòu)；對(duì)于非核級(jí)材料，如果量少、品種和規(guī)格較多，應(yīng)盡量打包采購(gòu)；對(duì)于核級(jí)材料，應(yīng)單獨(dú)劃包采購(gòu)以保證質(zhì)量。在工程采購(gòu)實(shí)踐中，上述采購(gòu)原則應(yīng)根據(jù)具體情況做相應(yīng)調(diào)整。

整個(gè)模塊具備獨(dú)立系統(tǒng)功能時(shí)，若對(duì)其中的單體設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行采購(gòu)，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、調(diào)試、安全和穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，為了避免這種情況的出現(xiàn)，應(yīng)把整個(gè)模塊作為一個(gè)整體進(jìn)行采購(gòu)，同時(shí)考慮各模塊的進(jìn)度差異，可以與供應(yīng)商簽訂分階段供貨合同，如果后續(xù)模塊有新增采購(gòu)需求，可直接以訂單形式追加采購(gòu)。

3.2 機(jī)械模塊建造模式

模塊化建造允許按并行的建造計(jì)劃活動(dòng)進(jìn)行，可以將一個(gè)較擁擠的施工作業(yè)區(qū)域的工作量移到場(chǎng)外進(jìn)行。但是，制訂科學(xué)的安裝邏輯非常重要，而且現(xiàn)場(chǎng)各建造施工班組相比傳統(tǒng)核電站建造模式需要更好的協(xié)作。

（1）通過使用模塊化技術(shù)，電站應(yīng)能最大化發(fā)揮模塊化的優(yōu)點(diǎn)，電站的設(shè)計(jì)者和建造者應(yīng)在模塊化設(shè)計(jì)上密切配合。

（2）模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的元件和組件來簡(jiǎn)化工作，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安裝、維護(hù)、運(yùn)行及內(nèi)部組件拆裝的空間通道等，在制造時(shí)，模塊設(shè)計(jì)應(yīng)全部完成，不留開口項(xiàng)。

（3）復(fù)雜的模塊由工廠加工制造，制造商應(yīng)參與設(shè)計(jì)過程。運(yùn)輸、模塊接口中的加工公差以及操作和維護(hù)的可達(dá)性必須考慮在內(nèi)，模塊的大小必須考慮運(yùn)輸?shù)淖畲笾亓亢统叽绲南拗萍伴g隙，也要考慮場(chǎng)內(nèi)起重機(jī)的最大起吊極限。

（4）模塊化計(jì)劃應(yīng)為主要的成套設(shè)備包編制文件，包括各種復(fù)雜的接口，如根據(jù)永久性結(jié)構(gòu)、綜合性組件或材料，確定是工廠加工或者現(xiàn)場(chǎng)組裝。編制計(jì)劃時(shí)需評(píng)估由制造商購(gòu)買原材料的價(jià)格優(yōu)勢(shì)及風(fēng)險(xiǎn)，包括模塊內(nèi)設(shè)備閥門的交貨時(shí)間及周圍其他物項(xiàng)的施工影響。

（5）詳細(xì)計(jì)劃應(yīng)考慮電站模塊的安裝路徑和安裝邏輯順序，并根據(jù)先后順序確定制造加工和安裝計(jì)劃，系統(tǒng)調(diào)試也應(yīng)考慮指定到該計(jì)劃中。

（6）外部建筑物在墻或樓板上的開孔或臨時(shí)開孔，其大小和位置應(yīng)考慮模塊的安裝順序和模塊的大小。

（7）場(chǎng)內(nèi)起重機(jī)的能力需要保證吊裝大模塊并且符合相關(guān)的建造技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的非模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)相比，模塊化設(shè)計(jì)具有可縮短施工周期、改善施工環(huán)境、利于控制質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。但是機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造和安裝的邏輯順序，以及對(duì)項(xiàng)目管理和進(jìn)度計(jì)劃要求更為嚴(yán)格。因此，開展機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)對(duì)于提高我國(guó)自主研發(fā)三代核電站堆型競(jìng)爭(zhēng)力，無論是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還是在國(guó)際市場(chǎng)開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)中，都非常必要。