三維數字技術在AP1000核電站的開發(fā)和應用研究

張 馳，張學斌，方奇術，王兆希，趙文韜

(1.山東核電有限公司，山東 海陽 216600；2.國家電投集團電站運營技術(北京)有限公司，北京 120029)

AP1000屬于雙環(huán)路的壓水堆，每個環(huán)路包括一條熱腿、兩條冷腿，兩臺主冷卻泵并列運行，吸入口直接焊接在蒸汽發(fā)生器的底部。AP1000機組的主要特點[1-2]有：專設高度可靠的非能動設計的安全系統，簡化了廠房和系統，節(jié)省投資并將堆芯熔化概率降低了兩個數量級；采用模塊化設計施工、3D設計、虛擬建造、數字化電廠等技術提高設計質量，優(yōu)化進度縮短工期；堆芯裝載Robust燃料組件，提高機組經濟性；核蒸汽供應系統設計壽命60年，堆芯高富集度，18個月換料設計，加強堆芯反射層，主管道LBB設計等；灰棒調節(jié)堆功率，無須調硼進行負荷跟蹤；全數字化監(jiān)測、控制和保護系統。

AP1000在設計中采用了結構模塊和設備模塊兩類，結構模塊由各種型鋼焊接連接而成，作為建筑結構的一部分；設備模塊由設備、管道、儀表、閥門、支架以及固定用的型鋼等組合而成[3]。模塊化布置可以減低主廠房布置的設計強度，總平面的組合布置靈活多變，可較好的適應不同廠址的要求，模塊化使原先傳統上采用順序進行的施工可以平行進行，可以通過減少在現場的施工量而縮短核電的建設工期，大量的施工工作在制造廠完成，可以更好地保證施工質量。然而大規(guī)模的模塊化在提供各種便利的同時給現場大件運輸和吊裝工作帶來較大的風險和挑戰(zhàn)[4-5]。

三維數字模型在核電的模塊化設計、建造以及運維等各個階段都得到了廣泛的應用和研究，本論文主要介紹三維數字技術在AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設計及安裝上的開發(fā)和應用，在AP1000的WLS系統KB16模塊維修更換上的開發(fā)和應用。

1 AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設計的數字技術應用

1.1 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設計過程中的數字技術

為滿足AP1000蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊的特定維修演練拆裝的使用功能，同時降低隔間模塊內設備的設計、制造和維護成本，數字化技術貫穿于隔間模塊的整個設計和安裝過程，主要包括：

1)根據功能設置選定隔間模塊的幾何區(qū)域范圍，完成三維模型中隔間模塊的空間范圍和空間布置等信息的初步設計。

2)從隔間模塊的幾何空間區(qū)域中選擇進行模塊化設計的對象類，隔間模塊中的對象類主要包括鋼結構、設備、管道和支吊架等，以后因為模塊安裝和運輸需要添加的臨時支架、鋼結構和管道等。

3)根據功能要求進行隔間模塊內對象類的屬性設計：幾何尺寸屬性、材料屬性、表面加工質量、焊點和焊材屬性等的設計；模塊內對象類的質量、重心屬性、吊點屬性等二次屬性等的校核；

4)各對象類設計過程中，同步進行隔間模塊內對象的組裝設計和干涉校核，形成隔間模塊內對象的組合件和整體布置圖，隔間模塊內各對象類的關聯數據修改時同步實時更新。

5)隔間模塊內對象類的施工圖設計，三維模型圖及三視圖，形成部件清單圖冊，工廠預制、現場安裝。其中各對象類分模塊組裝完成后的隔間模塊模型圖如圖1所示。

圖1 對象類分模塊組裝隔間模塊圖Fig.1 Modular assembly diagram ofobject class sub-module

1.2 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊設計過程中數值模擬計算

按照特定維修演練拆裝等使用要求下的不同工況，以及ASME相應的設計規(guī)范，對各分模塊進行強度校核和分析，本設計實例中以容器分模塊為例，如圖2所示，建立相應的幾何模型，分析與其他相連接的分模塊的邊界條件，包括與鋼結構相連接邊界、與泵設備相連接邊界、與支撐結構相連接的邊界，設定相應的幾何邊界條件和載荷邊界條件。

根據2.1中提供的對象類屬性中的材料屬性，進行特定維修演練拆裝等不同工況下的計算，獲得在某設備安裝演練工況下的整體結構的應力水平和整體位移水平如圖3所示，評估應力水平和位移水平對隔間模塊特定維修演練拆裝等不同使用工況下的安全性和準確性。

