1.前言
“碳达峰、碳中和”是我们当前工作和生活讨论的热词，核能作为安全、经济、高效的清洁能源，是实现“碳达峰、碳中和”目标重要的选项，受到了国家战略的青睐，核能工程的研究也得到了迅猛发展，国内各科研院所、高校开展核能工程科研实验装置建设也日益增涨。但传统的实验装置粗放型建造模式难以适应现有实验室建设环境和项目精细化管理的需要，许多科研院所、高校在实验装置建设实施过程中在不断寻求好的解决方案，来规避凸显出来的问题。模块化建造技术的应用，能很好地把实验装置工艺系统集成设计，将设备、管道、仪表、电气等组装成相对独立功能的个体，高效高质量地完成其建造。
2.核能工程实验装置建造特点
核能工程实验装置是围绕核电站安全、可靠运行，开展诸如核能装备材料的设计与制备、核燃料循环技术与装备、辐射防护、放射性废物处理与处置等方面研究工作的实体，其建造特点有如下四点。
1）特殊建造场地，安全文明施工要求高。
核能工程实验装置一般位于科研院所、高校等单位的实验厂房或实验室内，多用于科学实验的实验台架和精密仪器或设备。特殊的建造场地，就要求新工程建设时，施工安装单位必须按照规范、标准要求及业主的特定要求，采取切实可行的技术措施，例如做好施工区域封闭围挡，减少施工噪声，降低环境污染，杜绝施工垃圾遣散，防止扬尘等措施，以免造成原有高精尖的设备破坏，给国家带来不可挽回的损失。
2）施工安装场地狭小，施工干扰大。
核能工程科研实验装置项目建设规模一般不大，且占地面积较少。它们的施工安装场地是科研人员在原有的实验室场地上规划挤压出来，或者说是在原来实验装置或台架上的拆除或重建。施工安装的加工预制场地和材料堆放场地有限，这样给我们的安装工序或多或少会带来一定的干扰和影响，带来大量的材料倒运工程量，导致施工安装作业面衔接不顺畅等。另外，业主单位可能还存在其它的科研实验，定期的试验巡检、外部人员参观活动等，这些活动也会对施工安装造成干扰，影响实验装置建造的进程。
3）设计标准高，工程质量要求严格。
核能工程实验装置是用于核行业特定条件下的实验用试验台架或工艺系统回路，是未来核技术发展的重要组成部分，其建设的标准本身就比较严苛；然而业主单位为促成装置早日建设完成，以达成试验的目的，一般会要求设计单位按最高标准开展设计，这样对工程建设的质量要求会较高。施工安装单位就必须遵守规范、标准的要求，组织实施各项管理高目标、严制度、多熟练技术工人、创新技术措施等来保证工程质量。
4）施工安装周期短，工期一般比较紧。
核能工程实验装置项目一般采取总承包项目管理模式，项目的进度、质量、安全和成本由总承包单位统一安排。实际上，业主单位科研人员的设计理念或设计参数也会反复修改，例如温度、压力、腐蚀系数等等，这些修改均会对施工图设计、采购工作产生影响，有的甚至会对工程设计造成颠覆性的改变。实验装置工程总承包项目前期策划与设计工作是不断完善的过程，业主单位总是在力争追求完美，不到最后时刻，工程设计或施工图设计是无法定论，总承包项目单位可掌控的物项采购、施工安装工期会大幅的压缩。
3.核能工程模块化的发展与优势
模块化建造是一种现代先进施工技术，以其标准化设计、工厂化预制在石化、造船、桥梁、海洋工程、装配式建筑等领域成熟应用。模块化核心理念是：转移现场工程量；扩大车间工作量；实现工作环境改善、工作效率提高、产品质量提升；具体体现在设计标准化、集成复合化、体量大型化、实施规模化。模块化建造技术能实现核能工程项目建设安全、质量、经济的全面提升，是解决我国目前核能工程安全高效批量建设与资源短缺矛盾、保障质量安全的有效措施，也是我国核能工程技术“走出去”的必然要求。
