中美AP1000鋼制安全殼底封頭制造與組裝工藝對(duì)比分析

晏桂珍　丁海明　王厚高（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽(yáng) 265118）

中美AP1000鋼制安全殼底封頭制造與組裝工藝對(duì)比分析

晏桂珍丁海明王厚高
（山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽(yáng) 265118）

鋼制安全殼是AP1000核電站的特有設(shè)備，既是反應(yīng)堆廠房的內(nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，防止放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散的屏障，也是整個(gè)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。封頭的制造和組裝工藝是鋼制安全殼制造和組裝的關(guān)鍵工藝。通過(guò)對(duì)我國(guó)和美國(guó)AP1000項(xiàng)目鋼制安全殼底封頭制造安裝情況進(jìn)行對(duì)比，從封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、組裝、焊接、運(yùn)輸和吊裝等方面分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以便為我國(guó)后續(xù)項(xiàng)目中的鋼制安全殼底封頭的制造和組裝提供經(jīng)驗(yàn)。

AP1000；鋼制安全殼；底封頭；組裝；工藝；對(duì)比

1 引言

AP1000鋼制安全殼為帶上下橢圓封頭的“自由站立式”圓柱形鋼制容器，是AP1000核電站的特有設(shè)備，它既是防止放射性物質(zhì)向外擴(kuò)散的反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)層屏蔽結(jié)構(gòu)，是核電廠縱深防御原則的最后一道安全屏障，也是整個(gè)非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)的重要組成部分。AP1000鋼制安全殼屬于ASME規(guī)范NE分卷MC級(jí)設(shè)備，材質(zhì)為SA738 Gr.B調(diào)質(zhì)鋼板。AP1000鋼制安全殼底封頭是內(nèi)表面長(zhǎng)軸為39.6m，短半軸為11.4m的橢球形封頭，封頭最小壁厚為41.3mm。底封頭外表面焊接有16個(gè)臨時(shí)短柱，在安裝就位時(shí)支撐固定在CR10模塊上。

到目前，正式批準(zhǔn)開(kāi)工建造的AP1000機(jī)組共有8臺(tái)，其中4臺(tái)在我國(guó)，另外4臺(tái)在美國(guó)。我國(guó)浙江三門(mén)1號(hào)機(jī)組為世界首次采用AP1000技術(shù)建設(shè)的核電站項(xiàng)目。

圖1 國(guó)內(nèi)項(xiàng)目底封頭臨時(shí)支撐柱位置圖

圖2 美國(guó)項(xiàng)目底封頭臨時(shí)支撐柱位置圖

2 底封頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的差異

我國(guó)建造的AP1000鋼制安全殼底封頭由4圈共64塊瓣片拼裝組合而成，由內(nèi)向外瓣片組合分別為第一圈2塊，第二圈6塊， 第三圈24塊和第四圈32塊，其中最大的第四圈瓣片環(huán)向展開(kāi)尺寸約4m，縱向展開(kāi)尺寸約10m。在核電站的施工現(xiàn)場(chǎng)， 64塊瓣片組裝焊接成一個(gè)完整的底封頭。底封頭外表面焊接16個(gè)臨時(shí)短柱，圓周均勻分布且全部位于第4圈瓣片的拼接縱焊縫上，如圖1所示。

美國(guó)在建鋼制安全殼底封頭由3圈共58塊瓣片拼裝組合而成，由內(nèi)向外瓣片組合分別為第一圈（內(nèi)圈）2塊，第二圈24塊，第三圈（外圈）32塊，其中第三圈瓣片在車(chē)間內(nèi)各由兩塊板拼焊而成。底封頭整體拼裝在核電站施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。底封頭外表面焊接16個(gè)臨時(shí)短柱，圓周均勻分布且全部位于第三圈瓣片單板的正中間，如圖2所示。

3 底封頭瓣片成型方式的差異

我國(guó)的底封頭瓣片采用單板中溫整體模壓成型，即采用特定型面的模具，將鋼板加熱到回火溫度以下，單板整體壓制成型，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)鋼板進(jìn)行邊緣切割加工。采用此工藝，瓣片的成型速度快，操作勞動(dòng)強(qiáng)度低，且瓣片的成型均勻性與一致性好，但是成型模具具有特殊性，每種型面的瓣片各需要一套模具。

