（山东核电有限公司 烟台 265116）
摘要：AP1000采用第三代核电技术，在设计和建造方面具有许多新特点，模块化建造是AP1000主要特点之一，而大型结构模块最能集中体现AP1000模块化建造的优点和特点。本文通过大型结构模块建造特点的分析介绍，同时结合工程实践，对大型结构模块建造过程中的质量控制重点进行总结。
关键词：AP1000；核电；结构模块；质量控制
AP1000模块简介
1.1模块的概念
所谓模块就是指由相对密集布置的钢结构、设备、管道、电气、仪表等组装形成的相对独立的整体单元。AP1000模块化，是通过最大化的模块设计、建造，实现土建与安装的平行作业，最终达到缩短工期的目的，同时大量建造工作在制造厂、组装场内完成，减少现场安装工作，也有利于保证建造质量。
1.2模块的分类
AP1000模块分为结构模块和机械模块。机械模块又分为设备模块、管道/商品模块、服务性模块。每台机组机械模块共58个，其中核级模块7个；结构模块分为CA、CB、CH、CS模块，每台机组结构模块共115个。
1.3典型大型结构模块CA20、CA01、CA03的介绍
CA20由32个墙体模块和40个楼板模块组成18个房间，安装在辅助厂房5&6区内，标高从66′6″ 至135′3″，长21.4m，宽14.2m，高20.7m，其功能包括乏燃料的贮存、传输、热交换及废物收集与处理等。CA20模块净重819t，吊装总重量1046.41t。
CA01 模块是反应堆厂房中蒸汽发生器和燃料通道模块，呈“T”字型结构，模块外型尺寸为28.271m×28.956m×23.469m，共由47只个子模块组成，总重约856.11t，吊装重量约为1053.2t。CA01 结构模块就位于反应堆厂房1、2、3、4 区域EL83′的底板上，顶标高为160′。CA01模块结构复杂、子模块形式多样，其组装中的尺寸、变形控制是建造中的难点。
CA03模块位于安全壳厂房1、2区，用于构成安全壳内置换料水箱（IRWST）的池壁。该模块整体呈弧形，弦长约35.5米，矢高约14米，高约13米，自重约209.7吨，由17个双相钢子模块通过焊接而成。CA03模块底标高为96′，顶标高为137′10″。由于CA03不是封闭、稳定的结构，其组装、运输和吊装过程中的变形控制是建造的难点。
1.4模块建造的特点
大型结构模块最能集中体现AP1000模块化建造的优点和特点，AP1000大型结构模块建造主要特点如下：
（1）模块重量大、外形大、形状复杂，多为板式结构，且大部分面板为壁厚12.7mm的薄板，建造过程中吊装、运输、变形控制难度大。
（2）建造过程的主要步骤如下：子模块工厂化预制、子模块运输至组装场、现场组装、运输至吊装场地、整体吊装就位。
（3）大量使用ASTM A240 S32101 双相不锈钢代替传统的奥氏体不锈钢。
（4）墙体采用钢板混凝土结构代替传统钢筋混凝土结构，大量使用剪力钉。
（5）焊接工程量大，涉及材料种类多，结构形式复杂多样，需运用多种无损检测方法和工艺。
（6）部分模块的钢敷面属核安全相关部件（如CA20乏燃料水池，CA01和CA03、CA02组成的换料水池）。
2大型结构模块建造的质量控制重点分析
目前，AP1000自主化依托项目的4台机组的主要大型结构模块已预制组装完成，笔者根据模块建造的工程实践，对大型结构模块建造过程中的质量控制重点内容介绍分析如下：
2.1大型模块的尺寸、变形偏差控制
大型结构模块尺寸大、重量大、板式结构、形状复杂、施工接口多的特点，决定其建造过程中的尺寸、变形偏差控制难度非常大。因后期纠偏极其困难，因此过程中尺寸及变形控制非常重要。
尺寸、变形偏差控制要点如下：
（1）模块预制、组装、运输、吊装的每一个工序都应加强尺寸、变形偏差的控制。
（2）模块预制必须确定合适的唯一的模块基准点/线（DP），建造过程中所有的尺寸、开孔位置必须参照基准点/线（DP）进行控制。
（3）焊接过程中的变形控制措施：下料尺寸应考虑焊接变形效应；焊接时采取合适的反变形措施；选择合适的焊接坡口形式（如采用双面焊坡口形式）和焊接顺序。
（4）运输过程加装临时支撑，防止运输过程中产生较大变形。
（5）子模块组装过程中要注意累积偏差的控制，防止子模块尺寸偏差超标、组装后整体尺寸偏差超标的情况发生。
（6）吊装过程中的变形控制：对单板结构、不规则形状（L形、T形、弧形）等易变形的模块应采取加固措施（如CA03模块）；预制、组装中吊装宜采用两台吊车用长吊梁同时操作；正确设置吊点位置极其重要。
2.2双相不锈钢焊接的质量控制
AP1000结构模块大量采用双相不锈钢ASTM A240 S32101，如CA20模块的乏燃料水池、CA01、CA03、CA02组成的换料水箱钢敷面均为双相不锈钢。S32101首次在国内核电运用，其焊接无相关工艺可借鉴，S32101双相不锈钢的焊接是结构模块焊接质控的重点和难点。其焊接质控要点如下：
