張興法
(湖南桃花江核電有限公司,湖南 益陽 413000)
核電閥門是指在核電站中核島(NI)、常規(guī)島(CI)和核電站輔助設(shè)施(BOP)系統(tǒng)中使用的閥門。核電閥門是核電站中使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設(shè)備,它連接整個核電站的眾多系統(tǒng),具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。它是核電站安全運行必不可少的組成部分,是核電站可靠運行的基本保障。
在核電站40~60年的正常運行中,閥門是需要維修的主要設(shè)備,閥門的投資額占核電站總投資額的2%左右, 而每年電站花費在閥門上的維修費用卻要占維修總額的50%以上。
核電閥門從安全級別上分為核安全Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、非核安全級。其中核安全Ⅰ級要求最高。
核安全級閥門的產(chǎn)品規(guī)格DN3~DN1200;
壓力等級 0.1~42 MPa;
溫度范圍 -25~350 ℃;
閥門材質(zhì) 304、304L、316、316L、低合金鋼、碳鋼;
質(zhì)保等級 QA1、QA2、QA3、NC(HAF003);
抗震等級 SC1、SC2、NSC(HAF003)。
以紅沿河CPR1000和三門AP1000為例,CPR1000兩套(臺)機組有閥門約29 000臺,AP1000有閥門約22 000臺,其投資費用約占設(shè)備總投資的5%~6%。在核島、常規(guī)島及電站輔助設(shè)施(BOP)中的閥門的分配如表1所示。
核島閥門按照核安全等級劃分如表2所示。
核島閥門按照驅(qū)動方式劃分如表3所示。
核島閥門按照閥門類型分類如表4所示。
核島閥門按照閥門口徑分類如表5、表6所示。
(1)工作條件與常見故障
核電閥門具有正常、異常、應(yīng)急和事故4類工況;常見的故障有閥桿泄漏、閥座泄漏、執(zhí)行機構(gòu)選配過大和關(guān)閉力矩過高引起的密封面損壞以及外泄漏等4種。核電閥門設(shè)計時必須針對閥門4類工況進行設(shè)計,使其在核電廠壽命期內(nèi)4種故障不會出現(xiàn),確保系統(tǒng)壓力邊界完整、系統(tǒng)功能不喪失。
(2)核電閥門技術(shù)要求
根據(jù)核電閥門(主要核安全級閥門)運行的實際工況,核電閥門其技術(shù)特點和要求比火電閥門更高。核電閥門的技術(shù)要求除了閥門常規(guī)的技術(shù)要求外,還要著重考慮介質(zhì)中雜質(zhì)的污染、環(huán)境溫度、運行溫度、環(huán)境濕度、放射性、直流電源及電壓波動、有關(guān)地震和振動條件下穩(wěn)定性的技術(shù)要求、安全等級等。
表1 核電站閥門的分配Table 1 Allocation of valves in nuclear power plant
表2 核島閥門按照核安全級別分配Table 2 Categorization of safety-class NI valves
表3 核島閥門按照驅(qū)動方式分配Table 3 Categorization of the driving mode for NI valves
表4 核島閥門按照閥門類型分配Table 4 Categorization of NI valve types
表5 AP1000核島閥門按照口徑分類Table 5 Categorization of AP1000 NI valves by calibre size
表6 CPR1000核島閥門按照口徑分類Table 6 Categorization of CPR1000 NI valves by caliber size
(3)閥門的強度、結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于核電系統(tǒng)輸送介質(zhì)大多帶有放射性,故對泄露有嚴(yán)格限制,故ASME標(biāo)準(zhǔn)對閥門的強度、結(jié)構(gòu)均有特殊的要求和規(guī)定;除常規(guī)的強度計算、抗震計算分析外,對核安全Ⅰ級的閥門,還需進行薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的極限計算,對疲勞應(yīng)力進行計算、分析等。
(4)核電閥門的選材要求
核電閥門的材料必須具有良好的耐腐蝕、抗輻照、抗沖擊和抗晶間腐蝕。一般情況下,承壓零件材料要求滿足ASME鍋爐壓力容器篇章(BPVC-Ⅱ-D-1)材料要求。
(5)核電閥門驅(qū)動裝置
核電閥門驅(qū)動裝置的性能和質(zhì)量非常重要和關(guān)鍵,必須具有安全操作的可靠性,同時,應(yīng)能承受溫度、壓力、濕度、輻照、地震破壞、化學(xué)污染及所供電源變化的最大值,而且必須在發(fā)生失水故障(LOCA)的情況下,仍能在規(guī)定的期限內(nèi)工作(一般標(biāo)準(zhǔn)為14?d)。
(6)核電閥門的試驗與檢驗
核電閥門必須進行常規(guī)的水壓試驗,靜壓壽命試驗,電動、氣動閥的執(zhí)行機構(gòu)還需進行抗震試驗等。
對一回路的重要閥門還必須經(jīng)過冷態(tài)、熱態(tài)和L O C A事故(即失水事故)的試驗。(ASME對上述試驗及檢驗有詳細(xì)描述,并提供了評定標(biāo)準(zhǔn))。
目前我國使用的核電閥門相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有:
EJ/T1022.1-18—1996《壓水堆核電廠閥門系列》;