從目前公開(kāi)的資料判斷，美國(guó)項(xiàng)目的底封頭瓣片應(yīng)為點(diǎn)壓成型或者分段模壓成型。模具的適用范圍廣，同一套胎具可壓制不同曲率的瓣片， 實(shí)現(xiàn)邊壓延邊校正曲率，缺點(diǎn)是單塊瓣片的成型用時(shí)長(zhǎng)，容易造成瓣片表面冷作硬化，成形效率和成形精度受操作人員的技能水平影響較大。

美國(guó)項(xiàng)目底封頭第三圈板的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，超過(guò)單張板的軋制要求，在車(chē)間內(nèi)需要由兩塊鋼板進(jìn)行拼焊。若拼焊后再成型，則需要增加一次焊縫NDE檢測(cè)工序；若成型后再拼焊，則增加組焊精度控制難度。

圖3 浙江三門(mén)底封頭組裝示意圖

圖4 美國(guó)項(xiàng)目底封頭及其組裝支架照片

4 底封頭組焊接工藝的差異

4.1 我國(guó)項(xiàng)目介紹

鋼制安全殼底封頭組裝過(guò)程中，采用從下往上、從內(nèi)向外的組裝方式，以底封頭內(nèi)表面的中心為基準(zhǔn)，逐步向上組裝，通過(guò)調(diào)整第4圈瓣片上口預(yù)留的100mm余量控制整個(gè)底封頭的最終高度與上口水平度。待64塊瓣片全部拼裝、調(diào)整完畢后，再進(jìn)行底封頭的整體焊接?，F(xiàn)場(chǎng)的焊接采用半自動(dòng)手工電弧焊。

為了便于底封頭組裝焊接過(guò)程中瓣片位置與形狀偏差的調(diào)整，設(shè)計(jì)制造了一個(gè)“鳥(niǎo)巢型”的底封頭組裝調(diào)整支架，如圖3所示。底封頭組裝支架是一個(gè)圓環(huán)形的結(jié)構(gòu)件，它由4圈支架連接成一個(gè)整體，每圈支架分別針對(duì)一圈封頭瓣片的組裝，在每圈中又相應(yīng)的由多個(gè)框架組成，每個(gè)框架可以單獨(dú)的支撐一塊封頭瓣片。在每個(gè)框架的頂端分別設(shè)置4 ～6個(gè)可調(diào)支撐，用于支撐和調(diào)整封頭瓣片的位置與形狀?？烧{(diào)支撐采用球形交接接頭與底封頭外表面接觸連接。

我國(guó)建造的浙江三門(mén)和山東海陽(yáng)AP1000項(xiàng)目為濱海廠址，且浙江三門(mén)雨季較長(zhǎng)，為減少雨雪天氣對(duì)底封頭組裝焊接工作的制約，建造了封頭組裝廠房。組裝廠房配備橋式起重機(jī)一臺(tái)，便于組裝過(guò)程中瓣片的搬運(yùn)。

4.2 美國(guó)項(xiàng)目介紹

美國(guó)項(xiàng)目底封頭采用從上往下、從外向內(nèi)的組裝方式，以底封頭上口為基準(zhǔn)進(jìn)行組裝，組裝一圈焊接一圈，通過(guò)調(diào)整最內(nèi)圈2塊瓣片的尺寸控制整個(gè)底封頭的形狀。

在底封頭瓣片整體組裝前，將16個(gè)臨時(shí)短柱與第三圈16塊瓣片分別組焊在一起，利用安裝在組裝地面上的16個(gè)立柱分別與焊有臨時(shí)短柱的16塊瓣片連接。待其中相近的2塊瓣片組裝完畢后，用組裝調(diào)整卡具將中間的1塊瓣片連接到一起，依次實(shí)現(xiàn)支撐整個(gè)第一圈瓣片。第二圈瓣片的上端通過(guò)調(diào)整卡具直接連接到第一圈瓣片的下端，其下端直接支撐在運(yùn)輸支撐環(huán)上部結(jié)構(gòu)上。第一圈2塊瓣片外圍通過(guò)調(diào)整卡具與組裝好的第二圈瓣片的下端連接固定，直接用調(diào)整卡具連接。

