核電站機械模塊化建造模式分析

紀立軍，陳昊陽，徐國飛，邰 江

中國核電工程有限公司，北京 100840

傳統核電工程建造方法對施工現場的人力和物力需求量較大，施工過程易受到場地、氣候等因素制約，導致質量、安全、進度等方面存在風險。由于核電行業具有標準高、要求嚴、規模大、投入大、工期長等特點，需要采用更先進的設計理念和建造技術，結合科學管理來優化施工邏輯，改善施工環境，縮短建造周期，提高安全水平，從而提高核電工程質量，降低建造成本。

模塊化技術是核電站工程縮短建造工期、降低造價的重要技術手段，已成為第三代核電的發展方向之一。在國內，核電模塊化建造技術從大亞灣核電、秦山一期開始，在穹頂結構施工中體現了小規模模塊化施工方式。目前，我國已建或在建核電站中大規模應用模塊化設計與施工的，只有從美國引進的浙江三門1號、2號，山東海陽1號、2號AP1000核電站，以及山東榮成的CAP1400核電站。

模塊化設計是核電站詳細設計的一部分，為其提供了全新的設計理念和施工設想，即在車間里預制模塊，在可控制的環境里最大化制造安裝，保證建造質量。同時，模塊制造能夠與土建施工平行進行，從而縮短建造工期。最大程度上應用模塊化建造可縮短電站建造周期和節約成本，同時滿足電站的安全性和可維護性要求。

1 機械模塊化設計概述

模塊化包括模塊設計和模塊部件的工廠建造，部件是獨立的運輸單元，可以后期在現場通過螺栓或者焊接的方式進行連接。在被安裝到安裝區域前，模塊中所有的系統部件都要裝配好。通過采用該方式，電廠可以按照區域劃分在同一區域的所有組件，不分系統和功能，都預裝集成在同一結構框架上，將該結構框架和相關所有設備作為一個整體單元運到現場，拼裝成更大的模塊，或者直接安裝到電廠中。首先，布置專業要建立模塊化設計的概念，即要把設備和不同系統組合到一起，并注意因安全、冗余、防火以及防水而考慮的合理分界要求。其次，用詳細的布置圖或者PDMS三維模型來分析和確定各組件的詳細分界。模塊的尺寸與重量也是影響邊界選擇的因素，模塊的重量不能超過起重機的最大荷載，外形尺寸不能超過規定的限值，重量和尺寸應根據運輸的限制要求進一步調整。

機械模塊的規劃和設計是一個反復的過程，如何規劃和設計機械模塊的組成部件和物項首先面臨的是技術問題，然后是保證機械模塊具備可實施的制造和安裝條件，以及機械模塊的采購邏輯問題。

（1）定義。為了方便工藝管道預制及安裝，縮短現場的安裝周期，將核電站內相對集中布置的泵、閥、熱交換器、容器、過濾器等工藝設備和管道安裝在一個共同的整體鋼結構框架上，組成一個整體單元，稱為機械模塊。如有需要，測量儀表及其管線也可安裝于機械模塊內。

（2）分類。機械模塊分為設備模塊和管道模塊。設備模塊主要由工藝設備、工藝管道、閥門、管件、鋼結構以及相應的支架組成。相對于設備模塊而言，管道模塊的結構比較單一，功能相對簡單，主要由工藝管道、管件、閥門、鋼框架和支架組成。

（3）制造。模塊化設計能夠提高核電站的施工質量，并能縮短工期。但機械模塊的制造和安裝順序必須結合整個電廠的建造進度計劃考慮，以降低因施工作業通道狹窄而安裝困難的風險。機械模塊在工廠制造組裝，安裝在鋼結構框架上，再運輸到現場需要安裝的位置。模塊尺寸應能滿足商業鐵路運輸要求而非船運，因為部分廠址不能直接從水路到達。但是，典型模塊應可以船運，方便運送到經水路可達的現場。機械模塊在運輸前，需在制造加工廠完成組裝、測試、檢驗。

（4）施工。模塊化方法基于場內和廠外的制造設施，利用平行建造、較好的質量控制和充分的測試等方法，最大程度上減少氣候、場地等因素制約。為了實現模塊化建造，需要制訂整體的設計技術策略，針對電站不同的位置來確定哪些適合做成模塊。根據三門核電的工程經驗，對于已完成的電站設計，很難再對模塊進行修改，即使能夠修改，也會耗費大量的人力和物力。因此，在設計之初就應考慮模塊化設計的可行性，以確保模塊化和傳統建造技術的結合應用，最大限度地降低電站成本，縮短施工周期。

