AP1000機組鋼制安全殼模塊化建造實踐的設計與安裝優化1)

李 銀，魏 巍，晏桂珍，馮威揚，王奕清

(1.山東核電設備制造有限公司，山東 煙臺 265118；2.山東省核電設備工程技術研究中心，山東 煙臺 265118；3.煙臺市核電設備工程技術研究中心，山東 煙臺 265118)

AP1000三代核電技術采用了模塊化概念，引入了“標準化設計、工廠化預制、模塊化施工”的建造理念，大量采用模塊，為優化工程設計、縮短施工工期、控制建造成本、降低項目風險創造了有利條件[1]。AP1000由美國西屋公司設計，首批四個機組均在中國，分別為三門1、2號機組以及海陽1、2號機組(下文簡稱依托項目)。在依托項目的建造過程中，由于“首堆效應”，建造過程中對于模塊化的理念并未完全消化，通過總結工程經驗，對鋼制安全殼的模塊化建造進行優化，可以有效縮短模塊的建造周期，進一步降低核電造價。

1 鋼制安全殼簡介

AP1000安全殼由兩層組成，其內層為圓柱形鋼制容器，外層為鋼筋混凝土屏蔽構筑物[2]。其中，鋼制安全殼(簡稱“CV”)，提供一個放射性物質釋放的非能動屏障[2]，材料為SA738 Gr.B，由圓柱形的筒體和橢球形的上、下封頭組成，其上包括了電氣及機械貫穿件、設備閘門、人員閘門、內外加強肋、環吊梁以及筒體壁上安裝的各類支架附件板等附件，如圖1所示。AP1000機組CV內直徑約39.6 m，高度約65.6 m，總重約3600 t。其中，筒體部分劃分為11層，每層由12塊鋼板拼焊而成。

圖1 CV整體結構簡圖Fig.1 Structure of CV

依托項目中，考慮到吊裝因素的影響，將CV筒體分為四個單元，分別為第一環(3圈鋼板組成)，高度11.67 m；第二環(3圈鋼板組成)，高度11.649 m；第三環(3圈鋼板組成)，高度11.649 m；第四環(2圈鋼板組成)，高度7.766 m。筒體鋼板經過車間預制成型，運輸到現場進行拼裝。筒體部分的四個環段分別在拼裝場地進行組裝，然后在核島順序完成吊裝，進而實現組裝。待核島就位后，在核島開展設備閘門、人員閘門、機械貫穿件、電氣貫穿件、附件板等的焊接及熱處理；內外部外加強圈與環吊梁采用散件方式，在施工現場進行組裝與安裝。

上述依托項目的建造方式，在拼裝過程中重點考慮了鋼制安全殼筒體環的分段與組裝。對于各類CV附件的供貨和安裝方式存在以下問題：

1)大量采用散件供貨形式，例如貫穿件套筒與插入板分開供貨，內外加強圈散件供貨(分為腹板、翼板、托板)，環吊梁散件供貨(分為上環板、下環板、人孔板、豎向筋板)，很大程度上增加了現場施工工程量。

2)將附件的安裝工作大量留至核島開展，在核島引入了大量的交叉施工作業，從而降低了施工工效。

此外，受閘門與貫穿件在整體布局、結構設計以及熱處理等技術要求的影響，施工過程中存在較多可提升的優化方案，后文逐一論述。

2 CV設計與建造優化方案

2.1 設計優化方案

2.1.1 免除對接焊縫的焊后熱處理

AP1000 CV第一層筒體板厚47.6 mm，根據產品建造規范ASME NE-4600的要求，公稱厚度超過44.5 mm的對接焊縫需要進行焊后熱處理[3]。對于功率更大的非能動壓水堆核電站CV，需要焊后熱處理的焊縫更多。根據產品的建造要求，綜合工程成本考慮，CV焊縫采用電加熱局部焊后熱處理是相對可行的[4]。CV的材質為SA 738 Gr.B調制鋼板，焊后熱處理溫度要求控制在595 ℃～620 ℃之間，溫度均勻性控制難；局部焊后熱處理具有搭接區域重復加熱和變形控制難點，以及焊后熱處理能耗高、占用CV組焊整體工期長等缺點。

焊后熱處理的主要作用是松弛焊接殘余應力、穩定結構的形狀和尺寸、改善母材和焊接接頭的性能、提高抗應力腐蝕的能力，以及進一步釋放焊縫金屬中的有害氣體防止延遲裂紋的發生等。CV的建造周期長達3～5年，通過自然時效能夠有效松弛焊接殘余應力。研究表明， SA-738 Gr.B材料焊后熱處理使焊縫和熱影響區碳化物數量明顯增多，使焊縫金屬晶粒長大，導致焊后熱處理態焊縫和熱影響區沖擊性能下降[5]。結合美國核管會(NRC)批準的ASME規范案例N-841，當SA-738 Gr.B母材厚度小于等于60mm時，在焊接工藝滿足一定條件的前提下，可以免除焊接接頭的焊后熱處理[6]。當后續CV主材選用SA-738 Gr.B時，從設計上，建議參照ASME規范案例N-841，采取免除母材公稱厚度小于等于60 mm的對接焊縫焊后熱處理。另外，作為一種替代方案，通過采用強度更高的材料，降低CV筒體壁厚，實現免除焊后熱處理的目的。免除焊后熱處理，一方面降低CV制造成本與能耗，另一方面顯著縮短CV的制造周期，對提升產品整體經濟性具有明顯的貢獻作用。