（1）S32101有冲击韧性的要求（-40冲击功不小于27J），工艺评定应记录最大热输入量，工件焊接时应控制热输入量不大于PQR记录最大热输入量。
（2）S32101为双相不锈钢，工艺评定焊缝铁素体含量应在35~65%。
（3）焊接时控制层间温度不低于10℃，不大于150℃，冬季施工，当环境温度低于10℃度时，应采取必要的温控措施。
（4）核安全相关模块焊接的焊工应取得HAF相应资格证。
2.3剪力钉螺柱焊质量控制
为了更好地实现土建与安装的平行作业，AP1000结构模块的墙体采用钢板混凝土结构代替传统钢筋混凝土结构。结构模块设计有大量剪力钉，仅CA20和CA01的碳钢剪力钉数量就达51000多个，不锈钢剪力钉数量约88000个。如此多的剪力钉，其焊接采用高效率的螺柱焊工艺是首选，补焊或不具备螺柱焊焊接条件的情况下使用手工电弧焊。
剪力钉材质有两种，一种是用于碳钢板的A108碳钢剪力钉，另一是用于双相不锈钢板的316L不锈钢剪力钉。一般认为，剪力钉的螺柱焊工艺具有效率高、操作相对简单、质量易于控制等优点，从之前的工艺评定和实际焊接的情况看，碳钢剪力钉螺柱焊质量易于控制；双向不锈钢与奥氏体不锈钢剪力钉的螺柱焊工艺，对焊接参数变化和设备工况变化非常敏感，是结构模块剪力钉焊接质量控制的难点和重点。
双向不锈钢与不锈钢剪力钉的螺柱焊质控要点如下：
（1）WPS应严格按照规范和技术规格书评定合格。
（2）焊接操作工应经专项培训考核合格，并取得相应资格证。
（3）焊接设备应具有数显功能，并配备焊接专用监控系统，对焊接电流、电压、时间等参数进行实时监控记录；定期进行维护保养；每天核实焊枪提升高度和插入深度。
（4）每个焊接操作工，在每班正式焊接前，应连续试焊10个剪力钉，全部经目视检查合格并经30°弯曲试验合格后，方可正式焊接。
（5）焊前要对剪力钉外观进行检查，检查焊剂小球是否破损脱落。
（6）陶磁环应保持干燥，若受潮应进行烘干。
（7）检查要求：100%目视检查；每焊100个对最后1个剪力钉进行15°的弯曲试验，当表面温度低于10℃时应补加1个进行30°的弯曲试验，如弯曲不合格，按焊接时间顺序进行扩大排查；每张板抽15%的剪力钉进行熔化值测量，熔化值低于2.5mm应分析原因，并进行15°弯曲试验验收。
2.4无损检测的运用
无损检测是焊接质量控制的重要手段。大型结构模块的焊接工程量大，运用的焊接方法工艺众多（手弧焊、气保焊、螺柱焊等），涉及材料种类多（碳钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢等），接头形式多样（角接接头、对接接头、T接头等），模块施工需运用多种无损检测的方法和工艺，检测技术难度较大。方法选择和工艺制定是结构模块无损检测的难点和重点。
大型结构模块无损检测运用要点如下：
（1）检测方法选择的主要原则：铁磁性材料表面检测优先选用MT；双相不锈钢焊接接头的内部检测优先选用RT；根据每种检测方法的适用性、焊接工艺、结构特点、材质、可能产生的缺陷等，进行综合分析，选择合适的检测方法。
（2）检测时机的选择：对ASTM A514、A517 钢和A709 100 及100W 级钢焊后至少48小时方可检测。
（3）双相不锈钢焊接接头超声检测（UT）：双相不锈钢焊缝晶粒粗大且各向异性，检测时会产生草状回波，检测信噪比较低，须制作焊接模拟试块进行工艺验证；双相不锈钢声学特征不同于碳钢，必须特制同材质的双相不锈钢试块，以用于探头测试及仪器调试。
（4）例外无损检测工艺的验证：如采用标准规范以外的检测工艺，必须制作焊接模拟试块进行工艺验证。
（5）UT检测带垫板焊接接头时，根部回波信号易误判，可用射线检测进行辅助判断，必要时去除垫板进行MT/PT加以判断。
3对后续AP1000项目的建议
（1）设计文件要求对ASTM A240 S32101双相不锈钢板材验收进行晶间腐蚀试验，但是对S32101双相不锈钢的焊接工艺评定却未作晶间腐蚀试验的要求。建议后续项目对S32101双相不锈钢的焊接工艺评定增加晶间腐蚀试验的要求。
（2）模块焊接接头外观质量是按照AWS进行验收的，由于AWS相关验收标准缺少便于操作的量化数据，各方在验收时经常产生争议。建议后续项目可参照国标标准编制可量化的焊缝外观验收标准。
（3）子模块预制、模块组装、安装就位的形位误差控制标准应统筹考虑，可适当提高子模块预制形位误差标准。
参考文献：
[1]山东核电有限公司 AP1000模块化施工教材
[2]美国焊接协会 AWS D1.1-2000，AWS D1.6-1999
作者简介：
王飞（1973-），男，工程师。
论文作者:王飞1,杨虹2
论文发表刊物:《电力设备》2015年4期供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：模块论文; 剪力论文; 结构论文; 不锈钢论文; 过程中论文; 质量控制论文; 工艺论文; 《电力设备》2015年4期供稿论文;