CPR1000核島主管道自動焊效益分析

摘 要：該文通過介紹核電站主管道窄間隙自動焊工藝的開發(fā)和主設(shè)備及主管道安裝焊接邏輯優(yōu)化，并成功在CPR1000項(xiàng)目上實(shí)施成果，系統(tǒng)的分析CPR1000核島主管道自動焊實(shí)施對核電站主管道焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高，焊接工期的進(jìn)一步優(yōu)化，以及核電站建造成本的進(jìn)一步降低起到積極的貢獻(xiàn)：采用自動焊工藝，單道焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關(guān)鍵路徑工期將由此縮短30～45 d，由此帶來商運(yùn)提前直接經(jīng)濟(jì)效益近2億元。中國改進(jìn)型百萬千瓦級核電站主管道自動焊的成熟應(yīng)用，也將為我國后續(xù)自主完成三代AP1000及EPR堆型自動焊技術(shù)提供強(qiáng)有力技術(shù)準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：窄間隙自動焊 安裝邏輯優(yōu)化 核島安裝工期

中圖分類號：TG5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-04

CPR1000核島主管道是指連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器以及主泵等主設(shè)備的管道，主要功能是為堆芯提供冷卻劑，設(shè)計壽期為40年、運(yùn)行壓力為15.5 MPa、溫度為283.6 ℃，屬于核電站一回路承壓邊界。

CPR1000核島主管道施工質(zhì)量直接關(guān)系到核電站全壽期安全運(yùn)行，并且主管道焊接處于核島安裝關(guān)鍵路徑，也是整個核電站建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工期直接影響到核電站冷試及商運(yùn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。相比手工焊，采用主管道窄間隙自動焊可以進(jìn)一步提高主管道焊接質(zhì)量，保障核電站全壽期運(yùn)行安全水平，有效優(yōu)化施工工期，降低建造成本，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 主管道自動焊效益分析

1.1 CPR1000主管道自動焊的實(shí)施情況

2011年1月20日，國家核安全局發(fā)函批準(zhǔn)中廣核在建寧德核電站主管道焊接，采用中廣核工程有限公司開發(fā)的窄間隙自動焊工藝，目前寧德核電站1#、2#機(jī)組主管道焊接、紅沿河1#、2#機(jī)組主管道焊接以及陽江1#機(jī)組主管道自動焊接已經(jīng)順利完成，這也標(biāo)志著我國后續(xù)在建核電機(jī)組已經(jīng)全面進(jìn)入主管道自動焊工藝時代。

主管道窄間隙自動焊工藝的開發(fā)，及以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的島安裝關(guān)鍵路徑和施工邏輯研究，適用于我國的核電站建造及維修各個階段，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

在建CPR1000核電廠主回路管道焊接；

在役核電技術(shù)蒸汽發(fā)生器更換過程中主管道焊接；

三代AP1000及EPR堆型核電站主管道焊接。

目前，此項(xiàng)工藝已經(jīng)明確的實(shí)際用戶有包括：紅沿河核電有限公司、寧德核電有限公司、陽江核電有限公司、廣西防城港核電有限公司。另外，由于核電站蒸汽發(fā)生器更換過程中必須采用主管道焊接技術(shù)，未來在核電站維修過程中，此技術(shù)將具有更加廣闊的使用前景。

1.2 施工質(zhì)量

中國改進(jìn)型百萬千瓦級核電站主管道自動焊工藝的成功開發(fā)，及在寧德核電站、陽江核電站等項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用，填補(bǔ)了我國核電建設(shè)領(lǐng)域的一項(xiàng)空白，標(biāo)志著占我國通過自主創(chuàng)新，掌握了主管道窄間隙自動焊工藝。

主管道窄間隙自動焊工藝的開發(fā)，及以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的核島安裝關(guān)鍵路徑和施工邏輯研究，將為我國在建改進(jìn)型百萬千瓦級核電站主管道焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高，焊接工期的進(jìn)一步優(yōu)化，以及核電建造成本的進(jìn)一步降低起到積極貢獻(xiàn)。同時，也將為我國自主開展三代AP1000及EPR堆型核電站主管道焊接提供強(qiáng)力技術(shù)基礎(chǔ)。