底封頭焊接采用自動(dòng)焊為主，半自動(dòng)焊或手工焊為輔，組裝一圈焊接一圈，其中第三圈板組對(duì)一塊板即焊接一塊板的縱焊縫。

美國(guó)項(xiàng)目的底封頭在室外組裝，所有瓣片的吊運(yùn)均采用汽車(chē)吊。底封頭的組裝工裝由第三圈的16個(gè)支撐立柱和第二圈運(yùn)輸支撐環(huán)兩部分組成。運(yùn)輸支撐環(huán)為一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，由中間的圓形環(huán)梁，下部支撐柱和上部結(jié)構(gòu)組成，其上部結(jié)構(gòu)的頂端為一個(gè)環(huán)形的圓管，第二圈瓣片通過(guò)線接觸支撐在圓管上，如圖4所示。

5 底封頭運(yùn)輸、吊裝方式的差異

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的底封頭組裝支架僅適用組裝、焊接，另行制造專(zhuān)用的運(yùn)輸支架。底封頭運(yùn)輸時(shí)，需要預(yù)先拆除四個(gè)運(yùn)輸車(chē)輛處的組裝支架，然后用專(zhuān)用運(yùn)輸支架和運(yùn)輸車(chē)輛，將底封頭整個(gè)頂升，再拆除其他的所有支架，實(shí)現(xiàn)底封頭的運(yùn)輸。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目底封頭采用均布8個(gè)吊耳進(jìn)行吊裝，主吊耳設(shè)置在焊接于第4圈板上端定位環(huán)的上表面。定位環(huán)為一個(gè)圓環(huán)形的加強(qiáng)環(huán)，其寬度為500mm～600mm，厚度為42mm，其作用一是控制第4圈板焊接過(guò)程中的變形，一是加強(qiáng)底封頭吊裝時(shí)上端開(kāi)口處的剛度。主吊耳通過(guò)8根可調(diào)拉桿，垂直連接一個(gè)直徑為40m的環(huán)形大吊梁，然后再通過(guò)吊索具與分配器、大吊車(chē)連接。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目吊裝示意如圖5所示。

美國(guó)項(xiàng)目的底封頭組裝支架可以直接將第二圈板的組裝環(huán)梁作為運(yùn)輸平臺(tái)，運(yùn)輸車(chē)輛將其頂升后，拆除外圍的16個(gè)支撐立柱即可實(shí)現(xiàn)底封頭的運(yùn)輸。美國(guó)項(xiàng)目的底封頭在第三圈板靠近單板下端中心處的內(nèi)表面均勻布置32個(gè)主吊耳，采用32根吊索具直接連接分配器、大吊車(chē)吊鉤進(jìn)行吊裝，如圖6所示。

圖5 國(guó)內(nèi)底封頭吊裝示意圖

圖6 美國(guó)項(xiàng)目底封頭吊裝示意圖

結(jié)論

通過(guò)上述各方面的對(duì)比分析可知：

（1）兩種底封頭瓣片成型方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)是需與制造單位的實(shí)際情況相結(jié)合進(jìn)行選擇。

（2）美國(guó)項(xiàng)目的底封頭臨時(shí)支撐立柱布置在瓣片的中間，利于用臨時(shí)支撐立柱作為底封頭組裝主支撐，組焊順序采用從上往下組裝焊接較適宜。

（3）美國(guó)項(xiàng)目采用自動(dòng)焊，焊接效率較高，降低了對(duì)焊接操作工人技能水平的依賴；但其組焊順序增加了焊接變形控制要求。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目采用整體拼裝完后再進(jìn)行焊接，方便調(diào)整整體形狀偏差；但全部采用半自動(dòng)手工焊，焊接效率較低，焊接質(zhì)量受人員的具體操作技能水平影響較大。例如在浙江三門(mén)1號(hào)機(jī)組底封頭組焊所有25份NCR中，原因?yàn)椤安贿m合的人員操作或技能”的比例高達(dá)60%。采用高效率的自動(dòng)焊技術(shù)，是后續(xù)鋼制安全殼制造的必然發(fā)展方向。

