CPR1000核島主管道自動焊效益分析

摘 要：該文通過介紹核電站主管道窄間隙自動焊工藝的開發和主設備及主管道安裝焊接邏輯優化，并成功在CPR1000項目上實施成果，系統的分析CPR1000核島主管道自動焊實施對核電站主管道焊接質量的進一步提高，焊接工期的進一步優化，以及核電站建造成本的進一步降低起到積極的貢獻：采用自動焊工藝，單道焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關鍵路徑工期將由此縮短30～45 d，由此帶來商運提前直接經濟效益近2億元。中國改進型百萬千瓦級核電站主管道自動焊的成熟應用，也將為我國后續自主完成三代AP1000及EPR堆型自動焊技術提供強有力技術準備。

關鍵詞：窄間隙自動焊 安裝邏輯優化 核島安裝工期

中圖分類號：TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-04

CPR1000核島主管道是指連接反應堆壓力容器、蒸汽發生器以及主泵等主設備的管道，主要功能是為堆芯提供冷卻劑，設計壽期為40年、運行壓力為15.5 MPa、溫度為283.6 ℃，屬于核電站一回路承壓邊界。

CPR1000核島主管道施工質量直接關系到核電站全壽期安全運行，并且主管道焊接處于核島安裝關鍵路徑，也是整個核電站建造的關鍵環節，其工期直接影響到核電站冷試及商運等關鍵節點。相比手工焊，采用主管道窄間隙自動焊可以進一步提高主管道焊接質量，保障核電站全壽期運行安全水平，有效優化施工工期，降低建造成本，創造顯著的經濟效益。

1 主管道自動焊效益分析

1.1 CPR1000主管道自動焊的實施情況

2011年1月20日，國家核安全局發函批準中廣核在建寧德核電站主管道焊接，采用中廣核工程有限公司開發的窄間隙自動焊工藝，目前寧德核電站1#、2#機組主管道焊接、紅沿河1#、2#機組主管道焊接以及陽江1#機組主管道自動焊接已經順利完成，這也標志著我國后續在建核電機組已經全面進入主管道自動焊工藝時代。

主管道窄間隙自動焊工藝的開發，及以此為基礎進行的島安裝關鍵路徑和施工邏輯研究，適用于我國的核電站建造及維修各個階段，其主要應用領域包括：

在建CPR1000核電廠主回路管道焊接；

在役核電技術蒸汽發生器更換過程中主管道焊接；

三代AP1000及EPR堆型核電站主管道焊接。

目前，此項工藝已經明確的實際用戶有包括：紅沿河核電有限公司、寧德核電有限公司、陽江核電有限公司、廣西防城港核電有限公司。另外，由于核電站蒸汽發生器更換過程中必須采用主管道焊接技術，未來在核電站維修過程中，此技術將具有更加廣闊的使用前景。

1.2 施工質量

中國改進型百萬千瓦級核電站主管道自動焊工藝的成功開發，及在寧德核電站、陽江核電站等項目建設中的應用，填補了我國核電建設領域的一項空白，標志著占我國通過自主創新，掌握了主管道窄間隙自動焊工藝。

主管道窄間隙自動焊工藝的開發，及以此為基礎進行的核島安裝關鍵路徑和施工邏輯研究，將為我國在建改進型百萬千瓦級核電站主管道焊接質量的進一步提高，焊接工期的進一步優化，以及核電建造成本的進一步降低起到積極貢獻。同時，也將為我國自主開展三代AP1000及EPR堆型核電站主管道焊接提供強力技術基礎。

該工藝通過采用窄間隙坡口型式，減少了焊接填充量；通過采用多層單道焊接，實現焊接過程的精密控制；針對焊縫根部、填充和蓋面等區域制訂了詳細的、對應明確的和有合理調整范圍的工藝參數；通過采用氬氦混合氣體保護方式，提高電弧穩定性和穿透性，降低了未熔合缺陷產生的概率。通過示范工程和推廣應用證明：該工藝滿足主管道焊縫的焊接，焊接一次合格率高、質量穩定。首次將超聲檢測技術（UT）應用于核電站厚壁不銹鋼管道焊縫檢測。采用多種角度雙晶聚焦探頭、多通道超聲檢測分析系統、與主管道同材質的試塊及分層掃查方法以適用厚壁鑄造不銹鋼焊縫的超聲檢測技術。該技術提高了對未熔合缺陷的檢出率和定位精度，與射線檢測（RT）形成良好互補，確保了焊接質量。

1.3 建造進度

由于自動焊坡口尺寸較小，焊接填充量將大幅減少，自動焊焊焊接工期相對傳統手工焊將有效縮短。根據實踐經驗，采用自動焊工藝，單焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關鍵路徑工期縮短30～45 d，由于核電工程建設工期優化，提前發電將會帶來巨大的經濟效益，以單臺100萬kW機組為例，每提前一天發電可創產值1000萬元人民幣，則自動焊實施帶來商運提前直接經濟效益近2億元（考慮自動焊實施導致商運提前權重為60%）。

1.3.1 CPR1000主管道自動焊與手工焊的工期對比

在焊機和焊工資源充足的情況下，考慮幾個環路同時開始焊接，其中冷熱段69 d，1環77 d，2環77 d，3環74 d，CPR1000主管道自動焊標準工期為105 d，手工焊工藝基礎上的焊接工期為125 d左右，根據自動焊接的實際工期，手工焊與自動焊工期對比如下圖1。

