AP1000核電站安全殼筒體測量研究

周 盛 洪金華

武漢理工大學，武漢，430063

0 引言

隨著世界能源危機的到來，核電作為清潔能源之一越來越引起全球各國的關注。AP1000是我國引進美國西屋公司的第三代核電技術，也是目前全球核電市場最安全、最先進的商業核電技術之一。AP1000鋼制安全殼是核二級設備，它由一個圓柱筒體和上下兩個橢圓形封頭在現場拼裝并焊接封閉而成。由于AP1000安全殼制作精度高，一直是我國核電技術國產化的難點。目前，國內已有一些研究人員［1－3］研究核電站及環吊等設施的測量，但針對核安全殼的測量研究報道甚少。本文以AP1000核電站安全殼筒體的測量為研究目標，采用工程測量的方法，對安全殼的筒體進行測量研究，提出了安全殼筒體組裝測量的一整套方法，為安全殼的組裝及核電站其他相關測量工作提供了可資借鑒的經驗。

1 測量對象及目標

1.1 AP1000安全殼筒體簡介［4］

AP1000壓水堆鋼制安全殼是反應堆廠房的屏蔽結構，是核電站建造中的重要裝備。安全殼容器內直徑為39.624m，容器總高為65.634m。安全殼由下封頭、第一環、第二環、第三環和上封頭五部分構成，采用分段組焊技術制作。筒體位于安全殼的中部，由第一環、第二環和第三環組成。圓柱筒體共11層，每層由44.5mm規格的12塊圓弧鋼板焊接而成。

1.2 AP1000安全殼筒體測量目標

以安全殼筒體的對接、橫截面半徑和垂直度的測量為研究目標，為確保筒體對接時的半徑和垂直度符合組裝精度要求，擬定的筒體組裝焊接質量要求如表1所示［5］。

表1 筒體組裝焊接質量要求 mm

根據筒體組裝焊接的質量要求，筒體焊接時的對口錯變量必須控制在3mm之內（A類焊縫），任意橫截面的最大、最小直徑差須不大于99.3mm，其直徑偏差、垂直度偏差分別為±49.6mm和不大于19.4mm。因此在筒體組裝時，應優先滿足焊接對口的錯變量要求，然后再校正橫截面直徑及殼壁垂直度的偏差。

2 對接模型的建立與分析

筒體對接可理解為兩圓的拼接，建立的對接模型如圖1所示。

圖1 對接測量模型圖

圖1a、圖1b分別代表對接面上2個不同的圓，其中，圖1a為底圓，圖1b為頂圓。由于兩圓具有不規則性，錯變量應不大于3mm。在筒體安裝測量時可采用兩種方法進行組裝。

方法一 兩圓分開焊接組裝。假設兩圓輪廓誤差分別為m1、m2，且輪廓誤差范圍相同，都為Δ1，兩圓半徑分別為R1、R2，且半徑誤差相同，都為Δ2，則兩圓對接時任意一點的錯變量可表示為

根據誤差范圍的基本理論，誤差范圍可表示為各分量系數的絕對值之和，即

根據實際情況，若假設對接圓輪廓誤差范圍為Δ1＝0.5mm，則半徑誤差范圍為2Δ2≤3－2Δ1＝2mm，即Δ2≤1mm。若誤差服從正態分布，則要求兩圓的半徑方差為1／3mm，圓度誤差為1mm。

方法二 兩圓先“合并”再分開組裝，即將筒體上環的第一圈與筒體下環同時進行組裝并板焊成一個圓環，其中，上環的第一圈不與下環的頂圈焊接在一起。焊接完畢后，將上環第一圈吊出，作為該環的焊接基準圓進行該環的組裝焊接操作，其組裝示意如圖2所示。此外，筒體錯變量精度控制可通過采用殼板拼接夾具及殼板拼接間隙片來實現，必要時可采用工裝強行校正殼板錯變量。

圖2 筒體第一環、第二環組裝示意圖

通過分析兩種方法發現：方法一操作簡單，但對圓的半徑精度要求十分嚴格，以目前測量儀器的測量精度，達到1／3mm存在一定的困難。方法二操作比較復雜，但可滿足圓的對接錯變量要求，根據筒體安裝的實際情況，本文采用第二種方法實現筒體的對接。

3 筒體半徑與垂直度測量方法分析

3.1 測量方法分析

半徑測量的常用方法有：樣板測量［6］、卡規測量［6－7］、弓高弦長法［8］、平行弦法等，這些方法存在測量精度低的問題，既不符合AP1000核電站核安全殼筒體測量的精度要求，也不適合AP1000核電站核安全殼大型圓端面的測量。滾輪法［9－10］、三坐標 機 采 點 法［11］、激 光 －CCD 圖 像 掃描測量系統［12］等方法雖然測量精度高，但測量范圍小，也不適合安全殼筒體的測量。

在工程實際中，大型設備垂直度的測量常采用工程測量的方法，故本文選擇工程測量的方法來實現筒體半徑與垂直度的測量。

3.2 工程測量準備工作

3.2.1 儀器設備準備

測量工作主要以高精度全站儀TPS1201和水準儀NA2＋GPM3為主，另外還須配備一臺PC機和一套平差軟件，以及其他一些相關測量技術資料和輔助測量儀器。所有儀器都應經過校驗，且在有效使用期限以內。

