核电站管道段模块化施工技术

韩小萍，鲁勤武，李轶，李连学

(国家能源核电工程建设技术研发(实验)中心(中广核工程有限公司)，广东省深圳市， 518124)

0 引言

目前我国在建核电站以CPR1000型为主，其系统复杂、建造周期长、施工质量要求高，在保证质量的前提下，如何缩短工期、降低工程造价是核电业主追求的目标之一。传统施工模式，核岛厂房内的大量阀门与管道的组合焊接工作均在现场进行，需投入较多焊工，且施工周期长。为减少核岛现场安装工作量，提高安装效率，本文借鉴国外沸水堆核电站实施管道段模块化技术的成功经验，对CPR1000型核电站管道段模块化施工技术进行了系统研究，制定了管道段模块的选定原则和设计流程，开发了基于三维设计平台的管道段模块设计功能，提出了实施管道段模块的技术条件，为CPR1000型核电站应用模块化施工技术提供了参考。

1 国外核电站管道段模块化技术

1.1 管道段模块化技术

国外沸水堆核电站从20世纪60年代开始逐步采用了模块化施工技术，并取得了良好的工程效果［1］。随着模块化技术的日益成熟和应用经验的积累，沸水堆核电站采用模块化设计、建造的范围越来越广，设计的模块也越来越大，同时也要求配置适应模块化施工的大型移动式吊车并扩大开顶施工区域。为提高吊车的使用效率，充分利用开顶施工时间，将不适宜做进模块的管道与阀门尽可能提前在工厂完成组对、焊接工作，预制成一体(即管道段模块)批量化生产，然后运到现场利用其他模块的安装设备和路径进行管道段模块的后续安装，从而最大限度地减少现场的工作量。

1.2 管道段模块化实施要点

1.2.1 管道段模块设计

管道段模块设计阶段的工作:选定管道段模块;定义管道段模块;确定管道段模块焊缝类别;出版管道段模块施工图。根据工程施工计划制定模块中阀门和管道的采购计划，确定阀门、管道的供货时间和地点。图1是管道段模块三维设计模型范例。

图1 管道段模块三维设计模型Fig.13D design model of piping-block module

1.2.2 管道段模块制造

管道段模块工厂预制与传统现场施工在制造工艺、规范、环境等方面完全一致，无特殊要求。

1.2.3 管道段模块水压试验

管道段模块在工厂预制完成后，进行水压试验。

1.2.4 管道段模块运输

管道段模块经检验合格后出厂，一般情况下随同其他模块一起运输。

1.2.5 管道段模块引入

利用其他模块的引入设备和路径将管道段模块引入就位或暂时存放待安装。

2 CPR1000核电站管道段模块化技术

2.1 管道段模块设计原则

通过对国外管道段模块化技术的研究和分析，结合国内CPR1000型核电站施工现状，制定出适用于CPR1000型核电站的管道段模块设计原则［2］。

(1)管线上的阀门属于以下情况之一的不设计为管道段模块:阀门和管道采用法兰连接;“带远传机构”的阀门或气动、电动阀门;止回阀;阀门体积较大或不能水平放置运输;DN≤50的管道上连接的阀门质量大于等于50 kg。

(2)预制成管道段模块需要使用过多的临时材料(主要是临时支撑钢结构)则不设计为管道段模块。

(3)管道段模块边界的现场焊口处于墙角、穿墙及其他复杂位置，则不设计为管道段模块。

(4)不满足吊装空间、安装空间要求或其尺寸超出运输限制要求，则不设计为管道段模块。

2.2 管道段模块边界的界定原则

(1)以阀门两侧或一侧最近的现场焊为管道段模块的边界，不改变除阀门两侧或一侧外的其他焊缝形式。

(2)管道段模块设计不应增加焊点。

2.3 管道段模块设计流程

管道段模块设计流程如图2所示［2］。

图2 管道段模块设计流程Fig.2Design flow chart of piping-block module

2.4 管道段模块三维设计功能开发

根据管道段模块三维设计功能需求，开发出管道段模块三维设计功能［3］，具体界面如图3所示。

图3 管道段模块定义界面Fig.3Definition interface of piping-block module

使用管道段模块三维设计功能完成的管道段模块三维模型如图4所示。

2.5 CPR1000核岛管道段模块设计

2.5.1 管道段模块设计对象及范围

根据设计原则和CPR1000型核电站阀门清单，对某项目1、2、9号机组核岛厂房三维模型中的阀门逐个进行分析，初步确定符合管道段模块条件的阀门范围。

2.5.2 管道段模块设计结果

针对初步确定符合管道段模块条件的阀门范围进行管道段模块的设计，共设计管径小于等于50.8 mm(2英寸)管道段模块4 709个，管径为50.82～ 152.4 mm(2～6英寸)的管道段模块545个［2-4］。

图4 管道段模块三维模型Fig.43D model of piping-block

2.5.3 管道段模块实施效果评估

管道段模块的实施，使阀门两侧或一侧的现场焊接变为工厂焊接，从而在一定程度上减少了现场管道和阀门的焊接工作量，根据CPR1000核电工程使用的“点系统”方法来量化测算实施管道段模块后现场工作量的前移［4］。

