核电阀门国产化分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中核集团福建福清核电公司 作者:施业寿

  介绍了核电阀门相关标准的规定及其产品的特殊性、安全性和可靠性。分析了国内外核电阀门在企业管理、阀门研发设计和产品生产制造工艺及辅助加工设备等方面的能力与水平。提出了核电阀门产业应列入国家核电成套设备国产化计划,整合国内相关资源和集中人力、资金进行技术开发和科研攻关,促使核电阀门国产化并逐步向高端领域发展的建议与设想。

1、概述

  在实现低碳、环保、绿色及可持续发展并积极发展核电等清洁高效能源的形势下,核电阀门的国产化能力起到至关重要的作用。阀门在核电站设备中虽然不是主设备,但却是核电站安全运行不可或缺的关键附件,其主要作用是控制并调节核电站管道内介质的流量、温度、压力及流向等,还对其他压力容器如稳压器及蒸发器等起保护作用。虽然核电站用阀门的工作温度和压力等参数比常规火电站用阀门低,但是由于核电站具有其设备的特殊性、安全性和可靠性,因此对核电阀门产品提出了远高于普通工业设备的要求。同时,在核电阀门的设计、制造过程中,有着比常规阀门更多的测试要求,以及更严苛的合格标准。

2、阀门特性

  根据核电阀门相关标准的规定,核电站阀门安全等分为核一级、核二级、核三级和NC 级,其中核一级要求最高。以福清核电工程为例,2个百万千瓦压水堆核电机组,所需阀门约2. 8 万台( 表1 ~ 表3) 。

核电阀门国产化分析

表1 核电站阀门分布

核电阀门国产化分析

表2 不同安全级别阀门数量

核电阀门国产化分析

表3 进口与国产阀门数量及金额对比

  从表1 ~ 表3 可以看出,进口阀门数量只占到阀门总数的4. 3%,而其金额却占到所有总金额的58%。由此可见,在核电阀门附加值较高的高端领域,进口阀门仍然占据绝对的优势。伴随着中国整个核电产业链的发展,目前国内核电阀门制造厂逐渐进入原本被国外厂家所垄断的核一级阀门高端市场,从福清核电1、2 号机组产品采购数据分析,已国产化的核一级阀门多数是核一级止回阀和部分核一级闸阀,总计有142 台。但是,在核一级阀门领域的进口阀门仍然以29% 的核一级阀门数量,占据了79%的核一级阀门总采购金额。

3、企业现状

  从数据的分析可以看出,目前福清核电站用阀门数量上超过95%的阀门为国内制造,但是在产品金额上国产阀门无论是核一级高端领域,还是全部核电站阀门都远低于进口阀门,即国产核电阀门绝大多数都集中于数量大、价格相对低的核三级和非核级领域,而一些高端的核一、核二级阀门如核一级电动闸阀、核一级调节阀、主蒸汽隔离阀、主蒸汽安全阀及主给水调节阀等附加值极高的关键阀门,目前还不具备国产化的能力,均被国外厂家垄断。与国外阀门行业研发、制造水平相比,国内厂家还有较大差距,主要体现在企业管理、产品研发设计能力、阀门加工设备、生产工艺及产品上下工序辅助制造能力等方面。

3.1、管理水平

  与国内大多数制造行业一样,当前国内核电阀门企业的粗放式管理未得到彻底扭转。虽然诸如6S 管理、6Sigma 管理、核电设备质保体系以及核电设备质量理念等均在执行,但是实际执行效果与国外先进管理体系相比,其软实力的差距还远大于生产设备等硬实力的差距。

3.2、研发设计

  与国外著名核电阀门生产厂家相比,国内阀门设计水平相差较大。至今一些关键阀门的设计制造仍然未能取得突破。对于核电阀门的应力计算、抗震分析、疲劳分析及抗震分析等,国内厂家很少能完整掌握,必须委托设计院或高校进行,一定程度上限制了企业的研发能力。

3.3、加工设备及生产工艺

  目前国内核电阀门企业机加工设备主要以万能机床为主,制造精度低,生产效率低下、产品质量稳定性及统一性稍差。而在国外得到普遍应用的数控机床目前在国内还未大量普及,采用数控机床能大幅提高产品加工精度,保证产品尺寸及质量的统一性。

3.4、产业上下游辅助制造能力

  (1) 铸造能力

  核级阀门对钢水的化学成分、均匀度等有较高要求,而对气孔、夹杂等铸造缺陷要求较一般常规产品更严苛。因此,这对于炼钢设备及浇注工艺提出了更高要求。国外普遍使用的精炼工艺,如AOD炉等,以及在铸件造型工艺上,使用蜡模铸造等精密铸造工艺,是核级铸件的首选。国内具备提供核级阀门铸件资质的企业不多,核电阀门铸件订货趋于紧张,由此也带来了产品质量不稳定、交货期难以满足阀门厂家进度要求等问题。对于一些大口径核电阀门铸件,如代表着核电阀门最高铸造水平的主蒸汽隔离阀体( DN800) ,国内公司目前处于试制原型件( prototype) 阶段。

  (2) 锻造能力

  相比于铸件,锻件产品晶间结构均匀、致密,质量比铸件优良。目前国外先进阀门企业越来越多的使用锻件取代铸件,最大的锻造闸阀口径能达到DN600,而且采用的是模锻工艺,使得阀体阀盖等锻件无论是外观还是内在质量都大幅提升。在核电阀门模锻方面,国内制造水平与先进水平相比差距较大。当前国内企业仅能提供小口径阀门锻件。

