核動力平臺模塊劃分技術研究

朱成華，陳艷霞，郭 健

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

模塊化設計與建造是當今大型復雜系統、平臺和工程研制的發展方向，在縮短工程研制周期、降低經費需求、加強施工環境及建造質量控制、提高使用維護、維修便捷性等方面具有重要意義[1]。海洋核動力平臺是核動力艦船的轉化成果，也是船舶與核電工程的有機結合，核動力平臺的設計建造模式可以借鑒船舶、核電、核動力艦船的模塊化思想。

船舶模塊化技術研究始于MEKO/FES艦船設計思想，即將不同裝備以模塊形式安裝到標準艦船平臺，采用多個預裝配分段建造、平行作業、互不干擾，最終集中安裝的艦船設計理念及建造方式[2]。

美國URD文件在ALWR（先進輕水反應堆）可建造性的政策聲明中要求應用先進的模塊化技術。如今國內核電行業的模塊化設計、建造技術應用始于秦山三期核電建造[3]。然而，無論是船舶海工領域還是核電領域，模塊化技術的應用發展都受到設計建造技術實力和建造流程質量管理水平的制約。尤其是在模塊化頂層規劃——模塊劃分技術的關注較少。因此，有必要結合海洋核動力平臺自身特點，對平臺模塊劃分技術進行研究，為平臺模塊化設計建造提供理論指導。

1 模塊劃分原則

模塊劃分是在一定原則上對某一產品有針對性的進行空間分割和功能劃分，在考慮設計、建造、維修以及更新換代的需求，對一定范圍內具有功能關聯的設備、管路及其附件進行整合，使其能成為功能與結構獨立，滿足區域化設計建造的要求[4–5]。

因此，模塊劃分應遵循的基本原則包括區域和功能獨立性、擴展性、標準化。

1.1 平臺區域/總段模塊劃分原則

平臺模塊化設計是為了以少數模塊組成盡可能多類型的核動力平臺，并在滿足要求的基礎上使平臺性能穩定、結構簡單、成本低廉、研制周期短。因此，如何方案設計階段科學合理地劃分模塊，使平臺設計具有一定靈活性、建造管理合理性，而且使平臺模塊系列具有很強的擴展、變型、輻射能力，是平臺模塊化設計中的一項重要工作。

方案設計階段進行區域/總段模塊劃分必須對平臺進行仔細的功能分析，并遵循以下原則：

1）總段模塊在平臺中的作用及其更換的可能性和必要性；

2）保持總段模塊功能獨立和結構完整，特別是涉核區域與非核區域的獨立和完整[6]；

3）總段模塊間的接合要便于聯接與分離；

4）總段模塊的分解、組合不能影響平臺的主要功能。

1.2 平臺模塊劃分原則

1.2.1 功能模塊劃分原則

功能模塊劃分是模塊化設計的基礎條件，為使平臺模塊構建合理、組合便利[7]，在功能模塊劃分中要遵循以下原則：

1）區域性原則

以區域功能為導向、結合結構模塊劃分需求，保證區域模塊最大化、獨立性，如核動力平臺可以劃分為生活區、工作區、堆艙區、單點區；

2）功能獨立性

以模塊平行設計為目標，考慮模塊組合多樣化，減少冗余功能，保證模塊的功能獨立和完整，如核動力平臺應急電站分為逆變模塊、配電模塊等；

3）結構獨立原則

基于功能獨立性配置獨立結構，為模塊的設計、建造、產品組合、產品維修更換提供便利，如為設備冷卻水出口端管路模塊設置獨立的依附結構；

4）大小適中原則

基于約定層次的模塊分解，以并行設計、建造為前提，確定平臺總的最低約定分解層級，核動力平臺模塊劃分的最低約定分解層級為部件模塊，如淡水供給模塊；

5）通用性原則

模塊劃分結果應具有廣泛的功能或結構覆蓋性，為構造多樣化的平臺提供功能或結構組件，如改變核動力平臺單點模塊型式，可以將核動力平臺應用于不同海域。

1.2.2 結構模塊劃分原則

結構模塊劃分既要考慮其本身作為平臺總體結構有設計建造的要求，又考慮模塊上的設備、模塊安裝等多種因素[8–9]，特別是對核級設備影響。在結構模塊劃分中遵循以下原則：

