某三代核電反應堆堆內構件安裝工藝流程優化研究

張寶存

某三代核電反應堆堆內構件安裝工藝流程優化研究

張寶存

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

具有世界先進水平的某型三代壓水堆核電機組，其反應堆是用來維持可控自持鏈式核裂變反應、以實現核能利用的裝置，而反應堆內部構件是確保反應堆能夠正常維持可控核裂變反應的重要核心部件，具有安裝工藝流程復雜、技術難度大、安裝精度高的特點。堆內構件安裝工藝流程優化研究成果作為國家科技重大專項課題的研究成果之一，依據三代壓水堆堆內構件的結構特點、基本功能和安裝技術要求，對其安裝工藝流程進行優化改進，從而實現了安裝工藝流程的簡化，安裝精度和施工效率的提高、施工周期的縮短、施工成本減少的目的，同時為后續三代大型先進壓水堆堆內構件安裝提供了良好的借鑒。

三代核電；堆內構件；安裝工藝

當今核電行業，大型商用先進核電壓水堆機組已進入第三代，最具代表性的當屬美國西屋公司的AP1000非能動先進壓水堆、法國阿?，m公司的EPR歐洲壓水堆[1]、中國的HPR1000華龍一號先進壓水堆。這三種堆型已經建成發電，進入商業運行狀態。AP1000和HPR1000兩種機型都采用了非能動設計理念，符合美國核電用戶要求文件（URD）和歐洲核電用戶要求文件（EUR）關于非能動型核動力廠技術標準的要求[2]。這兩種堆型充分吸取了二代核電機組在設計、建造、運行等方面的經驗反饋，采用非能動理念設計，在預防事故能力，防止堆芯損壞，緩解事故能力，減少人為因素等方面得以提高。因此，三代核電機組在運行效率、安全可靠性、建造的經濟性、可維護性方面、機組壽命、換料周期等方面的技術指標都較以往有很大提高。

與二代壓水堆相比，三代大型非能動壓水反應堆核電機組的反應堆采用更高要求的技術標準，結構更加緊湊，集成化更高，安全可靠性更高。二代堆芯的部分測量儀表是經由壓力容器底部由下而上插入堆芯構件內部，堆內傳熱液體泄漏的風險大，而三代壓水堆的所有測量儀表全部經由壓力容器頂蓋由上而下插入堆芯內部，傳熱液泄漏風險明顯降低，所有測量儀表集成于頂蓋上部，便于電纜線路的布設、安裝運行維護。二代堆的內部下端防斷支撐與壓力容器內壁之間空間大，無流量分配器，而三代堆的內部下端防斷支撐與壓力容器內部空間小，有流量分配器，堆芯熱量交換更加均勻平穩，利于運行控制。這些都說明，三代大型壓水堆型與二代壓水堆在結構形式上發生了本質的變化，因而其安裝工藝也相應變化。

反應堆堆內構件作為核電站最為核心的設備之一，在役期間需要經受各種惡劣環境考驗，諸如長期在熱狀態下的水流沖擊，流體帶來的冷熱沖擊，高放射性輻照，傳熱回路的酸性介質腐蝕等，在這種條件下，堆內構件有可能產生各種劣化現象，例如熱脹冷縮引起的應力遷移集中化，導致構件變形或開裂。另外還有化學腐蝕，核輻射腐蝕，振動蠕變，疲勞損壞，缺陷擴散，輻照腫脹等，因此，堆內構件的安裝要求很高，在安裝時需進行多次裝配、校核、調整相關配合尺寸，以確保構件在役工況下既無較大約束應力而導致變形，也無過大裝配間隙而產生的流致振動，最終導致構件脫落等，避免由此引起的嚴重后果。堆內構件的裝配難度體現在現場零部件多，配合尺寸公差小，精度要求高，測量加工困難，廠房內多個專業交叉施工，安裝環境惡劣等。一些特殊的安裝技能需要預先進行模擬操作和練習，如定位銷冷裝技術，構件測量技能，鑲塊現場加工安裝技能，特種焊接技能等。目前首臺第三代非能動壓水反應堆核電機組建成發電還不到兩年時間，堆內構件安裝工藝未被更加深入研究，其公開的研究成果也處于空白狀態。

隨著專業人員對堆內構件安裝工藝的反復斟酌和實踐，對技術標準的理解和消化，對操作要領和技能的熟練掌握，逐漸認識到了首臺第三代非能動壓水堆堆內構件安裝工藝流程具有安裝效率低，施工周期長，施工成本高等不足。為解決這些問題，下文將在首臺堆內構件安裝工藝的基礎上，開展優化改進工作。