2.1.2 貫穿件布置優化

在CV結構中，貫穿件是建立反應堆廠房內外連接的關鍵接口，目前設計主要從功能接口上進行布局，結構如圖2所示。部分貫穿件正好位于鋼板與鋼板相接位置。此類區域一方面要進行鋼板焊縫的組對、焊接及熱處理等工作，另一方面又要進行貫穿件安裝所需的開孔、組對、焊接及熱處理工作，容易導致應力疊加。根據依托項目經驗，此類區域容易產生較大的塑性變形(設計要求形狀偏差為一個板厚即44.5 mm，實際施工中在主焊縫周圍的貫穿件在焊接及熱處理的累加作用下的變形最大偏差超過100 mm)，且焊接缺陷比率較高。建議對貫穿件的布局進行優化設計，貫穿件和其插入板盡量避開鋼板對接區域。若貫穿和插入板分別布置在單張筒體板范圍內，則可以實現將貫穿件和插入板組件整體焊后熱處理后，在制造車間將其整體焊接在筒體板上交付，用于筒體環的拼裝，進一步推動工廠模塊化預制的水平，縮短CV筒體環的組裝焊接工期。

圖2 CV貫穿件布置圖Fig.2 Layout of CV penetrations

2.1.3 人員閘門插入板設計優化

CV結構中人員閘門直徑4 m，插入板壁厚95.2 mm，原設計的插入板為嵌入式結構，即先完成所在筒體板的整圈拼裝，然后定位放線根據插入板的尺寸進行開孔，再安裝人員閘門的插入板結構(如圖3所示)。這種嵌入式的結構設計導致閘門插入板的安裝必須要上下兩層CV鋼板焊接完成后方可進行安裝，不利于工期的控制。同時由于插入板上下均為筒體環焊縫，右側為筒體縱焊縫，在此局部區域內需進行兩條環縫焊接、1條縱縫焊接，以及插入板的開孔及焊接，容易產生應力疊加，控制變形的難度也會加大。為此考慮將閘門貫穿件插入板結構從開孔嵌入式調整為矩形筒體板結構(如圖4、圖5所示)，即將閘門插入板作為整圈筒體板的一個鋼板單元，在完成此區域筒體板安裝的同時即可完成了閘門貫穿件的安裝。這樣既節約了工期，又減少了局部區域內的焊縫數量，利于閘門安裝質量控制。

圖3 大型貫穿件插入板優化前Fig.3 Reinforcing plate of large penetrations before optimization

圖4 大型貫穿件插入板優化后Fig.4 Reinforcing plate of large penetrations after optimization

圖5 國外某AP1000核電項目優化后的下部人員閘門Fig.5 Optimized lower personnel airlock for an overseas AP1000 nuclear power project

2.2 建造施工優化方案

2.2.1 筒體板與貫穿件、附件板的模塊化施工

依托項目中CV筒體板、貫穿件插入板、貫穿件套筒、附件板等均為散件供貨。首先在核電建設現場進行筒體板的拼裝，核島就位以后根據核島坐標系進行貫穿件及附件板的安裝。其中貫穿件套筒組件的施工邏輯是將插入板與貫穿件套筒分為兩個零件，分步安裝在CV上。先根據插入板的尺寸在CV筒體上完成開孔，然后將插入板焊接至筒體上，再安裝貫穿件套筒，最后再對焊縫進行局部熱處理。整體工藝流程如圖6所示。

圖6 依托項目CV建造工藝流程圖Fig.6 CV construction process flow of the supporting project

上述工藝流程所帶來的問題包括：

1)貫穿件、附件板均在核島拼裝，增加了現場的施工工期，同時在核島引入大量的交叉施工，進而影響了核島整體工期。

2)貫穿件插入板與套筒之間的T形接頭焊縫焊接難度大，現場施工合格率低，返修問題頻頻發生，進一步增加了工期風險。

3)貫穿件現場焊接完成后在CV本體上進行局部熱處理，熱處理導致的局部變形問題突出，且熱處理后容易發生部分焊縫裂紋的問題。

考慮上述問題，對CV及貫穿件、附件板的建造工藝進行優化。按照“工廠化預制、模塊化施工”的理念，將每張鋼板及其上所布置的貫穿件、附件板等附件作為一個模塊單元，在預制車間完成組件的模塊化預制，待運輸至拼裝現場后只需要進行鋼板與鋼板之間的主縫焊接即可(少量跨焊縫位置的附近板及貫穿件在其后進行)。在熱處理要求未能免除之前，按照貫穿件插入板與鋼板之間的焊縫是否需要進行熱處理(即焊縫名義厚度是否大于44.5mm)分為兩種建造工藝流程，分別如圖7和圖8所示。