1）考慮區域裝配的完整性

結構模塊劃分時需最大限度實現各區域、各功能模塊的結構完整性，如堆艙、生活區等。

2）考慮分段與總段模塊的起重與運輸

結構模塊劃分需綜合權衡模塊重量和尺寸在運輸能力范圍內，并對其起重運輸能力充分利用。

3）考慮施工工藝的合理性

結構模塊劃分應盡量擴大分段裝配焊接的機械化、自動化范圍，考慮使高空作業平面化。

4）考慮的結構合理性

結構模塊劃分應保證分段大接縫位置布置和接頭形式，而且各模塊應具有足夠的剛性以便調運。

5）考慮施工作業的均衡性

結構模塊劃分應保證作業量的均衡性。各結構模塊必須在體積、重量和形狀等方面具有相似性，以便在加工和各級裝配過程中均勻地分配工作量。

2 模塊劃分方法

2.1 平臺模塊層次劃分

海洋核動力平臺是一個復雜的多系統工程產品，其特點是功能復雜、結構與系統層級多。在進行模塊劃分時，首先應該按層次逐級展開，逐層向下分解，高層次以低層次為基礎，同時高層次又帶動和決定低層次的構成和發展。

表1 平臺模塊層次Tab.1 Level division of nuclear power platform

因此在進行平臺模塊劃分時，首先應該按照平臺的相對復雜程度或功能關系劃分屬于平臺的層次，然后在各個層次確定初始約定層次和最低約定層次，最后在初始約定層次進行模塊劃分得出最低約定層次模塊，如此重復直至模塊劃分滿足標準化、系列化、組合化的設計需求。

從海洋核動力平臺模塊化區域概念出發，結合船舶分段建造、總段對接的實際情況，建議將造船模塊分為7個層次，其中每個層次模塊包含相應的結構模塊和功能模塊。

2.2 模塊劃分方法

平臺是由多個大型復雜系統共同組成的有機整體，所涉及功能要素龐雜，因而其組合方式無限。平臺模塊劃分是研究如何將無限個功能要素組合確定為有限個最優組合的過程。

模塊劃分以功能為核電開展，即將功能分析為基礎構件簡單模型，然后由簡單模型組合復雜系統，并實現原有系統的特定功能。

1）以功能為核心進行分解

模塊是指具有某種確定功能的獨立單元，功能既是構成模塊的依據，也是進行模塊分解的基礎。模塊可以是物理單元，也可以是結構單元，但就實際設計建造而言，獨立功能模塊已包含結構單元，即物理功能單元和基礎結構單元的組合體。

2）通用要素的提取和典型化

以主要功能要素為核心把關系較為密切的構成要素進行分組，經過加工整理，把這些功能要素從初始約定層次中分離出來，使之成為能夠適應同一層次其他產品的具有特定功能的獨立單元。

3）模塊接口分界點的選取

模塊接口分解點的選取原則是使模塊內的聚集度最大，而模塊間的結合度最小。模塊內的構成要素就是為實現某一特定功能而服務的，并使接口結構簡化，使系統既容易組合、又容易拆散。

4）非典型或非核心要素的處理

非典型或非核心要素的簡化和整合，在總段層次級體現為一些能通用于多種系統的裝置或設備；在部件層級則為各種類型的通用模塊。

5）模塊接口的處理

模塊接口是各組成模塊間傳遞功能的共享界面，是物質、能量、信息傳遞的樞紐，模塊間接口的匹配性將直接影響到模塊功能的發揮和整機的可靠性。

2.3 模塊劃分的流程

模塊劃分原則是模塊劃分過程中的總綱，要實現對模塊劃分必須確定模塊劃分的主要環節和流程，如圖1所示是模塊劃分的主要環節和流程。

1）各模塊層次分析

對各模塊層次進行分析，調查、研究、技術發展方向，并在此基礎上確定模塊化的規模、適用范圍。

2）主要功能要素提取和分離

針對各層次的不同特征，分析功能要素，組合功能關聯性高并分離功能聚合度低的部分，可以形成該層次模塊的雛形。

3）輔助要素聚合

經上述主要功能的提取和分離后，剩下許多輔助要素和一些分立的比較小的構成要素，應對這些要素進行聚合處理，以提高子系統或產品的模塊化、標準化系數，以便簡化系統的構成。

4）模塊接口模式分析

在對系統進行上述分解后，研究重新組合成多種對象系統的可行性，研究接口方式、接口要素及接口設置部位等問題。

5）模塊組合驗證

運用已設定好的模塊及接口模式，將模塊重新組合成多型產品的可行性，組合既是為了驗證是否能達到最初預期的目的，也是為了驗證系統分解的正確性。

圖1 模塊劃分主要環節和流程圖Fig.1 The key link and flow diagram of the module division

3 模塊劃分的實施

模塊劃分原則和方法為模塊劃分提供理論和思想上的支撐，但在實際模塊劃分時，仍要以實際工程為依托，因此，本文將以海洋核動力平臺的模塊劃分為基礎對平臺模塊劃分具體實施過程的簡單說明。

