0. 引言

我国核电已进入到安全、高效的发展时期，随着市场化进程的推进，核电业主对缩短建造工期，降低工程造价和提高工程质量越来越提出更高的目标要求，模块化建造技术势在必行。

目前核电工程机电工程范围中，管道工程量占比约为总机电工程量的40%，针对目前大型机械撬块颠覆现有核电工程设计、建造模式，在不改变原有设计的基础上，利用已完成的设计模型，进行深入分析，提出符合现有建造模式的高效管道模块设计方法，并从多方面进行评估和验证，为我国后续先进堆型模块化技术发展提供参考。

1. 高效管道模块简介

高效管道模块是由建安单位主导实施的、针对于在核电工程建安阶段开展的现场二次设计的预制管道段模块，是将物理空间中布置相对集中的管道、三通、异径管、弯头（弯管）等管部件，以及阀门、在线设备、支吊架等物项，利用临时工装进行固定，实现同批预制、转运和安装。该类型模块具有操作灵活、体积小、物项少、数量多、方便转运等特点，且在建安阶段极大程度上将现场焊接工作量转移至车间，适用于在核电工程建安阶段大面积开展。

1.1与土建单位接口

该类型模块的实施使部分机电物项施工不受土建施工进度影响，在土建施工阶段同步开展模块预制，实现土建/机电的平行施工；且该类型模块不改变土建作业流程，不必由于模块的引入改变预留洞口、吊物孔等尺寸的更改，也不需要另行增加二次浇注区域。在土建交付后，通过引入路径将模块引入目标房间进行安装。

1.2 与上游设计接口

该类型模块的实施由建安单位完成，不改变上游管道布置设计，只是在管道轴测图中改变焊口位置，从而不占用上游设计周期。同时，在该类型模块设计过程中同步进行安装问题梳理、及时发现设计问题并向上游设计反馈，既保证了设计的完整性，也一定程度上减少现场设计变更量，缩减了建设周期。

2. 高效管道模块实施过程

2.1 设计流程

首先借助上游设计单位的三维模型进行模块化区域概选，通过分析其引入路径确定该区域可引入物项的最大尺寸和模块化施工可实施性；经过模块拆分、工装设计和相应的力学计算进行模块的具体实施方案设计，高效管道模块实施过程如下图所示：

2.2 高效管道模块概选

高效管道模块概选是基于上游设计的完整三维模型中进行，通过筛选确定合适的可模块化区域，该类型模块概选一般原则如下：

1) 应具有一定的合理性和经济性，应充分考虑模模块的方便性、可行性及安装时的可达性要求。

2) 适应运输限制。充分调研核电项目厂址与模块预制厂址间的运输状况，根据运输道路的宽度、限高、承载能力等限制条件确定模块的最大尺寸、重量。

3) 与整体建造进度相匹配。施工模块概选应满足工程整体建造进度、采购计划、预制计划和安装作业的均衡性。

4) 减少现场施工工作量。施工模块应能大幅度减少现场工作量，引入、安装简易，不应以模块化安装增加现场施工难度。

5) 选择安装环境要求高的区域，以降低现场复杂环境对物项安装的影响。

6) 选择布置复杂、布置紧凑、现场安装困难的区域。

7) 宜选择存在密闭空间施工的区域。

8) 选择根据进度安排，需重复搭设脚手架进行安装的区域。

9) 施工模块概选区域内不宜包含精密设备，避免增加保护成本，避免精密设备在模块运输期间造成损坏。

10) 不宜包含电动阀、气动阀、安全阀、流量计等不易保护的物项

11) 选取管道布置密集，三通、弯头、手动阀门等管件较多、焊口数量多的区域，降低现场施工量。

2.3 引入路径分析

高效管道模块区域概选完成后，应根据土建施工图纸，结合建筑规划图进行引入路径规划和分析，确保高效模块可以进入到目标区域进行安装。

模块设计人员应联合施工班组、厂房负责人及施工经理等召开引入路径讨论会，共同对引入路径进行分析。引入路径分析时，应综合考虑施工进度计划，充分考虑已安装物项对引入物项的影响，且引入房间内部空间尺寸需满足模块运输安装的空间要求，必要时还应进行BIM模拟验证。

2.4 模块划分

由于高效管道模块是由建安单位主导，为保证设计单位三维模型唯一性，故模块划分不宜在已有三维模型中实施，需在新建立或者复制的三维模型中进行。新建立的模型应与原设计模型一致。