3.2.2 依據的規范

（1）GB 50633－2010《核電廠工程測量技術規范》。

（2）GB 50026－2007《工程測量規范》。

（3）ASME規范第三卷。

3.3 測量方法

3.3.1 中心三角形控制網的建立

筒體組裝前期，在空曠場地建立中心三角形控制網，如圖3所示。中心三角形為等邊三角形，各外控頂點距離中心三角形中心點的距離約為50m。各控制點采用強制對中裝置［13］，其對中精度為0.2mm。

圖3 中心三角形控制網圖

由于中心三角形控制網圓心點不能與筒體實際圓心重合，因此筒體的直徑不能由架設在中心點處的全站儀直接測出。以中心三角形控制網中心點作為坐標原點，建立空間直角坐標系，為筒體的測量建立坐標基準，即以中心點為坐標原點，定出0°、90°、180°、270°方位作為安全殼筒體測量的方向基準。

3.3.2 筒體內部與外部測量

（1）筒體內部測量。通過在中心點架設全站儀測量和控制筒體半徑，為筒體的拼裝、焊接提供依據。筒體內部測量是通過將全站儀架設于帶有強制歸心裝置的中心點觀測墩上對殼體的12塊殼板的定位點進行觀測來完成的，測量過程應在天氣較好、能見度較高的環境下進行。圖4為筒體殼板定位點內外部測量示意圖。圖5為筒體內外部測量示意圖。

圖4 筒體殼板定位點內外部測量示意圖

圖5 筒體內外部測量示意圖

（2）筒體外部測量。根據測量要求，筒體垂直度的測量以外壁為基準，因此需建立外控點以對筒體外壁測點進行觀測，同時利用外控點對筒體的半徑進行測量并與筒體內部測量值相互校驗，保證測量的可靠性。

3.3.3 筒體直徑、垂直度偏差計算

（1）筒體直徑偏差計算。筒體控制點的坐標含有測量誤差，因此計算得出的半徑值不能真實地反映筒體半徑的大小。由于測量誤差屬于偶然誤差，服從正態分布，可對筒體各橫截面測點坐標采用最小二乘法計算出“標準圓”的半徑，作為筒體的半徑值，進而求出筒體直徑的偏差和圓度。

利用最小二乘求出的筒體的半徑值相比各測點坐標計算出的半徑值精度大大提高，能最大限度地逼近筒體半徑的真實值。設點（xi，yi）是圓上各控制測點的坐標，同時假設筒體橫截面方程為

在該模型中，由于各值均不是真值，因此會產生各點均不在同一圓上的現象，其偏差方程為

假設真值x＝x0＋Δx，y＝y0＋Δy，R＝R0＋ΔR，將偏差方程泰勒展開，取一次項，將其化為線性誤差，即

式中，QXX為協因素矩陣；P為單位權矩陣。

（2）垂直度偏差計算。垂直度偏差可由處于同一垂線上各控制點的坐標計算而得，即通過最小二乘擬合方法得出殼壁最小二乘垂線基準，進而求出殼壁各控制點的垂直度偏差。垂直度偏差最小二乘原理與筒體最小二乘擬合圓原理相同。

圖6 擬合點數與半徑擬合精度的關系

4 工程測量精度分析

4.1 全站儀測量精度分析

全站儀TPS1201的距離測量精度為±（1＋1.5×10－6D），若測量距離為100m，即D＝100m，則全站儀距離測量精度為1.15mm。

全站儀TPS1201角度測量精度為±1″，即若D＝100m，則測角精度約產生0.4mm的位移偏差。

由此可見，全站儀TPS1201在短邊測量中的邊、角測量權值相差較大，故實際測量時，應盡量提高控制網短邊的測量精度［14］，其間接平差計算應采用Helmert驗后方差定權進行計算［15］。

4.2 測量精度分析

筒體的測量分為建立控制網和架設全站儀對控制網點進行觀測兩個步驟，如圖7所示。測量精度為兩步驟精度之和。

圖7 筒體測量示意圖

4.2.1 中心三角形控制網精度

中心三角形測量控制網各控制點采用強制對中裝置，控制網三邊長約為80m，頂點與中心點的距離約為50m，觀測9個角度和3條邊長，觀測須考慮環境因素的影響，采用間接平差計算，控制點最弱點的點位精度小于1mm。

4.2.2 控制網點測量精度

受施工場地限制，不能采用后方交會法對測點進行測量，只能采用直接測量的方法對測點進行測量。其測量誤差為

4.2.3 筒體測量精度

基于上述控制網精度并考慮強制對中精度0.2mm的影響，選擇的控制網測量精度為

筒體直徑與垂直度采用三維工程控制網進行測量。筒體任意橫截面最大、最小直徑差應不大于99.3mm，任意橫截面的直徑偏差為±49.6mm，垂直度偏差不大于19.4mm。經平差計算，工程控制網控制點的點位精度可達1mm，控制網測點點位精度可達1.5mm。測量精度完全滿足筒體的測量要求。

5 結論

（1）筒體組裝應優先滿足錯變量要求，其次是滿足直徑和垂直度偏差要求。

（2）筒體對接采用先“合并”后焊接的方法保證其錯變量。

（3）筒體測量需建立三維工程控制網，并采用高精度全站儀進行測量。

（4）控制網采用中心三角形網絡，以方便對角度和邊長的觀測。

（5）控制網測點點位精度可達1.5mm，滿足測量要求。

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