核能工程科研实验装置是新核电堆型某一系统或装备的实验性产品，其装置的建设和运行对我国的核能工程发展有着重要的意义，模块化技术的实施也必然会带来核工程技术的革新。在核能工程实验装置建造中推广应用模块化技术有以下四点优势。1）能显著缩短建设工期；2）；能提升工程建设的质量管理水平；3）能有效提升工程建设的管理水平；4）能推动工程设计进一步优化。
4.实验装置模块化技术实施关键技术
4.1项目管理模式实施
模块化建造是一个复杂系统工程，各环节是一个有机的整体，相互制约，相互促进。一个好的项目管理模式的实行，会对实验装置模块化建造实施起到事半功倍的效果。实验装置工程实施模块化建造一般以设计为主导的EPC总承包项目管理模式，总承包商负责整个项目的实施和管理。总承包商在了解业主单位的设计理念后，随即开展施工设计前的调研和建立设备供应商分包商、采购分包商、运输分包商、安装分包商的资料库。总承包商根据业主要求和各阶段分包商的能力进行项目模块划分，确定模块划分的方案，确定模块采购、制造和安装等各阶段的分包商，制定模块建造实施的总体计划。项目各分包方按照实施方案和总体计划编制各自的实施方案和实施计划，并报总承包和业主审批批准。项目设计单位以模块化方案和设计计划进行设计，各分包商按照审批的方案和实施计划同时开展工作。总承包和业主建立强有力的项目管理机构，对整个项目的各参与方进行有效的管理和监督。
4.2模块化设计技术
模块最重要的技术特征是具有独立的功能和结构，功能的实现是通过合理的系统分解、划分实现。结构设计是把项目物项按照一定的要求进行有效布置设计，是实施模块化技术的主导和关键。实验装置模块化设计实施关键技术包括系统划分、布置设计、施工(加工)图设计、力学分析等步骤。
模块系统划分是从设计的角度着眼项目的整体功能，又考虑模块的相对独立性。实验装置项目对象是包含多个工艺流程和复杂设备管道系列，要成功达到模块化的预期，既要以功能的实现和工艺系统划分为基础，合理的系统规划至关重要。
为提高实验装置建造可行性和经济性，模块布置划分应使占地面积减少，布置空间更为紧凑。因此模块布置除了遵从核行业规范标准要求，还需要充分考虑模块中阀门操作及设备维护，并考虑检修和检查所需要的空间，甚至是设备、阀门等更换的空间。与常规施工方法相比，由于模块化建造的运用，设备和管道的组装不受安装场地空间的影响，可以使布置更加紧凑，进而缩小模块的尺寸。由于设备的维修与操作空间减少，会增加布置及支撑设计的难度，也对模块总体布置人员技能提出了更高的要求。
模块在系统划分、布置设计完成后，设计单位还需根据模块内安装物项组成，制定模块出图方式、内容和深度，确定好模块与外界接口规则，开展模块施工图/加工图设计，临时支撑和永久支撑的设计，以满足不同分包商的工作需求。制造分包商需要管道预制图册、零部件加工图，安装分包商需要吊装图、就位图等，运输分包商需要运输指示图等等。
模块力学分析主要是开展模块在运输、翻转及吊装等工况下受力变形情况，确保模块的刚度、强度和稳定性满足各种工况要求，不发生失稳事故，提高模块施工安装的可靠性。力学分析是对模块框架结构应能承受所有水平和垂直方向的荷载的复核，荷载分静荷载和动荷载，静荷载是由支撑部件引起的荷载叠加；动荷载是管道阀门节流、管道断裂或震动产生的力。设计者应依据力学分析结果，在钢结构框架上设置工艺管道、阀门、电缆托架、电气仪表设备必要支撑，设计支撑不得超出钢结构框架的空间范围，针对吊装、运输过程中的动荷载还应增加临时支撑，以保障建造过程中的安全。
