CPR1000核岛主管道自动焊效益分析
时间：2022-08-14 01:48:21
摘 要：该文通过介绍核电站主管道窄间隙自动焊工艺的开发和主设备及主管道安装焊接逻辑优化，并成功在CPR1000项目上实施成果，系统的分析CPR1000核岛主管道自动焊实施对核电站主管道焊接质量的进一步提高，焊接工期的进一步优化，以及核电站建造成本的进一步降低起到积极的贡献：采用自动焊工艺，单道焊缝焊接工期将相对手工焊缩短15～20 d，核岛安装关键路径工期将由此缩短30～45 d，由此带来商运提前直接经济效益近2亿元。中国改进型百万千瓦级核电站主管道自动焊的成熟应用，也将为我国后续自主完成三代AP1000及EPR堆型自动焊技术提供强有力技术准备。
关键词：窄间隙自动焊 安装逻辑优化 核岛安装工期
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-04
CPR1000核岛主管道是指连接反应堆压力容器、蒸汽发生器以及主泵等主设备的管道，主要功能是为堆芯提供冷却剂，设计寿期为40年、运行压力为15.5 MPa、温度为283.6 ℃，属于核电站一回路承压边界。
CPR1000核岛主管道施工质量直接关系到核电站全寿期安全运行，并且主管道焊接处于核岛安装关键路径，也是整个核电站建造的关键环节，其工期直接影响到核电站冷试及商运等关键节点。相比手工焊，采用主管道窄间隙自动焊可以进一步提高主管道焊接质量，保障核电站全寿期运行安全水平，有效优化施工工期，降低建造成本，创造显著的经济效益。
1 主管道自动焊效益分析
1.1 CPR1000主管道自动焊的实施情况
2011年1月20日，国家核安全局发函批准中广核在建宁德核电站主管道焊接，采用中广核工程有限公司开发的窄间隙自动焊工艺，目前宁德核电站1#、2#机组主管道焊接、红沿河1#、2#机组主管道焊接以及阳江1#机组主管道自动焊接已经顺利完成，这也标志着我国后续在建核电机组已经全面进入主管道自动焊工艺时代。
主管道窄间隙自动焊工艺的开发，及以此为基础进行的岛安装关键路径和施工逻辑研究，适用于我国的核电站建造及维修各个阶段，其主要应用领域包括：
在建CPR1000核电厂主回路管道焊接；
在役核电技术蒸汽发生器更换过程中主管道焊接；
三代AP1000及EPR堆型核电站主管道焊接。
目前，此项工艺已经明确的实际用户有包括：红沿河核电有限公司、宁德核电有限公司、阳江核电有限公司、广西防城港核电有限公司。另外，由于核电站蒸汽发生器更换过程中必须采用主管道焊接技术，未来在核电站维修过程中，此技术将具有更加广阔的使用前景。
1.2 施工质量
中国改进型百万千瓦级核电站主管道自动焊工艺的成功开发，及在宁德核电站、阳江核电站等项目建设中的应用，填补了我国核电建设领域的一项空白，标志着占我国通过自主创新，掌握了主管道窄间隙自动焊工艺。
主管道窄间隙自动焊工艺的开发，及以此为基础进行的核岛安装关键路径和施工逻辑研究，将为我国在建改进型百万千瓦级核电站主管道焊接质量的进一步提高，焊接工期的进一步优化，以及核电建造成本的进一步降低起到积极贡献。同时，也将为我国自主开展三代AP1000及EPR堆型核电站主管道焊接提供强力技术基础。
该工艺通过采用窄间隙坡口型式，减少了焊接填充量；通过采用多层单道焊接，实现焊接过程的精密控制；针对焊缝根部、填充和盖面等区域制订了详细的、对应明确的和有合理调整范围的工艺参数；通过采用氩氦混合气体保护方式，提高电弧稳定性和穿透性，降低了未熔合缺陷产生的概率。通过示范工程和推广应用证明：该工艺满足主管道焊缝的焊接，焊接一次合格率高、质量稳定。首次将超声检测技术（UT）应用于核电站厚壁不锈钢管道焊缝检测。采用多种角度双晶聚焦探头、多通道超声检测分析系统、与主管道同材质的试块及分层扫查方法以适用厚壁铸造不锈钢焊缝的超声检测技术。该技术提高了对未熔合缺陷的检出率和定位精度，与射线检测（RT）形成良好互补，确保了焊接质量。
1.3 建造进度
由于自动焊坡口尺寸较小，焊接填充量将大幅减少，自动焊焊焊接工期相对传统手工焊将有效缩短。根据实践经验，采用自动焊工艺，单焊缝焊接工期将相对手工焊缩短15～20 d，核岛安装关键路径工期缩短30～45 d，由于核电工程建设工期优化，提前发电将会带来巨大的经济效益，以单台100万kW机组为例，每提前一天发电可创产值1000万元人民币，则自动焊实施带来商运提前直接经济效益近2亿元（考虑自动焊实施导致商运提前权重为60%）。
1.3.1 CPR1000主管道自动焊与手工焊的工期对比
在焊机和焊工资源充足的情况下，考虑几个环路同时开始焊接，其中冷热段69 d，1环77 d，2环77 d，3环74 d，CPR1000主管道自动焊标准工期为105 d，手工焊工艺基础上的焊接工期为125 d左右，根据自动焊接的实际工期，手工焊与自动焊工期对比如下图1。