1　三代壓水堆堆內構件的組成及安裝工藝流程

三代核電的反應堆也是由反應堆壓力容器，堆內構件，控制棒驅動伺服機構、測量控制機構、反應堆壓力容器保溫等組成。其中堆內構件的主要功能是為燃料組件提供定位和預緊力、為控制棒提供導向，并將燃料及構件自身重量和控制棒動態載荷傳遞給壓力容器本體、為堆芯提供冷卻劑流量通道和合理的流量分配、屏蔽中子和γ射線、為堆內儀表系統提供固定支承和導向、為輻照樣品監督管提供固定位置、為堆芯跌落提供二次支承等。堆內構件按其主要功能分為下部堆內構件LRI、上部堆內構件URI、堆內構件壓緊彈性環、壓力容器堆內構件定位鑲塊，提升柱等部件（如圖1所示）。

圖1　堆內構件示意圖

下部堆內構件主要集中在反應堆活性區，包括吊籃裙筒組件、防斷組件、輻照監督管組件、導流板、保護導板、十字定位鍵、吊裝塊及鎖緊塊、鑲塊、定位板、均流板、銷釘等。上部堆內構件主要集中在非活性區，包括上部堆內構件本體和堆內測量格架組件。而上部堆內構件本體則包括上部堆內構件子組件、導向筒、導向螺柱、吊裝塊及鎖緊塊，銷釘等。堆內構件的主要特點是制造工藝復雜，加工精度高?，F場裝配定位精度高，裝配間隙調整難度大，裝配工藝流程復雜，裝配技能要求高，裝配技能難以掌握，清潔度控制要求高，裝配作業環境復雜，使用的特殊工機具多等特點。安裝的主要工作內容是各個構件之間的裝配，控制核心是各構件之間的間隙以及精準定位，關鍵點是裙筒管嘴與RV管嘴間隙的調整，徑向定位鑲塊的測量，加工和裝配，裙筒及上下堆芯的十字鍵定位，裙筒法蘭面與反應堆支撐法蘭面的定位與接觸面配合、堆內構件與裙筒的接觸法蘭面的定位與接觸面配合等。堆內構件安裝工藝流程如圖2所示。

由圖2看出，堆內構件安裝工藝流程，是從第一道工序開始，按順序逐個完成每道工序，直到最后一道工序結束，整個堆內構件安裝工作才能完成，這是一種典型的串列式安裝工藝。這種工藝流程，有兩個主要不足之處：其一是無法開展并行安裝工作，導致安裝工期過長，給成品保護和核島建造周期造成壓力。其二是如果主線流程上有一道或幾道工序出現問題造成短暫停頓，則會導致整個安裝工作的暫停，造成人員窩工，工期延長，成本上升。

因此，建造現場研究增加一些新的過程控制措施，制作一些新的特殊工裝，同時對工藝流程進行優化，并依此來確保安裝過程嚴格受控，以提高效率，縮短工期，節省成本。這些新的過程控制措施包括搭設安裝作業防護棚，設置潔凈區域，購置清潔凈化設備，制定新的管理規定，安排專人保護，錄制關鍵過程，發放專用工作服等，來保證堆芯構件的清潔度滿足設計要求。

2　三代壓水堆堆內構件安裝工藝流程的優化改進

隨著三代核電機組堆內構件在設計上不斷成熟，制造工藝不斷改進，現場安裝技術和經驗的不斷積累，堆內構件安裝技能的趨于熟練，安裝工藝由原來串行安裝工藝改為并行安裝與串行安裝同時進行的綜合工藝流程，這樣可以在同一時間內，開展多項相關構件的組裝、測量、安裝工作，從而減少人員窩工，縮短施工周期，提高施工效率，節省施工成本。

并行安裝與串行安裝有機結合的綜合安裝工藝流程，相比單純的串行安裝工藝，在工藝邏輯上將更加復雜，需要更加成熟的安裝技術和熟練的操作技能，以及專用工機具來支持現場施工。優化改進后的安裝工序包括：