1) 模块形状规整化，模块形状应选择偏方正的规则形状，便于管道模块工装的重复利用以及模块整体的运输和吊装；

2) 划分安全性原则，不因进行模块化划分，产生不安全因素，如给预制、运输、吊装、现场安装带来安全风险；

3) 维持原设计边界要求，不改变中核工程公司管道轴测图边界，优先考虑将轴测图当中的预制管段集成为模块；

4) 接口形式简单化，结合预制、安装等因素，做到接口形式简单，接口偏差易于纠正，实现接口连接可行，如模块与设备接管处，设置现场调整焊缝，管道下料多预留100mm，保证连接可调，避免因偏差导致的无法连接问题；

5) 施工工艺的合理性，模块划分应尽量将现场焊接工作前移至车间，同时考虑脚手架搭设作业面位置，尽量保证模块接口作业处于同一作业面，并尽可能减少高空作业；

6) 考虑模块结构合理性，保证模块本身具有足够的刚性，以便吊运；

7) 与建造整体匹配原则，满足工程建造进度、预制计划和安装作业的均衡性，高效建造；

8) 模块固定应尽可能减少临时材料的使用；

9) 模块边界的现场焊口不应设置在墙角、穿墙及其他复杂位置。

2.5 工装设计

由建安单位主导设计的高效管道模块不改变上游设计，故用于转运模块的工装均为临时工装。

临时工装的设计应满足模块整体本身结构的合理性、安全性，并应能够重复使用，以免造成材料的浪费。同时，工装框架材料尽可能采用通用型材，以免增加物项采购难度；非标件尽可能少，避免增加制造难度和成本。通用型工装如下图2所示：

图1：高效管道模块临时工装

同时，临时工装的设计应满足现场安装的需要，不应因设置工装而造成安装复杂化，故用于固定管道的管卡需设置为快装、快拆管卡。

为避免在模块转运过程中快拆管卡对管道外表面造成划痕等伤害，快拆管卡内部还应设置保护垫层，材料一般为聚四氟乙烯垫或聚氨酯橡胶棉，在保护管道外壁的同时还能减少管道在转运工程中的震动，从而达到保护管道模块的目的，如下图4所示:

图2：快拆管卡保护垫

2.6 力学计算

高效管道模块的力学计算工况主要分为运输、翻转和吊装工况，不包含系统运行工况。其中运输工况为模块平放于车斗在水平加速度作用下的运输工况；翻转工况为模块在水平放置情况下通过吊起吊耳位置使模块竖直翻转的工况；吊装工况为模块本体起吊直立后通过吊装进行高度抬升至安装位置的作业工况。同时还应对非标部件进行力学评价，例如吊耳承载力、连接管卡零部件强度计算等。

力学计算一般应用ANSYS软件进行建模分析，采用 BEAM189 单元对整体的管道及梁结构模块进行分析模拟，其中管卡连接采用建立约束方程绑定管道及梁结构 3 个位移自由度方式进行连接模拟。同时，模块进行力学计算时，还需进行相应的模块重心计算，确定吊耳位置。

图3：管道模块稳定性计算

2.7 文件汇总

高效管道模块设计文件一般包含引入路径说明、管道设计图册、工装设计图册、力学计算图册。

管道设计图册中包含高效模块就位图、模块示意图、管道清单等文件。模块就位图应按比例绘制，清楚表达模块与周边物项的空间关系。模块示意图需清楚表示模块的空间尺寸、管道图号及管道号、及特殊物项编号；同时还应在某一管道转弯处定义DP点，用于模块的精确定位，DP点应和该物项在管道轴测图中的定位点一致；图纸中还应体现模块重量及重心位置、对应工装编号，方便模块制造和安装。管道清单为包含模块中相应管道的图号、管道号及管段号、对应的焊口编号，以及管道模块的三维截图，方便制造时相应管道图纸的查找及管道下料。

工装设计图册包含工装及模块总装图、零件图等

3. 结束语

核电工程采用高效管道模块设计后，使得部分管道系统的安装工作从施工现场转移到条件比较好的工厂进行，可以大幅度的减少现场管道安装施工时间，使得土建和安装平行实施，在缩短核电工程建设周期的同时，大大降低了现场交叉作业，减少安全事故和质量事故的发生，提高了核电工程的本质安全。

参考文献

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[2] 中国核工业二三建设有限公司.华龙一号堆型-漳州项目模块区域概选技术报告[R].北京市：中国核工业二三建设有限公司，2021.

[3] 中国核工业二三建设有限公司.示范快堆堆型-霞浦示范快堆2号机组中央大厅和蒸汽发生器工艺间模块概选技术报告[R].北京市：中国核工业二三建设有限公司，2021.

[4] 韩小萍，鲁勤武、李轶.核电站管道段模块化施工技术[J].电力建设，2012.

作者简介：王帅成(1985.10-)，男，汉族，河北保定，大学本科，工程师，研究方向：核能工程先进建造技术。