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(1.中核二三秦山机械厂，浙江 海盐 314300;2.晋能清洁能源科技股份公司，山西 晋中 030600;3.西安理工大学，陕西 西安 710048)

核电的特征是运行平稳，持续提供绿色环保的高效电能。在选址、环境评价、社会公众影响评价后，核电建设进入设计、设备制造、第三方监理、建筑安装、调试、试运行和运维管理阶段。依据英国能源技术研究所《核能成本驱动因素》的数据，直接成本占投资总成本的33%。相对于火电、化工项目而言，核电建设周期长很多，如秦山一期，1983年6月1日破土动工，1991年12月15日零时15分首次并网发电，历经8年；秦山二期，1996年6月2日第一罐混凝土浇筑，1号机组，2002年2月并网发电，历时7年；秦山核电厂一期扩建项目——方家山核电工程，2008年12月26日正式开工建设，2014年11月04日方家山核电工程1号机组成功并网发电，历时5年。

核电建设运用成熟稳定的技术，且经质保监督多次论证可行性，才被允许实施。安装技术借鉴的成功经验在于预制，预制技术源于设备制造。秦山二期装备国产化率55%，二期扩建77%，方家山国产化率达到80%以上。设备是成品，利于运输与贮存。而核级管道，初始状态是原材料管材、管件、阀门，预制的成品管段运输、保管、贮存成本较高，常就近建厂预制，分类预制，结合土建工程进度、图纸与建筑的符合性，以期达到较高的核电厂整体预制率95%。

1 预制标准体系

ASME标准第Ⅱ卷引用ASTM(American Society of Testing Materials)标准，ASME标准(见图1)由11卷组成。与核电建设相关的卷册是第Ⅱ卷材料A、C、D册，第Ⅲ卷核动力装置设备第1册NB、NC、ND、NE、NF、NH分册，第Ⅴ卷无损探伤，第Ⅸ卷焊接和钎焊评定，参照标准ASME Ⅷ。

图1 ASME管段预制标准体系Fig.1 The standard system for ASME pipe segment prefabrication

从国外进口的材料，在按照ASME标准验收的基础上，还需要满足我国HAF系列标准的要求，即性能指标不低于国家或行业标准。在秦山一期管道预制期间，从国外进口的优质钢材对我国金属材料行业的发展具有重要意义，优质低碳钢、低合金钢、不锈钢得以广泛应用，压力容器落锤试验等冲击韧性指标获得认可。

2 设计规范和图纸会审

设计技术规范文件是管道预制的上游文件，由监理组织建设单位、设计单位、设备供应商、建筑施工单位、安装施工单位审核答疑。管道预制厂组织内部审核技术规范、图纸，审核的依据文件是系列标准。

预制厂基础审核要点如下：

1)技术文件中技术指标值的可行性，如水压试验ASMEB16.5规定1.5倍、1.25倍；设备与管道水压试验压力不同，系统水压试验的措施；奥氏体不锈钢超声波检测；晶粒度分级测量方法；管道与设备接口的水压试验替代检测方法。水压试验与气压试验的选择。

2)管道与设备、阀门的连接方式；焊接连接、法兰连接，管径大小，材质。

3)系统图的逻辑关系。

4)管道图标高确定，复核设备接口标高、仪表管取样点标高。

5)计算管道长度与标高距离的符合性。

6)根据管道标高值，计算管道敷设的倾斜度1‰。

7)根据管道标高值、土建房间尺寸，确定焊接困难位置及解决方案。

8)确定管道、支架材质、规格，确定业主调拨和自购的可行性。

9)根据管道、支架的材质、规格，确定焊接材料的型号规格，及采购的风险。

10)管材与管件标准尺寸核算。

预制厂基础审核成果如下：

1)管道预制图设计，包括自动焊接预制图和二次预制手工焊接预制图；

2)仪表小管现场布置图设计；

3)管道及支架的预制方案及监督检查见证要点；

4)管道预制焊接施工方案；

5)非标制作与材料代用的可行性。

3 预制厂房布置

核电厂选址距10 万人口以上的城镇发展边界应不小于10 km[1]，预制厂选择在核电厂上风方向，不超过10 km，靠近核电应急主干道。

预制车间布置的总体要求是不同类别管道预制有独立足够的操作空间，相互之间协作便捷，检查见证可达性好，见图2。

图2 预制厂房布置Fig.2 Layout of the prefabrication building

不锈钢管道和碳钢管道预制车间相互隔离，避免不锈钢产生碳扩散污染，车间内有二级库房，临近原材料和成品管段堆场，配套有喷砂防腐车间、焊接工艺研发中心和职工培训中心、计量室。

