AP1000 機械模塊設計分析

楊志全 歐彥佑

（中國核電工程有限公司，中國 北京 100840）

0 引言

AP1000 是我國從美國西屋公司引進的第3 代壓水堆核電站，其特點是采用非能動安全措施和模塊化設計。因為模塊化設計可以提高電站施工質量和加工、 安裝效率， 所以模塊化設計被廣泛的應用在AP1000 電廠中，模塊主要有結構模塊，機械模塊，電氣模塊，和模塊互連管道。 機械模塊是各類模塊中比較重要的一類模塊，包含各類設備和工藝管道，甚至鋼結構，通風結構和電氣，儀表等，因為其結構復雜，形式多樣，涉及的接口眾多，故其在設計時需要考慮很多方面的內容。此外，在后期的制造和安裝過程中，機械模塊可能出現的問題也需要在其設計階段就考慮進去，以盡量避免制造和安裝時的問題，減小制造安裝難度。因此，模塊的具體設計成為了最重要的環節。以下本文將對機械模塊設計時需注意的問題進行分析。

1 機械模塊的概述

1.1 模塊化設計的概念

模塊化即采用模塊式設計，之后將模塊部件在工廠建造，成為獨立的運輸單元，以便后期在現場由螺栓或者焊接連接。 在被安裝到相應區域之前，模塊中所有的系統部件都要裝配好。采用模塊化方式，電廠可以在設計時將同一系統的一部分物項設計在同一區域內，或者將不同系統和功能的物項劃分在同一區域，這些物項都預裝集成在同一結構框架上，作為一個整體單元運到現場，在現場被拼裝成更大的模塊或者直接安裝到電廠中。

1.2 機械模塊的定義

機械模塊內包含如泵、換熱器、風機、空氣處理機組、過濾器等設備，這些設備和與之相連接的管道、閥門、風管、托盤、儀表、電纜和支架等安裝在一個共同的鋼結構框架上。 預先布置并組裝在一起后，作為一個整體單元安裝到廠房的指定區域。 按照設計，模塊有一定的系統功能，是工藝系統的一部分。 模塊內材料和部件應該盡量在加工制造階段把測試和試驗做好，以便盡可能減少現場試驗。

1.3 機械模塊的分類

1.3.1 設備模塊

設備模塊包含工藝設備，例如：泵、換熱器、風機、空氣處理機組、過濾器、箱罐、閥門、儀表、泵等。

1.3.2 管道模塊

管道模塊不含泵、箱罐以及熱交換器等主要工藝設備，管道模塊主要包括管道、閥門、風管、托盤、儀表管以及相應的支撐，與結構鋼架結合在一起形成永久支撐。

1.4 機械模塊安全分級和抗震分類

1.4.1 安全分級

機械模塊包含安全相關和非安全相關的機械模塊。 從設計、材料選擇、制造加工、試驗、質保、吊裝要求，安全模塊與非安全模塊均不相同。安全相關承壓邊界部件（承壓容器管道）的設計、加工、試驗應滿足ASME“鍋爐和壓力容器規范”第III 卷、第1 冊的要求。 非安全相關承壓容器應滿足ASME“鍋爐和壓力容器規范”第VIII 卷的要求。

1.4.2 抗震類別

AP1000 核電廠中模塊抗震類別有三種，抗震I 類、抗震II 類及非抗震類。

抗震I 類的模塊是核安全類模塊。 這些模塊應設計成可以抵抗SSE 安全停堆地震的影響，并維持支撐系統的設計功能以及支撐系統的完整性。

抗震IIA 類和IIB 類模塊是非核安全類結構，在SSE 地震下它的失效可能會導致核安全類結構、支撐、管道、組件或設備喪失功能。 這些模塊應設計成在SSE 期間能維持結構完整性。 抗震類模塊用于支承非抗震類管道應按抗震IIB 類設計。

