三维数字技术在AP1000核电站的开发和应用研究

张 驰，张学斌，方奇术，王兆希，赵文韬

(1.山东核电有限公司，山东 海阳 216600；2.国家电投集团电站运营技术(北京)有限公司，北京 120029)

AP1000属于双环路的压水堆，每个环路包括一条热腿、两条冷腿，两台主冷却泵并列运行，吸入口直接焊接在蒸汽发生器的底部。AP1000机组的主要特点[1-2]有：专设高度可靠的非能动设计的安全系统，简化了厂房和系统，节省投资并将堆芯熔化概率降低了两个数量级；采用模块化设计施工、3D设计、虚拟建造、数字化电厂等技术提高设计质量，优化进度缩短工期；堆芯装载Robust燃料组件，提高机组经济性；核蒸汽供应系统设计寿命60年，堆芯高富集度，18个月换料设计，加强堆芯反射层，主管道LBB设计等；灰棒调节堆功率，无须调硼进行负荷跟踪；全数字化监测、控制和保护系统。

AP1000在设计中采用了结构模块和设备模块两类，结构模块由各种型钢焊接连接而成，作为建筑结构的一部分；设备模块由设备、管道、仪表、阀门、支架以及固定用的型钢等组合而成[3]。模块化布置可以减低主厂房布置的设计强度，总平面的组合布置灵活多变，可较好的适应不同厂址的要求，模块化使原先传统上采用顺序进行的施工可以平行进行，可以通过减少在现场的施工量而缩短核电的建设工期，大量的施工工作在制造厂完成，可以更好地保证施工质量。然而大规模的模块化在提供各种便利的同时给现场大件运输和吊装工作带来较大的风险和挑战[4-5]。

三维数字模型在核电的模块化设计、建造以及运维等各个阶段都得到了广泛的应用和研究，本论文主要介绍三维数字技术在AP1000蒸汽发生器模拟体隔间模块设计及安装上的开发和应用，在AP1000的WLS系统KB16模块维修更换上的开发和应用。

1 AP1000蒸汽发生器模拟体隔间模块设计的数字技术应用

1.1 蒸汽发生器模拟体隔间模块设计过程中的数字技术

为满足AP1000蒸汽发生器模拟体隔间模块的特定维修演练拆装的使用功能，同时降低隔间模块内设备的设计、制造和维护成本，数字化技术贯穿于隔间模块的整个设计和安装过程，主要包括：

1)根据功能设置选定隔间模块的几何区域范围，完成三维模型中隔间模块的空间范围和空间布置等信息的初步设计。

2)从隔间模块的几何空间区域中选择进行模块化设计的对象类，隔间模块中的对象类主要包括钢结构、设备、管道和支吊架等，以后因为模块安装和运输需要添加的临时支架、钢结构和管道等。

3)根据功能要求进行隔间模块内对象类的属性设计：几何尺寸属性、材料属性、表面加工质量、焊点和焊材属性等的设计；模块内对象类的质量、重心属性、吊点属性等二次属性等的校核；

4)各对象类设计过程中，同步进行隔间模块内对象的组装设计和干涉校核，形成隔间模块内对象的组合件和整体布置图，隔间模块内各对象类的关联数据修改时同步实时更新。

5)隔间模块内对象类的施工图设计，三维模型图及三视图，形成部件清单图册，工厂预制、现场安装。其中各对象类分模块组装完成后的隔间模块模型图如图1所示。

图1 对象类分模块组装隔间模块图Fig.1 Modular assembly diagram ofobject class sub-module

1.2 蒸汽发生器模拟体隔间模块设计过程中数值模拟计算

按照特定维修演练拆装等使用要求下的不同工况，以及ASME相应的设计规范，对各分模块进行强度校核和分析，本设计实例中以容器分模块为例，如图2所示，建立相应的几何模型，分析与其他相连接的分模块的边界条件，包括与钢结构相连接边界、与泵设备相连接边界、与支撑结构相连接的边界，设定相应的几何边界条件和载荷边界条件。

根据2.1中提供的对象类属性中的材料属性，进行特定维修演练拆装等不同工况下的计算，获得在某设备安装演练工况下的整体结构的应力水平和整体位移水平如图3所示，评估应力水平和位移水平对隔间模块特定维修演练拆装等不同使用工况下的安全性和准确性。