（1）下部堆內構件與壓力容器的裝配；

（2）上部堆內構件與下部堆內構件的裝配；

（3）下部堆內構件的裝配；

（4）上部堆內構件的裝配；

（5）最終的檢測與裝配。

圖2 優化前的堆內構件安裝工藝流程

其先決條件是堆內構件專用吊具、上部堆內構件支架、下部堆內構架支架在內的各種工機具合格可用。專用測量工具，專用加工設備可用，專項操作技能（如定位銷冷裝技能，專用吊具操作技能，專用磁力鉆操作技能等）熟練掌握。具體做法就是首先在初步測量RV內壁基礎數據的同時，將上部堆內構件URI在其支架上展開組裝工作；將下部堆內構件LRI在其支架上展開組裝工作，這些組裝工作包括各構件的檢查測量，清潔，加工，研磨等工作。在此期間，將反應堆的裙筒吊入RV腔室，進行冷管段、熱管段的管嘴間隙調整，臨時H/V定位銷試裝，安裝時要確保正式H/V能順利安裝。這些工作完成后，將組裝好的下部堆內構件LRI第一次吊入反應堆壓力容器RV腔室，進行試裝，管嘴間隙復測，防斷支撐數據測量、導向筒臨時吊具緊固、H/V定位銷安裝。之后再將下部堆內構件LRI第一次從RV腔室吊出，對上部裙筒與反應堆壓力容器RV的法蘭接觸面進行研磨、下部徑向定位鑲塊進行反復機加工、測量、研磨、試裝配。與此同時，可以在上部堆內構架支架上組裝上部堆內構件URI，包括清潔、測量、加工、研磨、裝配等工序。在進行URI組裝工作的同時，可以根據鑲塊裝配及松動試驗情況，將下部堆內構件第二次吊入、吊出反應堆壓力容器RV進行與定位鑲塊試裝、同時穿插進行防斷支撐測量計算、加工、組裝焊接、壓緊彈簧試裝、H/V定位銷最終安裝、下部徑向定位鑲塊最終安裝等工作。所有這些工作完成后，可以將下部堆內構件第三次吊入反應堆壓力容器RV進行下部堆內構件相關數據最終測量、防斷支撐底板與RV筒壁最終測量等工作。之后下部堆內構件第三次吊出RV通體后，進行輻照樣本入口塞安裝，防斷支撐最終焊接，人孔塞安裝、堆內構件沖洗和清潔等工作。在下部堆內構件第二次、第三次吊出反應堆壓力容器RV期間，可以根據實際情況擇機將組裝好的上部堆內構件URI吊入下部堆內構件LRI上進行試裝，進行同軸和相關接觸配合面的測量、加工研磨，間隙測量，調整等工作。這樣相比初次的串行安裝工藝，減少了下部堆內構件URI在RV內部的試裝次數。最后，就是將試裝測量合格的下部堆內構件LRI，吊入反應堆壓力容器，進行上部堆內構件URI清潔檢查和摩擦力試驗、URI導向筒壓緊螺栓松緊帽收口、上部堆內構件URI吊入并做最后安裝測量、快式鎖定操作桿安裝、彈頭式接頭安裝等工作，完成最后裝配。優化改進后的堆內構件安裝工藝流程如圖3所示。

按照上述優化以后的工藝流程，其中就有LRI和URI在反應堆腔室內的多次吊入、吊出，進行測量和試裝。其中需要強調以下幾點：

（1）不論是LRI還是URI，在吊入壓力容器前，都要進行稱重，并做好記錄，同時堆內構件專用吊具上要加裝簽定合格的測力計。目的就是要確保構件在堆腔內受到除其自身重量以外的摩擦力時，能通過測力計及時發現，確保構件在腔室內免受較大摩擦力。

（2）在最后一次正式安裝堆內構件之前的幾次試裝中，都要用臨時十字定位鍵調整裙筒冷熱管嘴與反應堆壓力容器對應冷熱段管嘴之間間隙，以及裙筒自身在水平圓面與反應堆壓力容器U型定位鑲塊對準角度，裙筒自身的垂直角度。目的是要首先保證下部堆內構件、上部堆內構件、壓力容器、頂蓋上的控制棒驅動桿（控制棒）、燃料組件之間的精確定位和對中，從而保證控制棒的準時正確動作，同時也保證各部件之間的熱態間隙，防止產生局部較大應力。

（3）反應堆壓力容器與堆內構件之間的裝配精度取決于壓力容器支撐和定位作用的上部U型定位鑲塊和下部徑向支撐構件，堆內構件的吊入吊出RV腔室，主要工作就是反復測量、計算和加工，試裝這些支撐構件和定位鑲塊。因此，U型定位鑲塊和徑向支撐構件的測量、計算和加工、涂藍研磨、松動試驗、安裝的精度，對堆內構件安裝起了至關重要的作用。其中涉及到的定位銷定位鉆孔技術，涂藍研磨技能、定位銷冷裝技術，定位銷焊接技術，鑲塊松動試驗技術都需要預先模擬練習掌握。