通过上述分析可知，如果全面采用成熟的主管道自动焊，可使主管道焊接的总工期从手工焊的4个月缩短到2个月，核岛安装关键路径能缩短1个月左右。
1.3.2 主管道自动焊工期数据统计
目前，主管道自动焊工艺已在宁德1#机组、阳江1#机组、红沿河2#机组顺利实施并已焊接完成，各项目的有效工期如下表1。
1.3.3以宁德1#机组为例进行安装进度分析
宁德主设备到货进度如表2。
根据上述主设备的到货情况，以及岭澳二期核岛主回路安装的工程实践，对宁德主回路安装计划进行了全面优化，安装计划中主设备安装逻辑关系、安装工期，主管道焊接逻辑、焊接工期以及与土建、EM4接口关系及时间等，都是参考岭澳二期赶工实际情况，局部进行了优化调整。核岛主回路安装主要逻辑关系如下：
核岛主设备的安装顺序为：SG1―SG2―SG3―RPV；
主管道焊接顺序：蒸发器40度弯头主管道冷热段焊接完成50%过渡段U4焊口焊接50%过渡段U2/U6焊接50%主管道焊接全面完成；
主设备、主泵、RVI、主管道焊接、堆腔钢结构的安装工期主要参照岭澳二期实际工期，并根据岭澳二期经验反馈进行合理的优化；
堆腔水池试验参照岭澳二期在冷试后进行；
主管道实际焊接逻辑如下：
焊接顺序：焊接U1口―焊接冷热段―焊接过渡段
焊接U1口过程中，监测U2口的水平度，20 mm前每半天测量一次，20 mm以后每天早上测量一次；
U1口焊接尽早焊接完成，以腾出焊机给冷热段焊接，在焊接U1口的过程中可完成一个产品见证件的焊接。
冷热段焊接，先焊接弯头后焊接直管。冷段和热段可同时焊接，亦可分开焊接。
焊接冷段过程中监测主泵水平度及中心，主泵水平度每天测量一次，焊接热段过程中监测SG中心及垂直度；
冷热段焊接完成后，进行过渡段测量并加工坡口。
过渡段焊接（除U1口）先焊接U4口，待U4口焊接至一定程度，U2口和U6口达到组对可焊接状态时，暂停U4口焊接，同时进行U2口和U6口的焊接待焊接厚度答至少15 mm厚，最好是30 mm厚度时，同时进行U4、U2、U6焊口的焊接直至100%焊接完成。
宁德1#机组核岛主回路安装进度见图2。
按照以上焊接逻辑及8台自动焊焊机资源，焊接工期为75 d。实际情况为：U1焊口不在主回路安装的关键路径上，其工期优化对关键路径无贡献，自冷热段（1C4）2011年5月25日开始焊接至2011年8月19日焊接结束，整个焊接周期为87 d，除掉因安全整顿停工的一个多星期，实际焊接周期为79 d。岭澳二期4号机组最快的情况下为102 d。
由此可见，采用主管道自动焊工艺，使得核岛主设备安装在关键路径上节省了一个月的时间。
1.4 人力、材料成本
1.4.1主管道焊材成本降低
采用窄间隙自动焊，单个焊缝焊材消耗量仅为15～20 kg左右，而传统手工焊单个焊缝焊材消耗量为100～120 kg，而手工焊焊条相比不锈钢焊丝价格也更昂贵。根据测算，单台机组采用自动焊焊材成本将降低330万左右。
1.4.2焊工人力成本节约
传统手工焊，需要焊工数量较多，焊工劳动强度较大。手工焊对焊工经验及操作水平要求较高，主管道焊工培训及筛选周期通常要达数年，而自动焊焊工培训周期相对较短。到根据测算，采用自动焊工艺，主管道焊工人数将降低1/3，单台机组焊接日工将减少50人月，造成焊工人力成本及相应管理及培训成本下降预计750万元。
1.5 在役电站远期效益分析
随着国内核电站的批量化建设，未来核电站运营期间蒸汽发生器更换将趋于频繁。
由于传统手工焊工艺焊接效率较低，特别是在核电站维修期间，由于对人员辐射防护需要，单个焊缝焊接工期需要近60 d左右，而采用窄间隙自动焊工艺单个焊缝仅需20 d左右即可，以单台100万kW机组为例，每提前一天发电可创产值1000万元人民币，由此带来提前发电经济效益近4亿元。另外，自动焊工艺在蒸汽发生器更换过程中的使用，大大降低了操作人员受辐照剂量水平，对人员辐射防护起到重要作用。
2 结语
采用主管道窄间隙自动焊工艺，由于自动焊坡口尺寸较小，焊接填充量将大幅减少，自动焊焊焊接工期相对传统手工焊将有效优化。
根据测算，采用自动焊工艺，单焊缝焊接工期将相对手工焊缩短15～20 d，核岛安装关键路径工期缩短30～45 d，由此导致的商运提前直接经济效益近2亿元。
在当今核电迅速发展的时代，三代核电及二代加核电并行发展的情况下，采用主管道实现窄间隙自动焊可以大大缩短安装时间，提高主管道焊接质量，提升核电站运行的安全水平。
主管道窄间隙自动焊工艺的使用，将有效缓解国内核电站批量化建设过程中，上游设备到货滞后、焊工人力短缺，给现场安装带来的巨大工期压力，为我国在建改进型百万千瓦级核电站主管道焊接质量的进一步提高，焊接工期的进一步优化，以及核电建造成本的进一步降低起到积极贡献。
并对国内企业提前掌握未来核电站的蒸发器更换技术，填补主设备更换维修的技术空白具有基础工作的意义。