非抗震類模塊是非核安全類的結構，它們的失效不會造成核安全相關結構、管道和設備的支撐或支架或設備等物項的功能的損壞。 它們支撐非核安全、非抗震類管道及設備。

2 機械模塊設計分析

機械模塊的設計應考慮結構、設備、管道、電氣、暖通及其他系統建造的可行性、可操作性、可維護性。 在布置設計過程中，應注意模塊布置需要滿足模塊內所有部件在安裝過程中和完成后的通道和維修空間要求。 同時，選擇適當的材料，進行部件標準化設計，優先安裝順序，并進行放射性與非放射性區域以及系統的一體化建造。

設計初期，模塊化布置需考慮選定模塊的位置和空間范圍，與電廠中其他結構和硬件設施的關系，以及其他相鄰模塊接口的關系等。

因此，機械模塊的設計應遵循以下準則和步驟：

2.1 機械模塊的設計準則

因為機械模塊包含結構支撐、工藝設備、工藝管道、通風和電氣設備等，所以模塊的設計是工藝系統設計的必要組成部分，模塊的設計必須要符合系統的設計原則并滿足系統功能。 此外，還要滿足模塊本身的受力要求，滿足工廠加工制造，現場組裝的一般要求，以及模塊的吊裝、維護和運輸的要求。

機械模塊中的設備模塊基于以下準則：

1）模塊布置應滿足通道及模塊內所有的部件的維修空間要求，應提供吊耳或者吊軌用于移動較重的組件。

2）總的來說，重設備應放在模塊中比較低的位置，如有要求，在某些重設備下面還需要做抗震加固。

3）儀表板應設在模塊中便于操作員監控的一側，接線盒、端子板、壓縮空氣、電源等應靠近儀表板設置。

4）應注意日常維修保養和操作員的可達性，支撐柱應盡量做到最少。

5）如果兩個或者多個模塊運到施工現場需要連接到一起，這些模塊應在制造裝配過程中進行相應的測試，以確保運輸到現場后能夠順利連接，連接處的管道現場焊接時應保證公差在1/8 英寸內。

機械模塊中的管道模塊基于以下準則：

1）管道支撐應在模塊結構上，管道錨固應位于模塊之外。

2）除特殊說明，所有的現場管道連接均采用焊接方式。

3）在建造、運輸、安裝過程中施加在結構支撐部件上的吊裝力應在設計中考慮。

2.2 機械模塊的設計步驟

2.2.1 綜合布置

進行模塊設計時，首先應完成模塊綜合布置圖，顯示模塊中的所有管道，設備/零部件，通風系統管道以及電纜托盤。 綜合布置圖還應表示出模塊邊界，特殊接口要求和管道支撐。

把設備和不同系統組合到一起并確定合理的模塊分界，要注意考慮安全、冗余、防火以及防水等方面的合理分界要求。用詳細的布置圖或者3D 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載荷，外形尺寸不能超過規定的限值，重量和尺寸還要根據運輸的限制要求進一步調整。

2.2.2 初步應力分析

綜合布置完成后，進行初步應力分析，分析模塊吊裝、運輸以及建造過程中可能產生的載荷組合。

2.2.3 模塊本身的總體布置

在初步應力分析的基礎上，進行模塊本身的總體布置。

模塊需要經過組裝、運輸、檢驗、測試、安裝就位、連接、清洗、啟用、維護，這些環節都要在布置設計階段考慮進去。由于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，并考慮各組件的局部安裝公差。

2.2.4 最終應力分析

以上完成后進行最終應力分析及分析報告。

2.2.5 施工制造圖

確定模塊總體設計無誤，力學分析結果合格后，將機械模塊中的結構框架和管道分開進行編制詳細的制造圖以便于工廠加工。

2.3 設計后續環節的經驗反饋

完成設計后，在工廠加工、包裝、運輸和現場安裝過程中產生的問題需要反饋到設計中，通過經驗的反饋修改設計，不斷提升設計水平，使設計日臻完善。

3 結論

綜上所述， 核電站模塊化設計可以提加快核電站的建造進度，降低電站的建造成本，提高生產效率和工程質量。但同時，也注意到模塊化設計涉及多個專業，接口復雜，需要處理的信息量很大，容易出現新的設計、制造和安裝問題，這就需要設計人員在采用模塊化設計時注意遵循設計準則，遵守相應設計規范，通過制造廠和安裝現場的多次反饋，增加設計經驗，不斷改進，使模塊化設計的優點最大化。