圖2 幾何模型及邊界條件Fig.2 Geometric model and boundary conditions

圖3 某工況下的容器分模塊的整體位移和應力水平Fig.3 Overall displacement and stress level of acontainer sub-module under certain operating conditions

1.3 蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊安裝過程中強度校核

根據設計規(guī)范對理想情況下各種工況的應力和位移進行了計算和評估，而根據現場實施條件和安裝單位的安裝控制精度，一方面驗證1.2節(jié)中的設計工況應力值，一方面控制安裝工況下各種偏差引起的裝配應力。

根據1.2節(jié)中設計工況下各個分模塊的應力和位移計算值，選取各分模塊應力水平較高位置為測點，測量各個安裝工況下的應變應力值，如圖4所示。

圖4 某分模塊設計應力較高位置的應變測量Fig.4 Strain measurement in a sub-modulewhere the design stress is high

以應力水平較高的測點5為例，在某安裝工況下測點5的縱向應變?yōu)?297.5 με，橫向應變-216.9 με，45°方向應變-130.8 με，計算獲得面內第一主應力為-107.3 MPa，面內第二主應力為-88.9 MPa，滿足該工況下該份模塊的設計要求。

2 AP1000的WLS系統KB16模塊維修更換的三維數字技術應用

2.1 KB16模塊三維模型復現

KB16模塊屬于核島內橙區(qū)，目前根據經驗反饋，已經有多次的維修更換零部件，因為空間狹小，造成了一定的檢修難度。AP1000核電站商運后，KB16模塊屬于橙區(qū)，必然需要通過設計檢修方案控制檢修時間，減少人員輻照劑量，并且有利于減少大修工期。

三維技術應用的第一步為通過三維激光掃描儀對現場進行測繪復現，如圖5所示。將模塊內按類別分為分模塊：管路模塊、鋼結構模塊、風管模塊、構筑物模塊、設備模塊等。

圖5 KB16模塊三維模型Fig.5 3D model of KB16 module

各分模塊分別建立后，再將各分模塊通過功能配合和幾何連接構成KB16模塊，通過CAE軟件進行分模塊之間的功能檢查和幾何配合檢查，保證KB16模塊的完整。

2.2 KB16模塊維修更換的三維技術

根據預防性維修大綱，需要對其中電機進行解體檢查，通過CAE軟件設計電機設備吊出的行走路徑，如圖6所示，根據行走路徑(紅色所示)及設備幾何形狀，自動判斷空間中可能干涉的設備、管線和支架(紅色所示)等，通過設計多個位置吊點，優(yōu)化行走路徑，確定較少的切割工作量和順利的行走方式。

2.3 KB16維修更換

根據電機解體大修程序提供的解體工序和步驟，采用CAE軟件實現演練(Composer)，做到按步驟依次使用工器具，按拆卸方向和角度進行解體、拆卸后的零部件設計擺放位置和空間；采用CAE軟件統計需要的工器具清單、人工時統計及空間位置布置，形成詳細的方案以便于演練或者按方案操作實施。

圖6 KB16模塊中泵和電機Fig.6 Pump and motor in the KB16 module

3 結束語

AP1000采用了模塊化設計施工、3D設計、虛擬建造、數字化電廠等技術，優(yōu)化縮短了工期，提高了設計和建造質量，三維數字技術在設計建造和運行管理中獲得了充分的應用。

本文以蒸汽發(fā)生器模擬體隔間模塊為例，對設計和安裝過程中的數字化應用做了介紹，包括模塊幾何區(qū)域內的空間布置設計、按對象類進行分模塊的設計、個對象類屬性的設計、分模塊的組裝設計和干涉校核；設計過程中的數值計算，根據對象類屬性中的材料屬性，進行特定維修演練拆裝等不同工況下的安全性和準確性計算；選取各分模塊應力水平較高位置為測點，采用數字技術測量各個安裝工況下的應變應力值。

模塊技術的使用使得核島內空間緊湊，給檢修工作帶來一定的困難，本文以WLS系統KB16模塊的檢修為例，通過數字模型技術檢查分模塊之間的功能匹配和幾何配合；通過設計多個位置吊點，自動判斷空間中可能干涉的設備、管線和支架等，優(yōu)化設計電機設備吊出的行走路徑；采用CAE軟件統計需要的工器具清單、人工時統計及空間位置布置，形成詳細的方案，有利于演練或者按方案操作實施。