4 质量计划管理

ASME的检验计划，即质量计划是核电建设的新文件，与传统的工艺流转单相比，缺少了工序具体要求，减少了一物一工序一单的繁杂流程，将工序集成在一份文件中，且以技术标准、技术规范、工作程序的形式代替具体工艺要求，增加外部人员监督检查见证签字栏。

质量计划是预制工作的纽带，是操作人员、试验检测人员、质量检查见证人员对工作质量认可的文字依据。管道预制工作利用好质量计划，工作流程顺畅，检查见证及时，实体工作与文档资料同步，做到工完料净场地清。

管道预制以主质量计划为依据，按系统编制质量计划，按厂房房间内管段分成检验批。

焊接专业根据主质量计划，按系统编制分质量计划，按系统将管段焊缝按同焊接工艺、同焊工、同比例的三同原则和时间段形成检验批。

管道支架按图纸统计型号，分类制作，分批检验。

质量计划的基本内容有先决条件、预制焊接及检验工序、质量计划关闭。质量计划栏目设置有班组操作人员、预制厂之间人员、驻厂监理人员、业主代表签字栏，必要时可增加预制车间质检员栏目。质保监督人员对质量计划实施过程中的偏差，及重点工序、关键工艺、核级部件的预制焊接实施有计划的监督。

5 管道预制材料管理

预制材料费用占总费用的70%以上。预制材料包括不锈钢管道、碳钢/低合金钢管道、管件、焊接材料、钢板、型材、法兰、五金阀门、油漆等工程材料，依据物项贮存条件管理，且ASME材料的质量证明文件必须有ASME或ASTM标志、逐根水压试验结果。

管道、钢板、型材、焊接材料按规定实施入场检验，化学成分、物理性能(包括冲击韧性)指标不低于ASME标准或相应的国家标准，奥氏体不锈钢应检验铁素体含量。

不锈钢和碳钢管件、五金阀门、法兰采用不同库房存放；材料堆场的管道、钢板、型材上有遮盖，下有道木垫高，且不锈钢和碳钢分区域存放；焊材一二级库房恒温恒湿，焊材烘干房禁止人员随意走动；油漆建立危险品库房，通风防晒。

管道、管件、阀门两端采用端盖封堵，保证内部清洁。

氩气、氧气、乙炔，以及二氧化碳气体设置在较偏位置的气体仓库；角向磨光机等施工用工具、周转材料等的管理按工程材料管理模式惯例，验收入库，登记入账，出入库一物一单，账务两清，月报年报账物两平衡。

6 管道支架预制

管道支架质量对管道系统的抗腐蚀性能、抗震性能有着较为密切的联系。按照管道支架样本图纸批量制作、检验，喷砂防腐后编号，入库贮存待交货。

支架材质是碳钢，贮存期间避免生锈。不锈钢管道和支架之间的不锈钢隔离垫铁，采用异种钢焊接工艺，避免支架型材污染不锈钢工艺管道，且垫铁和型材边缘的距离能满足焊接尺寸要求。

防止管道膨胀位移的框架型支吊架，接触管道下侧的垫铁，左右两侧靠近建筑墙面一侧的两块垫铁在预制厂完成，另外两侧在管段安装现场完成。

吊架和墙面连接端，长度留有一定余量，用于现场装配尺寸调整。

7 碳钢管道预制

核级不锈钢标识元素是低C、S、P百分比含量和清晰的晶界。

管道材料来自业主调拨，数量受限，采用机械方法切割，加工坡口，以节省原材料。

组对前，按质量计划先决条件检查预制图纸、焊接工艺指导书、管道材料质量证明文件、焊材管理，以及规格尺寸。

管道下料的尺寸计算要精确，将加工余量、现场组对加工调整量、焊接收缩量考虑在内，确保成品管段尺寸符合加工图纸要求。

碳钢管道组对台架稳固，与待组对焊接的管道接触良好，可用作电焊机接地夹的连接。待焊部件轴线对中偏差不超过1/16 in。组对点焊采用对称四点定位焊，长度不少于10 mm，厚度不低于3 mm。在正式焊接前定位焊磨除，减少接头焊，提高整体焊接质量。焊接完成后打磨焊缝表面纹路打磨，与母材圆滑过渡。