2 機械模塊的布置原則

模塊化設計在傳統布罝原則基礎上增加了額外的要求。雖然很多布置的通用原則仍繼續可用，但要求模塊設計者必須知道不同組件的相對位置和模塊結構的關系以及模塊最終在電廠的安裝位置的關系。模塊需要經過組裝、運輸、檢驗、測試、安裝就位、連接、清洗、維護，這些因素都要在布置設計階段予以考慮。

盡管模塊化可以降低成本，加快進度，但必須持續考慮建造的可行性、可操作性、可維護性。特別是電廠布置設計過程中，應考慮以下原則：電廠建筑物的布置和結構、設備、管道、電氣、暖通及其他服務系統的設計，應注重建造能力的提高，以及改善電廠的可操作性和可維護性；模塊布置需要滿足模塊內所有部件在建造過程中和建造完成后的通道和維修空間要求；提高建造能力可通過材料選擇，電廠各方面部件的標準化，合理的人員通道規劃，設計上不互相干涉，一體化建造計劃，優先安裝順序等方式實現；因為與臨近的模塊連接時可能有多個接口，所以公差要比傳統布置設計的公差要求更嚴格，尺寸必須保證在一個選定的整體坐標系內，并考慮各組件的局部安裝公差。

3 機械模塊化建造模式分析

3.1 機械模塊采購模式

在傳統的采購模式下，機械設備、閥門、泵、工藝管道、管件、風管和電纜橋架等都委托制造廠制造，業主或安裝單位分別采購后，在現場進行安裝。在模塊化建造中，通常將模塊所包含的設備、管道、管件、風管、電纜橋架等采購后集中于模塊加工廠，組裝成模塊。

機械模塊的采購需統籌兼顧采購質量、成本和進度的關系。機械模塊采購可遵循以下原則：對于必須實施整體采購否則影響系統性能的設備模塊，以及由通用材料組成、附加值低的管道模塊，可以模塊為單元實施采購；對于拆分后既不影響模塊整體性能，又有利于降低采購成本的，則可以將模塊拆分后打包采購；對于非核級材料，如果量少、品種和規格較多，應盡量打包采購；對于核級材料，應單獨劃包采購以保證質量。在工程采購實踐中，上述采購原則應根據具體情況做相應調整。

整個模塊具備獨立系統功能時，若對其中的單體設備單獨進行采購，會對整個系統的性能、調試、安全和穩定運行產生風險，為了避免這種情況的出現，應把整個模塊作為一個整體進行采購，同時考慮各模塊的進度差異，可以與供應商簽訂分階段供貨合同，如果后續模塊有新增采購需求，可直接以訂單形式追加采購。

3.2 機械模塊建造模式

模塊化建造允許按并行的建造計劃活動進行，可以將一個較擁擠的施工作業區域的工作量移到場外進行。但是，制訂科學的安裝邏輯非常重要，而且現場各建造施工班組相比傳統核電站建造模式需要更好的協作。

（1）通過使用模塊化技術，電站應能最大化發揮模塊化的優點，電站的設計者和建造者應在模塊化設計上密切配合。

（2）模塊化設計應優先運用標準的元件和組件來簡化工作，設計應考慮安裝、維護、運行及內部組件拆裝的空間通道等，在制造時，模塊設計應全部完成，不留開口項。

（3）復雜的模塊由工廠加工制造，制造商應參與設計過程。運輸、模塊接口中的加工公差以及操作和維護的可達性必須考慮在內，模塊的大小必須考慮運輸的最大重量和尺寸的限制及間隙，也要考慮場內起重機的最大起吊極限。

（4）模塊化計劃應為主要的成套設備包編制文件，包括各種復雜的接口，如根據永久性結構、綜合性組件或材料，確定是工廠加工或者現場組裝。編制計劃時需評估由制造商購買原材料的價格優勢及風險，包括模塊內設備閥門的交貨時間及周圍其他物項的施工影響。

（5）詳細計劃應考慮電站模塊的安裝路徑和安裝邏輯順序，并根據先后順序確定制造加工和安裝計劃，系統調試也應考慮指定到該計劃中。

（6）外部建筑物在墻或樓板上的開孔或臨時開孔，其大小和位置應考慮模塊的安裝順序和模塊的大小。

（7）場內起重機的能力需要保證吊裝大模塊并且符合相關的建造技術要求。

4 結束語

與傳統的非模塊化設計技術相比，模塊化設計具有可縮短施工周期、改善施工環境、利于控制質量等優點。但是機械模塊化設計對設計、采購、制造和安裝的邏輯順序，以及對項目管理和進度計劃要求更為嚴格。因此，開展機械模塊化設計對于提高我國自主研發三代核電站堆型競爭力，無論是在國內市場還是在國際市場開發競爭中，都非常必要。