4.3模块化建造技术
核能工程实验装置模块化建造技术分为模块化制造和安装两部分内容。
模块化制造一般在工厂化的制造厂内完成，施工工序主要包括钢结构预制（钢框架）、管道预制、支撑件预制和模块的组装等。各施工工序组织与流程和现场安装差别不大，但各施工工序间的施工顺序需重新规划和调整，需根据工艺特点、模块划分、模块分层布置等诸多因素对模块化制造工序的先后顺序进行设计。另外，模块化制造还需考虑模块的组装完成后，进行必要的检查和检测，明确主控项目和一般项目，例如动静设备的单机调试、转动试验，管路的水压试验等，以免漏掉试验，或者现场安装重复试验。模块化制造在核工程实验装置的应用，使得工程物项安装与土建平行或提前建造，优化了劳动组织，简化了工艺程序，有效的降低了成本，也可以大大缩短建造周期。
模块化安装技术主要包括物项接收、吊装、测量及监测技术，还包括精确定位、成品保护、模块间或模块边界接口连接精度控制等技术。模块吊装技术主要是规划相应的吊装及安装区域平面布置，进行吊装设备选型、配套吊具及工装选型和设计模块测量及监测技术，根据模块的结构特点，针对模块吊装变形矫正技术，以确保模块的刚度、强度和稳定性满足吊装工况要求，不发生失稳事故。模块精确定位包括模块主体安装就位调整技术和附件安装就位技术。模块精度控制是针对模块就位公差识别、控制，提前反馈问题，确保模块快速精准就位，并实现动态纠偏。
4.4模块化运输技术
实验装置模块化运输主要采取公路运输，涉及到装车的准备工作，模块装车，模块运输，模块卸车等工作。装车的准备工作包括模块清洗，模块检查，装车车辆的选择，车辆的调试和试运行。模块装车主要是模块运输方根据设计要求编制模块装车方案，保证模块出厂安全。模块装车方案是对模块设计的再次检验，通过模块框架结构和内部结构的受力分析，给出模块保护方案或措施，模块装车方案编制完成后应报总包单位审批。模块运输方案根据模块情况和车辆情况对模块运输路线进行选择及模块安全保护措施的技术性分析。通过模块运输方案的制定确定最佳及经济性路线，确保模块顺利及时到达施工安装现场。模块卸载同模块装车过程，但是在卸载之前需详细评估实验室场地空间范围和地面的承载力，以免造成对业主实验室原有环境的破坏。
5.结语
模块化建造已经广泛应用于各行各业，作为一项先进的建造新技术，其专业化、标准化、智能化生产能提高核能工程实现装置建造工程质量、降低成本、提高效益，促进核能工程建造可靠性和安全性的发展。模块化技术无疑是对传统核能工程实现装置建造模式的一种探索，它是建造理念的革新。因此，借鉴其他行业工程中模块化设计、建造的成功经验，并针对实验装置的结构特点，逐步探索模块化探索科研装置、实验堆、示范堆、商用堆等模块化实施之路，为新型号工程落地建设发挥更大的技术引领作用。
参考文献
[1]王修来,庄阳,姜维等.LNG站场模块化建造研究[J]. 中国造船,Vol.51,2010,12:340-344
[2]陆伟东,徐学光.模块造船的实施方法.造船技术,1996,(4):9
[3]宋连琪,倪鹤明,李陵等.论证研究、设计建造思想的更新—模块化新概念[J].船舶工程,1996, (2);
[4]方小朋，沈文荣，等．AP1000核电项目模块化施工建造管理研究中国核科学技术进展报告（第一卷）[R]．2009.
[5]鹿松,王坦,魏俊明.AP10000管道系统安装的模块化施工[J].中国核科学技术进展报告（第二卷）,2011年10月.
作者简介：覃涛(1981.12-)，男，汉族，湖北枝江，大学本科，高级工程师，研究方向：核能工程先进建造技术。