低合金钢焊前预热、层间保温、过程消氢热处理、焊后热处理采用电控热处理装备。焊前预热受限使用火焰加热，避免加热不匀，导致金相组织各异，硬度不一，在焊接或冷却过程中产生微裂纹。依据技术文件有热处理要求的焊缝，无损检测在焊接/热处理完成后24 h或48 h实施。

预制管段喷砂后，将管段两端封堵，端口、焊缝及两侧20 mm范围内采用粘胶带封闭，然后防腐处理。

支管焊接接头仅用于非承压焊缝，且采用全焊透坡口型式(见图3)。

图3 支管全焊透焊缝Fig.3 Full penetration welding of branch pipe

8 不锈钢管道预制

核级不锈钢标识元素是Co[2]、B和δ铁素体含量。

不锈钢与碳钢的区别是对清洁度要求较高，不锈钢硬度低，且需防止被铁素体材料接触形成渗碳污染，可采取不锈钢钢搬运、支垫、切割、打磨和焊缝检验尺等专用措施，以及隔离碳钢打磨产生的粉尘、浮锈。管道内部采用不起毛的白布擦拭和丙酮，保证内部清洁度。

不锈钢管道组对支架，采用碳钢支架上加装不锈钢薄板隔离层。不锈钢管道焊接采用全氩、氩电联合焊接工艺，内部充氩保护，采用测氧仪检测氩气排气孔，氧浓度在1%范围内即可施焊。根据焊接工艺指导书选择偏小规范焊接。焊接完成后焊缝表面纹路打磨清理，与母材圆滑过渡，焊缝表面至少与母材表面齐平。不锈钢晶粒较粗大，超声波检测幻象波与缺陷波形的波形混淆，难以区分。采用每三层实施一次液体渗透检测的方式，达到厚壁管道焊接等同超声波过程检测的效果。

不锈钢弯管预制的弯曲半径不小于管径的3倍，壁厚减薄≤80%t(t——管道公称壁厚)。

预制完成的管段，外部采用防碰撞隔离物，保管在仓库或专用堆场内。

9 阀门水压试验

管道系统的分流功能由三通等管件实现，截流或节流功能由阀门实现。在运维过程中，管段的维护，以阀门为界，阻断介质流动。若阀门内漏，则需要采用液氮冰封阀门两侧，抽芯解体维修阀门。

阀门安装前，需要实施水压试验检验阀体、阀芯的密封性。阀体水压试验在部分开启状态下实施；阀体水压试验后，完成阀门关闭水压试验，不小于阀门在38 ℃下额定压力值的 110%；保压时间至少1 min。

水压试验系统由试验台架、试压泵、连接管道，密封装置组成。

10 储罐预制

核电厂内储罐有去离子水储罐、废液储罐。预制厂按照排版图下料、开坡口、卷制、喷砂防腐后运输到现场。依据图样在钢板上划线，采用气割方式下大样，机械方式加工坡口。外表面油漆距离坡口边缘100 mm。

罐的预制有四部分。1)罐顶预制。罐顶预制件呈扇形，相互间搭接;2)罐体预制。按罐直径卷板成弧形，预制件左右两侧、下方有坡口，上方平直或≤5°;3)罐底预制。底部焊接采用带垫板，预制件不加工坡口;4)附件预制。包括法兰、接管、加强板等。

11 电仪管道预制

11.1 仪表

电流表、电压表、传感器、放大器、指示器和限位开关等电仪类仪表，温度计、压力表、液位计、文丘里管等管道内仪表，气体探测器等核辐射仪表，振动、位移测量的机械式仪表，需实施安装前检定，可整体划为两类在线仪表和就地仪表。

11.2 仪表管

仪表管[3]预制有仪表管取样管嘴与工艺管道的焊接、仪表管与阀门/管件/仪表接头的焊接、仪表管膨胀弯预制、仪表管线路弯制和仪表管减震弹簧圈卷制。

管道上在线仪表的取样管嘴分为现场开孔后焊接和预制厂预制，其材质与母管相同。取样管后的截止阀的设计压力和温度与母管或容器的相同，施工现场工艺管道系统与仪表管水压的分界线。在现场开孔，管道就位后取样孔位置较好确定。然而，管道内部清洁度存在一定困难，需要经验丰富的管工精心操作，把好清洁度关口。在预制厂，管道开孔后内部可以清洁、检查，确保清洁度。