圖3 優化改進后的堆內構件安裝工藝

（4） LRI下部的能量吸收組件，在測量組件底部與RV腔室底部間隙時，要按照圖紙規定，計算出加工量和焊縫收縮量，進行機加工、組裝焊接后，組件長度要滿足圖紙要求。組件底板與RV腔室底部間隙要在設計公差范圍內，不能過大，也不能過小，否則，會影響反應堆正常運行。LRI的下部能量吸收組件，防斷支撐組件可以選擇堆內構件位于其存放架上時，進行安裝，這樣并行施工以縮短工期。

（5）堆內構件安裝過程中，各種間隙測量多大幾百次，安裝人員需要預先熟悉圖紙，詳細列出間隙測量對比表，防止漏測數據。預先練習各種間隙測量的專用工具的正確使用和維護，測量技能掌握特別重要。

（6）上部堆內構件的導向筒以及熱電偶組件安裝，摩擦力試驗和通規試驗，都可以在上部堆內構件存放加上進行，這樣并行施工以縮短工期。

堆內構件安裝完成后，還有堆內構件清洗，輻照樣品件安裝，流量限制器安裝，測量格架快鎖儀安裝，反應堆壓力容器扣大蓋，主螺栓緊固，冷態水壓試驗，檢查驗證，冷試，堆內測量模擬儀表安裝，熱試，裝料等很多工作。

3　堆內構件安裝工藝優化改進的效果

堆內構件的安裝工藝流程優化改進后，其主線工序由最初的14道減少到9道，優化改進的結果是主線工期減少，相應的人工費用，機械費用，各種消耗品費用，以及成品保護費用，還有相關的間接費用等，都得到了減少，在施工技術成熟，安裝技能熟練，各類特殊工機具的靈活應用下，安裝質量和施工安全性也得到了提高。具體工期費用對比如表1所示。

表1　堆內構件安裝工藝優化前后工期、費用對比表

以上人工人數是實際安裝需求人數，施工周期是實際施工周期。直接費用（人工費用，材料費用，機械費用）和間接費用是按照《核工業安裝工程預算》[3]（2009版）第一冊機械設備安裝工程預算定額測算，并結合實際開支進行適當調整。

4　結論

隨著技術的不斷進步，三代核電機組壓水堆型更加趨于成熟，后續必將會在世界各地新建更多機組，將來會有更多的反應堆的堆內構件安裝工作。反應堆堆內構件的安裝技術和工藝流程是整個核電廠建造的關鍵核心技術，也是整個核電建造業界最難掌握的施工技術，需要預先進行多次操作練習，掌握關鍵技能，更需要鉆研消化技術規范要求，制定更加合理高效的安裝工藝流程。隨著建造工藝不斷的優化改進，科學技術的不斷進步，人工智能技術的廣泛應用，新的更智能化的專用工機具陸續使用于堆內構件安裝，而且隨著更多堆內構件安裝經驗的積累，堆內構件安裝技術和工藝流程必將會更加成熟化，便捷化，高效化，從而使堆芯安裝質量更加安全可靠，同時建造的經濟型也得到較大提高。今后，不但是堆內構件安裝工藝，而且整個核電建造工藝也將更加優化改進和趨于成熟，也更具有經濟性。

［1］林誠格，等．非能動安全先進壓水堆核電技術：上冊［M］．北京：原子能出版社，2010.

［2］環境保護部核與輻射安全中心．核安全綜合知識［M］．北京：原子能出版社，2018.

［3］核工業安裝工程預算定額2009版［R］．核工業工程造價管理站，2009.

Study on Optimizing the Installation Process of Internals of Some Third-generation Nuclear Reactor

ZHANG Baocun

（Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute Co.，Ltd，Shanghai 200233，China）

For a certain third-generation PWR NPP with world advanced level, its reactor is a facility which used to maintain controlled, self-sustaining nuclear fission chain reaction and realize nuclear energy utilization, while the reactor internals is a key component to ensure that the reactor can maintain controlled fission reaction. The reactor internals features complex installation process, considerable technical difficulties and high installation accuracy. As one of the results of the major national science and technology project, the installation process of reactor internals is improved according to the structural features, fundamental functions and installation technical requirements of reactor intervals of third-generation PWR, thereby simplifying the installation process, enhancing installation accuracy and construction effectiveness, shortening the construction period, reducing construction costs and providing good reference for the installation of internals of follow-up large advanced third-generation PWRs.

Third-generation nuclear power; Reactor internals; Installation process

TL364+.2

A

0258-0918（2021）06-1119-07

2020-10-29

國家科技重大專項“CAP1400核電關鍵建造調試技術進行深入研究（2018ZX06002002）”

張寶存（1975—），甘肅鎮原人，學士，高級工程師，現從事核島機械設備施工技術和工程管理方面研究