单个管道段实施模块化后减少的现场安装点数Q为

式中:B为管道现场安装总点数，由单张等轴图包括的管段、管件、在线设备的总质量乘以管道单位质量的安装点数计算得出(管道单位质量的安装点数是根据管径规格、材质、工程经验值确定，如表1所示［5］);G为单张等轴图所包含的管段数量;H为单张等轴图所包含的现场焊口数量;M为实施管道段模块后管段数的减少量;N为实施管道段模块后现场焊口数的减少量。

表1 管道单位质量安装点数Tab.1Installation points of pipelines per unit quality

按照“点系统”工程点数的分配比例，管道现场安装总点数中，管道、阀门就位、组对占管段现场安装总点数的33%，焊接完成为35%，无损检测为12%，水压试验为15%，安装文件为5%。管道段模块的实施使安装点数有变化的阶段为管道和阀门就位组对、焊接完成、现场焊口无损检测3个方面。为此按式(1)统计出上述3个方面的变化量，即可测算出实施管道段模块后该管线现场安装工作量的变化。

核岛厂房实施管道段模块后减少的总的现场工作量，可通过单个管道段模块减少的现场安装点数，乘以厂房内全部管道段模块的数量计算得出。

按上述方法对设计完成的管径≤50.8 mm以及50.8～152.4 mm的部分管道段模块进行统计计算，最后得出≤50.8 mm的每个管道段模块平均减少安装点数为5.14，50.8～152.4 mm的每个管道段模块平均减少安装点数为20.57。根据不同规格的管道段数量和相应的单个管道段模块减少的安装点数，汇总CPR1000核电站实施管道段模块的总体效果见表2［2］。管径≥152.4 mm的管道的阀门质量大，做成管道段的数量较少，在此不考虑实施管道段后现场安装点数的减少量。

表2 核电站实施管段模块的总体效果Tab.2Overall effect of piping-block module implementation in nuclear power plant

从以上计算结果可以看出，前移现场工作总量为35 415点。如1个熟练工人工作1 h的点数为0.83，则前移的工时数为42 668 h，即实施管道段模块化后大约可以将现场约43 000个工时的工作量前移到工厂。由于工厂作业集约化、效率高、能耗低，故大大降低了工程造价。

3 管道段模块化实施

管道段模块化涉及到工程设计、质量控制［5］和现场施工管理等诸多方面，现分析其实施对核电站传统建设的影响并提出建议。

3.1 工程设计

管道段模块化将现场工作量前移至工厂，其设计也要做相应调整，应考虑如下的原则:

(1)管道段模块设计进度应与其他模块匹配。

(2)应充分利用三维设计平台进行管道段模块设计，确保管道段模块大小合理、接口准确。

(3)上游图纸及文件应在相关管道段安装开工前8个月提供，以保证有足够的施工准备时间。

(4)阀门及材料应在该区域安装开工前3个月到货及保证供货质量(尤其是阀门)，包括阀门相应的安装技术文件。

(5)设计时应根据核电站场内、场外预制分工不同，明确阀门及材料的到货地点。

3.2 质量控制

管道段模块的工厂预制为施工质量的改善提供了条件，相应的质量控制也发生改变，将施工质量的控制变为工厂产品质量的控制，必须通过质量计划等手段加强车间生产质量控制。

3.3 工程施工管理

采用管道段模块化施工后，管道段模块制造和安装的逻辑性、严密性要求施工计划必须更准确，施工进度必须更准时，增加了施工管理的难度，对工程的物资供应管理、工程协调管理、变更管理、人力资源管理等都提出了更高的要求。

3.4 运输和吊装

和传统施工方式相比，实施管道段模块化后增加了阀门二次运输环节。由于要考虑部分管道段模块的支撑，增加了结构件、临时支撑和包装等，一定程度上加大了建造的风险，增加了施工成本。

管道段模块吊装应尽量配合其他模块一起使用吊车，做好计划、调度工作。

4 结语

作为核电站模块化技术的补充，管道段模块化的实施减少了现场工作量、缩短了用工，这些优点已被国外核电工程实践所验证。随着国内核电站模块化施工技术的发展，管道段模块化施工的优越性将会更好地展现出来，其发展前景广阔，将被核电工程建设广泛采用。

［1］中广核工程有限公司.模块化技术开发研究报告［R］.深圳:中广核工程有限公司，2010.

［2］中广核工程有限公司.管道段模块化技术可行性分析报告［R］.深圳:中广核工程有限公司，2011.

［3］鲁勤武，李轶，吴祥勇.基于PDMS平台的核电工程模块三维设计系统研究开发［C］//中国核学会2011年度学术交流年会论文集.北京:中国核学会，2011.

［4］中广核工程有限公司.CPR1000宁德核电厂一期项目三维模型及技术报告［R］.深圳市:中广核工程有限公司，2010.

［5］GB/T 16702—1996压水堆核电厂核岛机械设备设计规范［S］.北京:中国电力出版社，1996.

(编辑:杨大浩)