图2 几何模型及边界条件Fig.2 Geometric model and boundary conditions

图3 某工况下的容器分模块的整体位移和应力水平Fig.3 Overall displacement and stress level of acontainer sub-module under certain operating conditions

1.3 蒸汽发生器模拟体隔间模块安装过程中强度校核

根据设计规范对理想情况下各种工况的应力和位移进行了计算和评估，而根据现场实施条件和安装单位的安装控制精度，一方面验证1.2节中的设计工况应力值，一方面控制安装工况下各种偏差引起的装配应力。

根据1.2节中设计工况下各个分模块的应力和位移计算值，选取各分模块应力水平较高位置为测点，测量各个安装工况下的应变应力值，如图4所示。

图4 某分模块设计应力较高位置的应变测量Fig.4 Strain measurement in a sub-modulewhere the design stress is high

以应力水平较高的测点5为例，在某安装工况下测点5的纵向应变为-297.5 με，横向应变-216.9 με，45°方向应变-130.8 με，计算获得面内第一主应力为-107.3 MPa，面内第二主应力为-88.9 MPa，满足该工况下该份模块的设计要求。

2 AP1000的WLS系统KB16模块维修更换的三维数字技术应用

2.1 KB16模块三维模型复现

KB16模块属于核岛内橙区，目前根据经验反馈，已经有多次的维修更换零部件，因为空间狭小，造成了一定的检修难度。AP1000核电站商运后，KB16模块属于橙区，必然需要通过设计检修方案控制检修时间，减少人员辐照剂量，并且有利于减少大修工期。

三维技术应用的第一步为通过三维激光扫描仪对现场进行测绘复现，如图5所示。将模块内按类别分为分模块：管路模块、钢结构模块、风管模块、构筑物模块、设备模块等。

图5 KB16模块三维模型Fig.5 3D model of KB16 module

各分模块分别建立后，再将各分模块通过功能配合和几何连接构成KB16模块，通过CAE软件进行分模块之间的功能检查和几何配合检查，保证KB16模块的完整。

2.2 KB16模块维修更换的三维技术

根据预防性维修大纲，需要对其中电机进行解体检查，通过CAE软件设计电机设备吊出的行走路径，如图6所示，根据行走路径(红色所示)及设备几何形状，自动判断空间中可能干涉的设备、管线和支架(红色所示)等，通过设计多个位置吊点，优化行走路径，确定较少的切割工作量和顺利的行走方式。

2.3 KB16维修更换

根据电机解体大修程序提供的解体工序和步骤，采用CAE软件实现演练(Composer)，做到按步骤依次使用工器具，按拆卸方向和角度进行解体、拆卸后的零部件设计摆放位置和空间；采用CAE软件统计需要的工器具清单、人工时统计及空间位置布置，形成详细的方案以便于演练或者按方案操作实施。

图6 KB16模块中泵和电机Fig.6 Pump and motor in the KB16 module

3 结束语

AP1000采用了模块化设计施工、3D设计、虚拟建造、数字化电厂等技术，优化缩短了工期，提高了设计和建造质量，三维数字技术在设计建造和运行管理中获得了充分的应用。

本文以蒸汽发生器模拟体隔间模块为例，对设计和安装过程中的数字化应用做了介绍，包括模块几何区域内的空间布置设计、按对象类进行分模块的设计、个对象类属性的设计、分模块的组装设计和干涉校核；设计过程中的数值计算，根据对象类属性中的材料属性，进行特定维修演练拆装等不同工况下的安全性和准确性计算；选取各分模块应力水平较高位置为测点，采用数字技术测量各个安装工况下的应变应力值。

模块技术的使用使得核岛内空间紧凑，给检修工作带来一定的困难，本文以WLS系统KB16模块的检修为例，通过数字模型技术检查分模块之间的功能匹配和几何配合；通过设计多个位置吊点，自动判断空间中可能干涉的设备、管线和支架等，优化设计电机设备吊出的行走路径；采用CAE软件统计需要的工器具清单、人工时统计及空间位置布置，形成详细的方案，有利于演练或者按方案操作实施。