11.3 电缆配管

国标YB/T 5305中的线缆套管的镀锌层难以满足核电厂40～60年寿期要求，一般采用热浸锌管代用。

电缆配管预制主要工作量是弯管和端口螺纹加工与保护。电缆管弯曲半径不超过线缆转弯半径的最低要求(10～30倍电缆直径)，弯曲内侧无皱褶，且经电缆弯管工艺评定合格。

12 管道自动焊接

核电厂管道布局紧凑，为提高整体抗震性能，管道离墙壁楼板比较近，手工焊接尚有少量的困难位置焊口，如房间内墙角拐角处的焊缝，三面墙体，缺少站位空间，只能在管段预制图中，合理设计避开困难位置。

核电焊接手工焊为主。为确保焊接质量，核电焊接工人从事大量的培训工作，且从支架焊接、碳钢仪表管氩弧焊接、碳钢管道焊接、不锈钢仪表管焊接、不锈钢管道焊接逐步考核培养。手工焊接质量稳定可靠，成型美观，且灵活机动，适宜核电现场狭小空间作业。

核电管道预制量较大，管段保守预制率在55%以上。在批量作业方面，自动焊有较大优势。

碳钢管道自动焊接工序是管道切割下料、坡口加工，传输至管件定位、对称点焊组对、自动焊接及热处理(若有)，以及相应的无损检测后或二次预制或运输至喷砂防腐车间，防腐完成后运输至碳钢管段堆场或施工现场。

不锈钢管道自动焊接工艺是不锈钢管道切割下料、坡口加工，传输至管件定位、内部充氩、对称点焊组对、自动焊接，无损检测完成，密封管段后或二次预制或倒运到不锈钢预制管段堆场或运输至施工现场。

管道自动焊接，可采用管道旋转的平焊位置，对工装平衡性要求较高，焊接质量稳定；也可以采用管道固定的全位置，对焊接工艺质量稳定性要求较高。

13 主管道预制

主管道是核电厂压力边界之一的核一级装备，是管道预制中唯一需要计算焊接收缩量的工作任务。国内首次埋弧焊预制主管道是中核二三公司原第三工程公司加工厂，带动了国内主管道制造产业。

国内CNP300压水堆首堆核电厂，国产化二代核电CNP650[4]、新型三代核电“华龙一号”，以及出口到巴基斯坦的CNP300堆型，主管道采用铸造不锈钢管段、管件预制，由热段、冷段和过渡段组成。热段连接压力容器和蒸汽发生器，冷段连接主泵和压力容器，过渡段连接蒸汽发生器和主泵。

主管道预制难点是热段与蒸汽发生器热端的连接面，倾斜于热段轴线，要保证焊缝收缩量近10 mm条件下，能满足现场组对焊接要求。采用埋弧焊半自动焊预制焊接的难点在于弯头转动的平衡性控制平台的制作，重点在于挖眼三通组对焊接熔敷金属质量控制。

14 焊接工艺研发

焊接工艺的基本原则是焊接环境、焊工资格项目、焊接技术规范符合ASME第Ⅸ卷。焊接工艺的基本目标是熔敷金属抗拉强度不低于母材的最小抗拉强度，化学成分与母材主要合金元素的化学成分相类同。核电厂建设运用可再现稳定质量的工艺，作为高科技建造安装企业，必须有现场困难位置焊接的实操培训、新材料焊接工艺研究、焊接新方法研发的基本能力。

秦山一期工程，核岛厂房环吊牛腿焊接出现裂纹，曾质疑牛腿预制焊接质量，经多方调研、金相检查，确定根本原因是钢材层状撕裂。

秦山一期国产不锈钢晶界略微有些杂质，焊后易在承受较大压产生热裂纹，需采用焊口内外壁打磨清理、偏小线能量快速焊，趋向于运用焊条的冶金技术，确保焊接质量。相对于日本进口的晶界纯净的奥氏体不锈钢管件，采用全氩弧焊，质量稳定可靠。给国内钢铁企业研发焊接性能优异的晶界洁净的不锈钢提供了示例。