該工藝通過采用窄間隙坡口型式，減少了焊接填充量；通過采用多層單道焊接，實(shí)現(xiàn)焊接過程的精密控制；針對焊縫根部、填充和蓋面等區(qū)域制訂了詳細(xì)的、對應(yīng)明確的和有合理調(diào)整范圍的工藝參數(shù)；通過采用氬氦混合氣體保護(hù)方式，提高電弧穩(wěn)定性和穿透性，降低了未熔合缺陷產(chǎn)生的概率。通過示范工程和推廣應(yīng)用證明：該工藝滿足主管道焊縫的焊接，焊接一次合格率高、質(zhì)量穩(wěn)定。首次將超聲檢測技術(shù)（UT）應(yīng)用于核電站厚壁不銹鋼管道焊縫檢測。采用多種角度雙晶聚焦探頭、多通道超聲檢測分析系統(tǒng)、與主管道同材質(zhì)的試塊及分層掃查方法以適用厚壁鑄造不銹鋼焊縫的超聲檢測技術(shù)。該技術(shù)提高了對未熔合缺陷的檢出率和定位精度，與射線檢測（RT）形成良好互補(bǔ)，確保了焊接質(zhì)量。

1.3 建造進(jìn)度

由于自動焊坡口尺寸較小，焊接填充量將大幅減少，自動焊焊焊接工期相對傳統(tǒng)手工焊將有效縮短。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用自動焊工藝，單焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關(guān)鍵路徑工期縮短30～45 d，由于核電工程建設(shè)工期優(yōu)化，提前發(fā)電將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，以單臺100萬kW機(jī)組為例，每提前一天發(fā)電可創(chuàng)產(chǎn)值1000萬元人民幣，則自動焊實(shí)施帶來商運(yùn)提前直接經(jīng)濟(jì)效益近2億元（考慮自動焊實(shí)施導(dǎo)致商運(yùn)提前權(quán)重為60%）。

1.3.1 CPR1000主管道自動焊與手工焊的工期對比

在焊機(jī)和焊工資源充足的情況下，考慮幾個環(huán)路同時開始焊接，其中冷熱段69 d，1環(huán)77 d，2環(huán)77 d，3環(huán)74 d，CPR1000主管道自動焊標(biāo)準(zhǔn)工期為105 d，手工焊工藝基礎(chǔ)上的焊接工期為125 d左右，根據(jù)自動焊接的實(shí)際工期，手工焊與自動焊工期對比如下圖1。

通過上述分析可知，如果全面采用成熟的主管道自動焊，可使主管道焊接的總工期從手工焊的4個月縮短到2個月，核島安裝關(guān)鍵路徑能縮短1個月左右。

1.3.2 主管道自動焊工期數(shù)據(jù)統(tǒng)計

目前，主管道自動焊工藝已在寧德1#機(jī)組、陽江1#機(jī)組、紅沿河2#機(jī)組順利實(shí)施并已焊接完成，各項(xiàng)目的有效工期如下表1。

1.3.3以寧德1#機(jī)組為例進(jìn)行安裝進(jìn)度分析

寧德主設(shè)備到貨進(jìn)度如表2。

根據(jù)上述主設(shè)備的到貨情況，以及嶺澳二期核島主回路安裝的工程實(shí)踐，對寧德主回路安裝計劃進(jìn)行了全面優(yōu)化，安裝計劃中主設(shè)備安裝邏輯關(guān)系、安裝工期，主管道焊接邏輯、焊接工期以及與土建、EM4接口關(guān)系及時間等，都是參考嶺澳二期趕工實(shí)際情況，局部進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。核島主回路安裝主要邏輯關(guān)系如下：

核島主設(shè)備的安裝順序?yàn)椋篠G1—SG2—SG3—RPV；

主管道焊接順序：蒸發(fā)器40度彎頭――主管道冷熱段焊接完成50%――過渡段U4焊口焊接50%――過渡段U2/U6焊接50%――主管道焊接全面完成；

主設(shè)備、主泵、RVI、主管道焊接、堆腔鋼結(jié)構(gòu)的安裝工期主要參照嶺澳二期實(shí)際工期，并根據(jù)嶺澳二期經(jīng)驗(yàn)反饋進(jìn)行合理的優(yōu)化；

堆腔水池試驗(yàn)參照嶺澳二期在冷試后進(jìn)行；

主管道實(shí)際焊接邏輯如下：

焊接順序：焊接U1口—焊接冷熱段—焊接過渡段

焊接U1口過程中，監(jiān)測U2口的水平度，20 mm前每半天測量一次，20 mm以后每天早上測量一次；

U1口焊接盡早焊接完成，以騰出焊機(jī)給冷熱段焊接，在焊接U1口的過程中可完成一個產(chǎn)品見證件的焊接。

冷熱段焊接，先焊接彎頭后焊接直管。冷段和熱段可同時焊接，亦可分開焊接。

焊接冷段過程中監(jiān)測主泵水平度及中心，主泵水平度每天測量一次，焊接熱段過程中監(jiān)測SG中心及垂直度；

冷熱段焊接完成后，進(jìn)行過渡段測量并加工坡口。

過渡段焊接（除U1口）先焊接U4口，待U4口焊接至一定程度，U2口和U6口達(dá)到組對可焊接狀態(tài)時，暫停U4口焊接，同時進(jìn)行U2口和U6口的焊接待焊接厚度答至少15 mm厚，最好是30 mm厚度時，同時進(jìn)行U4、U2、U6焊口的焊接直至100%焊接完成。