（4）國(guó)內(nèi)項(xiàng)目底封頭組裝、運(yùn)輸支架復(fù)雜，運(yùn)輸時(shí)支架拆除和后續(xù)機(jī)組的重復(fù)使用復(fù)位繁瑣，但易于調(diào)整控制底封頭的組焊成型精度。美國(guó)項(xiàng)目底封頭組裝、運(yùn)輸工裝簡(jiǎn)潔，運(yùn)輸方便，但底封頭組焊成型精度控制難度相比較高。

（5）國(guó)內(nèi)項(xiàng)目底封頭吊裝僅承受垂直方向的載荷，第四圈板上口預(yù)留了100mm的余量，吊裝就位后吊耳的拆除方便；但整套吊索具制造成本大，吊索具載荷試驗(yàn)繁瑣。美國(guó)項(xiàng)目吊裝方式免除40m直徑的大吊梁和定位環(huán)，成本低，但在直徑小于4m分配器上設(shè)置32個(gè)主吊耳，分配器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（6）國(guó)內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)組裝廠房，成本相對(duì)較高，但符合項(xiàng)目所在地多雨雪的氣候需要，可以避免雨雪天對(duì)工期的制約。

經(jīng)國(guó)內(nèi)4個(gè)AP1000核電項(xiàng)目的工程驗(yàn)證，我國(guó)AP1000鋼制安全殼底封頭制造、組裝、焊接、運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中的全套工藝及其工裝，能夠確保直徑近40m的橢圓形底封頭最終形狀偏差向內(nèi)向外不超過(guò)一個(gè)壁厚（41.3mm）的設(shè)計(jì)要求。從上對(duì)比可知，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目重點(diǎn)在變形控制方面具有優(yōu)勢(shì)；但在底封頭組裝工裝、自動(dòng)焊實(shí)施和吊裝工藝等方面具有較大改進(jìn)空間，應(yīng)在后續(xù)AP/CAP系列鋼制安全殼底封頭的制造和組裝過(guò)程中作為重點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

[1]林誠(chéng)格.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2010：190-193.

[2]朱繼洲.壓水堆核電廠的運(yùn)行[M].北京：原子能出版社，2000：111-112.

[3]趙旭，李會(huì)永.大型壓水堆鋼制安全殼頂封頭現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝[J].壓力容器，2013（03）：67-70，80.

[4] http://www.southerncompany.com/ nuclearenergy/photos.aspx. Southern Company. Construction Video and Photos[OB/L].

[5] http://www.sdnpc.com/news/ companynews/2014/0429/3149.html.山東核電設(shè)備制造有限公司.山東海陽(yáng)核電項(xiàng)目二號(hào)核島CV底封頭成功吊裝就位[OB/L].

[6]吳濤.球形封頭瓣片冷壓成形制造方法[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2008，29（06）：20-23.

[7]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)（第2卷），沖壓-3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[8]蘭學(xué)文，周少麗.AP1000鋼制安全殼拼裝焊接變形控制[J].中國(guó)核電，2014 （06）：134-139.

[9]http://www.smnpc.com.cn三門(mén)核電有限公司.建設(shè)中的三門(mén)核電2009年6月[OB/L].

[10]柳勝華，張瑞，楊世峰，等.核電站鋼制安全殼吊裝方案及分析[J].第五屆全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會(huì)論文集，2014 （07）：412-415.

[11]http://www.snpec.com.cn/new/ detail-240.html.國(guó)核工程有限公司.世界首套三代核電鋼制安全殼底封頭成功吊裝就位[OB/L].

[12]李子朋，吳玉林，崔恩志，冀斌.AP1000鋼制安全殼底封頭拼裝項(xiàng)目管理方案研究[J].項(xiàng)目管理技術(shù)，2012（06）：25-28.

TL364.5

A