  (3) 执行机构及各种附件的制造能力

  作为阀门的动力装置,执行机构主要功能是按照指定命令精确的调整阀门开度,其对阀门整体质量性能有较大影响。目前国内能够制造提供1E 级K1 类阀门电动装置、1E 级K3 类阀门气动装置。对于部分技术要求高、制造难度大的执行机构,如限位开关及电磁阀等附件、先导式控制系统及用于主蒸汽隔离阀的气- 液联动式执行机构,产品还需要从国外进口。

  (4) 试验及测试条件

  核电产品因为其特殊性,对设备的可靠性提出较高要求。因此,核电阀门如主蒸汽隔离阀、主蒸汽安全阀等在批量生产应用之前需要经过严格的样机试验。但是目前国内的测试条件及设备非常有限,如用于主蒸汽隔离阀的模拟主蒸汽管道破裂工况的试验台架,国内尚没有。其他诸如模拟一回路的热态试验、冷态试验等试验台架也不够完备,限制了国内新的阀门产品的研发制造。

3.5、国外主要核电阀门概况

  目前,国外核电阀门供应商绝大多数为法国以及美国公司,由于现阶段中国机组采用法国技术体系的较多,因此法国阀门供应商占据多数。另外有少量英国、德国、韩国及日本等公司参与核电阀门供应。在给福清核电工程供应阀门的公司中,美国1家( 提供主蒸汽隔离阀) ,德国1 家( 提供常规岛闸阀) ,法国为7 家( 提供稳压器安全阀、核级调节阀等) 。国内约14 家,国内核电阀门绝大多数集中在产业链下游,数量虽然巨大,但是产品附加值较低。

核电阀门测试回路

图1 核电阀门测试回路

4、国产化分析

4.1、研发能力

  近几年,在国家政策扶持下,经过重大技术装备科研攻关、引进国外先进技术消化、与国外厂家合作等途径,部分国内核电阀门企业在核电阀门研发、制造方面取得了不少突破。如2009 年,某阀门公司研发的核电稳压器比例喷雾阀样机通过专家鉴定,填补了国内空白。同时,该公司新研发的核一级电动截止阀、核二级气动球阀、核二级平行双闸板电动闸阀、核二级W 型电动闸阀( 公称通径200mm,设计压力6. 4 MPa) 等产品也达到了国内先进水平。而另一阀门公司开发的核一级止回阀、核一级截止阀、核一级闸阀及核二级止回阀、核二级截止阀、核二级闸阀均通过了国家级鉴定,填补了国内空白,大大的推进了核电阀门国产化的进程。同时,国内也正在兴建首台核电站安全阀试验台架,将极大缓解国内核电站安全阀试验台架紧缺的局面。目前国内已经有供货业绩的核电阀门主要是部分核级闸阀、截止阀和所有的止回阀、球阀以及一些隔膜阀和调节阀等。目前已通过样机鉴定但是没有供货业绩的有稳压器喷淋阀等,而主蒸汽隔离阀的国产化,当前正在和国外厂家谈判中。

  目前尚不具备生产条件的有主蒸汽安全阀、大气排放阀、稳压器安全阀及先导式安全阀等核电关键阀门,以及部分大口径电动闸阀,这些阀门的数量只占核电阀门总数的2% 左右,但其合同额却占40%左右。对于这一批阀门,依托当前国内众多核电建设项目,可以采取技术引进、合资,以及技术攻关等方式,有选择、有步骤的实现产品国产化。

4.2、发展前景

  国内大多数在建核电站技术上属于二代加( 基于法国技术的M310 堆型) 。目前,以AP1000、EPR为代表的第三代核电技术正在建设。以高温期冷堆为代表的第四代核电技术在2012 年末获准开工建设。从当前国内核电发展态势分析,未来若干年内AP1000 技术将是国内主流。基于AP1000 技术路线的特点,阀门数量大幅度减少,主要阀门供应商也必将从M310 堆型的法国转移到美国。国内一些主要阀门厂家也开始掌握新的核电技术,如AP1000的真空爆破阀样机已连续多次进行了相关试验。而在AP1000 新技术中被淘汰的阀门如隔膜阀等,也将向调节阀领域实现转变。

4.3、建议

  (1) 核电阀门产业应列入国家核电成套设备国产化计划。制定核电阀门行业发展规划,以保证核电阀门行业持续和稳定的发展。

  (2) 整合国内各相关研究设计院、高校及企业等相关资源,组建国家核电阀门实验基地,加强核电阀门测试的能力。

  (3) 做好配套行业的规划。对于上下游如铸锻供应商、执行机构供应商、电气附件供应商等统筹规划,完善核电阀门产品供应链。

  (4) 加强核电阀门样机的鉴定管理,达到合理的通过率,以维护样机鉴定的权威性、严肃性和可信性。

5、结语

  核电阀门企业在管理上应以国际先进企业为榜样,改变国内的粗放式管理,集中人力和资金进行技术开发及科研攻关,促使产品逐步向高端核电阀门领域发展。在国内巨大的核电市场下,阀门企业应该在技术提升和管理提升的保证下,谋求企业的发展和进步,从而实现更多核级阀门的国产化。

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