3.1 模塊劃分具體實施

海洋核動力平臺示范工程為搭載有核動力裝置的焊接結構鋼質非自航船式平臺/船，長期單點系泊于指定作業海域，為用戶提供電能、淡水等資源。

1）模塊劃分輸入條件：總布置圖、系統原理圖、艙室布置圖、基本結構圖、重量統計表、管系原理圖、建造方針、三維模型。

2）模塊劃分是一個循序漸進的過程。模塊劃分首先要在以上實際工程圖紙文件的基礎上，按照模塊劃分原則及方法制定符合本工程項目的劃分細則，進行模塊劃分前期規劃，初步草擬模塊劃分結構樹；然后根據產品建造方針及建造規定不斷修正，同時考慮符合設計方法、作業階段及有關工藝要求；最后得出模塊化劃分結構樹。圖2為海洋核動力平臺按區域劃分的局部結構樹。

圖2 按區域劃分結構樹Fig.2 The regional structure tree

3）模塊劃分應以能實現并優化系統功能為基礎。對模塊劃分結構樹各級模塊進行組合分析，校對檢驗模塊組合能否滿足系統的功能要求，符合施工工藝規范，并與相關各方進行協調與優化。

4）模塊劃分應以總布置圖、艙室布置圖、管系原理圖等為背景，根據實際模塊劃分情況規劃管子單元，并繪制各模塊圖紙。

5）各模塊應充分考慮模塊的完整性，盡可能設計成包容性整體式模塊，使之能更多地包含管子、支架、閥（附）件、設備、基座、格柵、梯子、欄桿、護手、電纜管、電控箱等要素。

6）結構模塊作為功能模塊的載體，在進行模塊劃分時要在滿足結構剛度和強度的基礎服從功能模塊完整性劃分要求。圖3為海洋核動力平臺結構模塊初步劃分圖。

圖3 結構模塊初步劃分示意圖Fig.3 The preliminary division of structural modules

7）模塊化設計建造的優點是提高建造質量，因此實際施工作業應該在前期模塊劃分時就給予考慮。主要包括高空作業平地做，密閉作業敞開做，仰、立作業俯向做，水上作業陸地做的殼、舾、涂一體化四大作業原則。

3.2 模塊劃分實施注意事項

模塊劃分的重點與難點在于功能模塊的劃分實施過程，結構模塊幾乎是在滿足一定要求的基礎上服從功能模塊劃分的，因此在模塊劃分時著重分析了功能模塊劃分應注意的主要問題：

1）模塊劃分應使其結構大小、功能范圍適當。劃分時應盡量使小的設備、部件、附件集中起來，形成功能完整而且獨立的模塊，以簡化系統構成；

2）在模塊劃分和設計中，應盡量找出其共性，提高模塊內的功能集合度；

3）模塊整體要從制作、安裝、調試的可能性考慮，同時要便于運輸、安裝及維修、運行和在役檢查。

結構模塊作為功能模塊的重要載體，對其進行劃分時要注意以下問題：

1）分段劃分應滿足易于建造，高效建造；

2）滿足分段劃分限制，并最大限度的合理利用生產資源；

3）提高原材料的利用率；

4）考慮作業的類似性便于分段的裝配；

5）保證分段或預搭載階段艙室的完整性，提高預舾裝率；

6）保證船體結構強度；

7）滿足工程建造進度、工藝試驗流程；

8）分段劃分應考慮船廠生產計劃和建造作業的均衡性及綜合管理。

3.3 CATIA輔助模塊劃分

CATIA V5軟件針對平臺等結構體專門開發了功能體積和模塊劃分的創建和修改功能。通過功能體積將設計的結構分割成較小的模塊單元，通過這些模塊單元可以更好地管理設計和建造目標。

對船體進行模塊單元劃分時需要綜合考慮船廠實際條件，如在功能設計階段早期需要考慮限制和起重能力等。

4 結 語

模塊化思想在縮短工程研制周期、降低經費需求、提高施工環境及建造質量等方面具有顯著優勢，但如何在設計階段融合模塊思想、以功能為核心進行模塊劃分，建立模塊劃分流程是開展模塊化設計的前提。

本文結合核動力艦船和核電模塊化設計經驗，針對海洋核動力平臺提出了劃分原則；在平臺層次劃分的基礎上，闡述了以功能為核心的模塊劃分方法及技術要點，研究總結了指導模塊劃分的設計流程；最后以海洋核動力平臺為例進行模塊劃分，為平臺模塊劃分的具體實施提供了依據。