寧德1#機(jī)組核島主回路安裝進(jìn)度見圖2。

按照以上焊接邏輯及8臺自動焊焊機(jī)資源，焊接工期為75 d。實(shí)際情況為：U1焊口不在主回路安裝的關(guān)鍵路徑上，其工期優(yōu)化對關(guān)鍵路徑無貢獻(xiàn)，自冷熱段（1C4）2011年5月25日開始焊接至2011年8月19日焊接結(jié)束，整個焊接周期為87 d，除掉因安全整頓停工的一個多星期，實(shí)際焊接周期為79 d。嶺澳二期4號機(jī)組最快的情況下為102 d。

由此可見，采用主管道自動焊工藝，使得核島主設(shè)備安裝在關(guān)鍵路徑上節(jié)省了一個月的時間。

1.4 人力、材料成本

1.4.1主管道焊材成本降低

采用窄間隙自動焊，單個焊縫焊材消耗量僅為15～20 kg左右，而傳統(tǒng)手工焊單個焊縫焊材消耗量為100～120 kg，而手工焊焊條相比不銹鋼焊絲價格也更昂貴。根據(jù)測算，單臺機(jī)組采用自動焊焊材成本將降低330萬左右。

1.4.2焊工人力成本節(jié)約

傳統(tǒng)手工焊，需要焊工數(shù)量較多，焊工勞動強(qiáng)度較大。手工焊對焊工經(jīng)驗(yàn)及操作水平要求較高，主管道焊工培訓(xùn)及篩選周期通常要達(dá)數(shù)年，而自動焊焊工培訓(xùn)周期相對較短。到根據(jù)測算，采用自動焊工藝，主管道焊工人數(shù)將降低1/3，單臺機(jī)組焊接日工將減少50人月，造成焊工人力成本及相應(yīng)管理及培訓(xùn)成本下降預(yù)計750萬元。

1.5 在役電站遠(yuǎn)期效益分析

隨著國內(nèi)核電站的批量化建設(shè)，未來核電站運(yùn)營期間蒸汽發(fā)生器更換將趨于頻繁。

由于傳統(tǒng)手工焊工藝焊接效率較低，特別是在核電站維修期間，由于對人員輻射防護(hù)需要，單個焊縫焊接工期需要近60 d左右，而采用窄間隙自動焊工藝單個焊縫僅需20 d左右即可，以單臺100萬kW機(jī)組為例，每提前一天發(fā)電可創(chuàng)產(chǎn)值1000萬元人民幣，由此帶來提前發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益近4億元。另外，自動焊工藝在蒸汽發(fā)生器更換過程中的使用，大大降低了操作人員受輻照劑量水平，對人員輻射防護(hù)起到重要作用。

2 結(jié)語

采用主管道窄間隙自動焊工藝，由于自動焊坡口尺寸較小，焊接填充量將大幅減少，自動焊焊焊接工期相對傳統(tǒng)手工焊將有效優(yōu)化。

根據(jù)測算，采用自動焊工藝，單焊縫焊接工期將相對手工焊縮短15～20 d，核島安裝關(guān)鍵路徑工期縮短30～45 d，由此導(dǎo)致的商運(yùn)提前直接經(jīng)濟(jì)效益近2億元。

在當(dāng)今核電迅速發(fā)展的時代，三代核電及二代加核電并行發(fā)展的情況下，采用主管道實(shí)現(xiàn)窄間隙自動焊可以大大縮短安裝時間，提高主管道焊接質(zhì)量，提升核電站運(yùn)行的安全水平。

主管道窄間隙自動焊工藝的使用，將有效緩解國內(nèi)核電站批量化建設(shè)過程中，上游設(shè)備到貨滯后、焊工人力短缺，給現(xiàn)場安裝帶來的巨大工期壓力，為我國在建改進(jìn)型百萬千瓦級核電站主管道焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高，焊接工期的進(jìn)一步優(yōu)化，以及核電建造成本的進(jìn)一步降低起到積極貢獻(xiàn)。

并對國內(nèi)企業(yè)提前掌握未來核電站的蒸發(fā)器更換技術(shù)，填補(bǔ)主設(shè)備更換維修的技術(shù)空白具有基礎(chǔ)工作的意義。