圖7 鋼板厚度大于44.5mm，需進行整體爐內熱處理的工藝流程圖Fig.7 Construction process flow for steel plate thickness greater than 44.5 mm ,requiring integral furnace heat treatment

圖8 鋼板設計厚度小于44.5mm，不需進行整體熱處理的建造工藝流程圖Fig.8 Construction process flow for steel plate thickness less than 44.5 mm ,not requiring integral furnace heat treatment

采用上述優化后的建造工藝，可將大量工作提前至預制車間開展，大幅提高了CV鋼板部件出廠的模塊化水平，減少現場拼裝焊接工作。

2.2.2 內外加強肋的模塊化施工

CV內外加強肋結構包括腹板、翼板、托板等零件，如圖9所示。在依托項目中，是散件供貨至施工現場，先將腹板與翼板焊接，再將托板單獨焊接在CV筒體上，最后將腹板與翼板的組合件通過吊裝安裝至托板上方，最后依次完成焊接。存在的問題主要是散件供貨至現場，分別進行焊接，大大增加了現場施工的工程量，不利于工期的控制。

圖9 外加強肋結構示意圖Fig.9 Structure of external stiffener

按照模塊化思路進行再次優化，將整圈加強肋進行分段后，每一段作為一個子組件。即將每一段的腹板、翼板、托板作為一個子組件，在車間即完成組件預制。以組件形式供貨到施工現場后，以組件為單位進行安裝節省大量組件拼裝焊接工期。

2.2.3 環吊梁的模塊化施工

安全殼環吊梁結構是一個箱體式鋼結構，包括上下環板、筋板、人孔板等零件，如圖10所示。環吊梁的上環板是核島環吊軌道的承載臺面，水平度要求較高(整體水平度要求19 mm，每6 m范圍內6 mm)。依托項目的施工邏輯為：

圖10 環吊梁結構示意圖Fig.10 Structure of crane girder

1)散件供貨至施工現場;

2)拼裝場地將下部環板與筒體組對點焊，然后依次安裝豎向筋板與人孔板，考慮到上環板水平度要求較高，拼裝場地暫時不安裝上部環板;

3)筒體四環在核島就位后，對筋板、人孔板的頂部標高進行測量與調整(切割、打磨)，水平度滿足要求后安裝上部環板。

依托項目的施工方案存在下述問題：

1)散件供貨至施工現場，現場完成所有的焊接工作，工期較長

2)拼裝場地僅完成了約2/3的工作量，上環板在核島的施工，占據了較長的工期。

對環吊梁的施工進行如下工藝改進：

在車間預制階段將環吊梁均勻分為12個子組件，分別由相應位置的上下環板、筋板與人孔板組成。將大量的焊接工作轉移至車間進行，減少現場拼裝焊接工作量，節省工期。拼裝場地上，待筒體部分完工后，將12個環吊梁子組件順序依次完成安裝。此工藝優化重點在于上環板水平度的控制。一方面在場地拼裝階段進行控制(控制目標為設計公差的50%，余下50%公差在核島安裝階段進行控制)，另一個關鍵控制點是核島吊裝、安裝階段進行水平度的精準控制。環吊梁所在的筒體四環吊裝前，在筒體三環與四環接口焊縫上下位置，整圈均布焊接8～12套水平度調整工裝，(如圖11所示)，四環吊裝到位后，根據環吊梁上環板的水平度測量數據通過千斤頂局部微調，輔以工裝卡具進行定位后實施焊接，最終實現上環板水平度的精準控制。

圖11 水平度調整工裝Fig.11 Adjustment tooling for levelness

3 優化后節約的現場工期

本文從設計、施工角度提出的優化方案，可較大幅度地減少核電站施工現場的工程量，將相當一部分工作提前至預制車間開展，可有效降低現場的建造工期。根據依托項目的建造實踐，上述優化方案在AP1000機組的建造中最終可以減少的工期如表1所示。

表1 優化后節約的工期Table 1 Time saving after optimization

4 總結

鋼制安全殼的建造是AP系列核電站“模塊化”建造的典型代表，這一施工理念對于核電施工產生了深遠影響。受設計、制造、施工及技術經驗不足等多方面因素的影響，在AP1000依托項目上模塊化建造的理念經歷了從無到有逐步完善的過程。本文通過對鋼制安全殼在依托項目中的施工工藝、邏輯進行總結及思考，從“模塊化”的角度進行了大量的優化，進一步體現了 “工廠化預制，模塊化施工”的設計理念，并結合依托項目的建造實踐對優化方案對工期的貢獻進行了量化分析，對于后續AP系列核電站的建造具有參考價值。