马氏体不锈钢因焊接冷裂纹，在核电站运用较少，仅在预埋件中应用。焊接方法是焊条电弧焊，焊前预热、层间温度控制、焊后热处理工艺，以确保焊接质量。

核电设备功率较大，抗震性能要求较高，动设备的铸铁(ASTM A48)基础较大，而设备厂房空间较小，在工艺管道、电气设备、风管等工艺设备占据绝大部分空间后，还需保留运维检修通道。根据图纸坐标，仪表管碳钢支架必须安装在铸铁支座上，且焊后不具备热处理条件。焊接措施是选择塑性优良的焊条，预热、层间敲击熔敷金属、严格控制层间温度、焊后即采用保温棉缓冷措施，且全过程不允许采用电动砂轮打磨清理。焊后24 h、48 h液体渗透检测，表面无裂纹即合格完成。

在秦山一期主管道大厚壁奥氏体不锈钢焊接工艺研发过程中，为确保焊接质量，记录熔敷金属的发展变化，考虑采用射线检测每一层熔敷金属的质量，后因涉及安装焊接阶段的可行性，在设计文件5%、15%、50%、100%厚度阶段实施射线检测的基础上，采用每三层液体渗透代替层间射线检测工艺。

15 风管预制

风管安装是在工艺设备、工艺管道安装完成后实施，施工作业窗口时间较短。工程前期风机和风管阀门选型配置、风管预制量较大，仓储空间需求大。轴流式风机和阀门经过试验平台检验，开启次数达标，运行可靠。

风管的板材有不锈钢薄板、镀锌薄板、低碳钢薄板。1.2 mm以上的低碳钢板和1.0 mm以上的不锈钢钢板采用焊接，其余采用咬口连接。风管焊接采用手工CO2气体保护焊。法兰采用钢板加工后焊接制作，法兰螺栓孔和风机、阀门的孔对应。

最后均采用喷砂防腐。

16 预制物项保管与运输

预制材料中型材、钢板、钢管在堆场码垛，采用吊装方式装卸货物；仪表、管件、法兰、五金件等在仓库内储存。焊接材料设置有两级库房，一级库房储存焊材，二级库房储存1周用量的焊材及烘干发放。

成品管段在堆场储存，防碰撞保护措施和管帽封堵完好，支垫道木相距不超过1.5 m，采用防雨布覆盖保护。堆场分区编号，利于成品管段定位。领料申请提前24 h报送，待发运物项临时集中倒运到发运区。

17 交工文件管理

按照质保文件永久性记录和非永久性的规定，交工文件按照ASME NCA-4134.17-1表式的最低要求[5]：1全寿命期记录索引、2规范数据报告、3设计任务书、4设计输出文件、5设计报告、7监造技术条件、8竣工图纸、9鉴定材料试验报告、11热处理记录、12验收试验报告、14液压试验报告、15无损检测报告、16返修补焊记录、17焊接工艺规程、18建造记录。核三级部件仅提供1、2、3、4、8、9、15、16项文件。

非永久性记录符合ASME NCA-4134.17-2的规定，预制单位保存10年。

18 核电建设低谷期预制转型

核电厂建设有周期性，在核电建设的低谷期，预制厂有优势转型生产风电塔架筒节，按照核电的管理模式和工序，实施质量计划管理，达到“建设过程中在保证质量的基础上，确保不发生安全环保事故[6]”安全目标，以破解新能源风力发电厂倒塔难题或从根本上避免塔架因素所致风电倒塔事故。

存在的问题是核电建设重启时质保评审难度增大，常规做法是扩建专用风电塔筒车间，采取人员流动、场地中转、车间固定、设备专用的策略，平缓过渡核级预制与民用市场竞标制造之间的转型生产，充分利用非核市场保留、培养、锻炼核电建设专业人才和更新换代核电建设装备。

19 结束语

预制厂建设与核电厂场平同步，合理布局预制车间分布，利于工序间配合协作，促进预制工作达到事半功倍的效果。碳钢、低合金钢管道预制分开，保证成品的清洁度；碳钢和不锈钢的自动焊生产线车间临近碳钢、不锈钢预制车间，起到延长自动生产线的功能。主管道预制依托焊接工艺研发中心。风管预制空间包括的成品、半成品的贮存场所，是最大的预制车间。

预制厂最大的特点是敞亮、静音、半成品流转通畅，表征是原材料堆场、成品管段堆场大，体现在原材料入场是源头，经验丰富的持证作业人员是动力，预制作业工厂化的基础是自动化装备。

扩大预制厂占地面积，深化设计，提高预制率，细化大纲程序，加强预制管理，是保证核岛建安周期5年目标的良好实践。