通過上述分析可知，如果全面采用成熟的主管道自動焊，可使主管道焊接的總工期從手工焊的4個月縮短到2個月，核島安裝關鍵路徑能縮短1個月左右。

1.3.2 主管道自動焊工期數據統計

目前，主管道自動焊工藝已在寧德1#機組、陽江1#機組、紅沿河2#機組順利實施并已焊接完成，各項目的有效工期如下表1。

1.3.3以寧德1#機組為例進行安裝進度分析

寧德主設備到貨進度如表2。

根據上述主設備的到貨情況，以及嶺澳二期核島主回路安裝的工程實踐，對寧德主回路安裝計劃進行了全面優化，安裝計劃中主設備安裝邏輯關系、安裝工期，主管道焊接邏輯、焊接工期以及與土建、EM4接口關系及時間等，都是參考嶺澳二期趕工實際情況，局部進行了優化調整。核島主回路安裝主要邏輯關系如下：

核島主設備的安裝順序為：SG1—SG2—SG3—RPV；

主管道焊接順序：蒸發器40度彎頭――主管道冷熱段焊接完成50%――過渡段U4焊口焊接50%――過渡段U2/U6焊接50%――主管道焊接全面完成；

主設備、主泵、RVI、主管道焊接、堆腔鋼結構的安裝工期主要參照嶺澳二期實際工期，并根據嶺澳二期經驗反饋進行合理的優化；

堆腔水池試驗參照嶺澳二期在冷試后進行；

主管道實際焊接邏輯如下：

焊接順序：焊接U1口—焊接冷熱段—焊接過渡段

焊接U1口過程中，監測U2口的水平度，20 mm前每半天測量一次，20 mm以后每天早上測量一次；

U1口焊接盡早焊接完成，以騰出焊機給冷熱段焊接，在焊接U1口的過程中可完成一個產品見證件的焊接。

冷熱段焊接，先焊接彎頭后焊接直管。冷段和熱段可同時焊接，亦可分開焊接。

焊接冷段過程中監測主泵水平度及中心，主泵水平度每天測量一次，焊接熱段過程中監測SG中心及垂直度；

冷熱段焊接完成后，進行過渡段測量并加工坡口。

過渡段焊接（除U1口）先焊接U4口，待U4口焊接至一定程度，U2口和U6口達到組對可焊接狀態時，暫停U4口焊接，同時進行U2口和U6口的焊接待焊接厚度答至少15 mm厚，最好是30 mm厚度時，同時進行U4、U2、U6焊口的焊接直至100%焊接完成。

寧德1#機組核島主回路安裝進度見圖2。

按照以上焊接邏輯及8臺自動焊焊機資源，焊接工期為75 d。實際情況為：U1焊口不在主回路安裝的關鍵路徑上，其工期優化對關鍵路徑無貢獻，自冷熱段（1C4）2011年5月25日開始焊接至2011年8月19日焊接結束，整個焊接周期為87 d，除掉因安全整頓停工的一個多星期，實際焊接周期為79 d。嶺澳二期4號機組最快的情況下為102 d。

由此可見，采用主管道自動焊工藝，使得核島主設備安裝在關鍵路徑上節省了一個月的時間。

1.4 人力、材料成本

1.4.1主管道焊材成本降低

采用窄間隙自動焊，單個焊縫焊材消耗量僅為15～20 kg左右，而傳統手工焊單個焊縫焊材消耗量為100～120 kg，而手工焊焊條相比不銹鋼焊絲價格也更昂貴。根據測算，單臺機組采用自動焊焊材成本將降低330萬左右。

1.4.2焊工人力成本節約

傳統手工焊，需要焊工數量較多，焊工勞動強度較大。手工焊對焊工經驗及操作水平要求較高，主管道焊工培訓及篩選周期通常要達數年，而自動焊焊工培訓周期相對較短。到根據測算，采用自動焊工藝，主管道焊工人數將降低1/3，單臺機組焊接日工將減少50人月，造成焊工人力成本及相應管理及培訓成本下降預計750萬元。

1.5 在役電站遠期效益分析

隨著國內核電站的批量化建設，未來核電站運營期間蒸汽發生器更換將趨于頻繁。

由于傳統手工焊工藝焊接效率較低，特別是在核電站維修期間，由于對人員輻射防護需要，單個焊縫焊接工期需要近60 d左右，而采用窄間隙自動焊工藝單個焊縫僅需20 d左右即可，以單臺100萬kW機組為例，每提前一天發電可創產值1000萬元人民幣，由此帶來提前發電經濟效益近4億元。另外，自動焊工藝在蒸汽發生器更換過程中的使用，大大降低了操作人員受輻照劑量水平，對人員輻射防護起到重要作用。

2 結語

采用主管道窄間隙自動焊工藝，由于自動焊坡口尺寸較小，焊接填充量將大幅減少，自動焊焊焊接工期相對傳統手工焊將有效優化。

根據測算，采用自動焊工藝，單焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關鍵路徑工期縮短30～45 d，由此導致的商運提前直接經濟效益近2億元。

在當今核電迅速發展的時代，三代核電及二代加核電并行發展的情況下，采用主管道實現窄間隙自動焊可以大大縮短安裝時間，提高主管道焊接質量，提升核電站運行的安全水平。

主管道窄間隙自動焊工藝的使用，將有效緩解國內核電站批量化建設過程中，上游設備到貨滯后、焊工人力短缺，給現場安裝帶來的巨大工期壓力，為我國在建改進型百萬千瓦級核電站主管道焊接質量的進一步提高，焊接工期的進一步優化，以及核電建造成本的進一步降低起到積極貢獻。

并對國內企業提前掌握未來核電站的蒸發器更換技術，填補主設備更換維修的技術空白具有基礎工作的意義。