ASME QME-1—2002《核電站現(xiàn)行設(shè)備的質(zhì)量要求》;
ASME BPV-II《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)程第2節(jié):材料》;
ASME BPV-III《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)程第3節(jié):核設(shè)施元部件制造規(guī)則》;
ASME BPV-V《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)程第5節(jié):無損檢驗》;
ASME BPV-IX《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)則第9節(jié):焊接和釬焊評定》;
ANSI B16.41《核電廠動力操作能動閥門鑒定要求》;
ANSI/IEEE323—1984《核電站1E級設(shè)備的質(zhì)量鑒定》;
ANSI/IEEE344—1987《核電站1E級設(shè)備抗地震鑒定的推薦規(guī)程》;
ANSI/IEEE382—1996《核電站電力操作閥組調(diào)節(jié)器安全相關(guān)性能的質(zhì)量鑒定》;
ANSI/IEEE1290—1996《核電站中電動閥門(M0V)的電動機使用、保護、控制和試驗的指南》;
RCC—M《法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則》。
隨著第三代反應(yīng)堆技術(shù)的日趨成熟以及第四代反應(yīng)堆的研究開發(fā),核電技術(shù)都朝著大機組、高參數(shù)和新堆型的方向發(fā)展,今后建設(shè)的核電站中,機組容量的發(fā)展方向大機組、大容量,目前國內(nèi)主要在建機組基本都在100萬kW以上,最大165萬kW,國內(nèi)在建核電機組見表7。國家已同意進行前期準(zhǔn)備的核電機組都在100萬kW以上,國內(nèi)擬建核電項目如表8所示。同時核電機組壽命也由40年向60年過渡。
核電堆型向大型化、高參數(shù)、高性能方向發(fā)展,其可靠性、安全性的要求將越來越高。作為核電站系統(tǒng)安全保障的關(guān)鍵設(shè)備——核電閥門,必須適應(yīng)這種發(fā)展趨勢。
核電閥門,由于其使用工況特殊、復(fù)雜、惡劣,加之量大面廣,故其要求相對較高。為滿足這種發(fā)展趨勢,遠(yuǎn)端自動控制、高可靠性、長壽命的閥門是今后核電閥門研制和開發(fā)的基本方向。
國內(nèi)核級閥門研制起步于20世紀(jì)60年代初,經(jīng)過幾十年的努力,國內(nèi)已形成了一定規(guī)模的核級閥門設(shè)計、實驗、制造、檢測能力,并為秦山核電站一期、二期建設(shè)提供了一定量的核級和非核級閥門,為核電閥門國產(chǎn)化做出了重要貢獻。
國內(nèi)目前已有22個企業(yè)獲得了國家核安全局頒發(fā)的民用核承壓設(shè)備設(shè)計和生產(chǎn)資格許可證,可以設(shè)計、生產(chǎn)核安全級閥門。已成功研制生產(chǎn)了閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥、彈簧式安全閥、調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥、隔膜閥、波紋管截止閥等一系列核級閥門。其中沈陽盛世、中核蘇閥、大高、上閥、上海良工、江蘇神通等六家閥門企業(yè)具備設(shè)計生產(chǎn)核Ⅰ級閥門。
表7 國內(nèi)在建核電機組Table 7 Nuclear power plants under construction in China
表8 國內(nèi)擬建核電機組Table 8 Nuclear power plants to be built in China
我國的閥門企業(yè)已具備生產(chǎn)所有核Ⅲ級與非核級閥門(主蒸汽隔離閥、主蒸汽安全釋放閥、調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵閥門除外)、具備生產(chǎn)大部分核Ⅱ級與少量核Ⅰ級閥門,國產(chǎn)核級閥門價格約為進口閥門的60%左右,非核級閥門價格更低,約為進口閥門20%~50%。
我國運行核電站和在建核電站采用核級國產(chǎn)閥門比率非常低,如表9、表10所示。
在建部分核電站閥門國產(chǎn)比率大幅提高的主
表9 運行核電站核級國產(chǎn)閥門比率Table 9 Localization ratio of nuclear-class valves in operating NPPs
表10 在建部分核電站閥門國產(chǎn)比率Table 10 Ratio of localization valves some NPP under construction
*:海陽、三門數(shù)據(jù)是目標(biāo)計劃,由于國內(nèi)閥門廠家不滿足美國ASME制造標(biāo)準(zhǔn),部分閥門無法實現(xiàn)國內(nèi)供貨,實際國產(chǎn)比例會降低(數(shù)據(jù)來源2010年12月全球閥門網(wǎng))。要原因在于國家大力推廣核電閥門國產(chǎn)化的結(jié)果。
(1)缺少核電閥門業(yè)績
22家核閥生產(chǎn)企業(yè)中,只有中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司、上海上閥閥門制造有限公司、上海良工閥門廠有限公司、上海蘇高閥門有限公司等少數(shù)閥門廠家在運行的核電站具有核電站閥門供貨業(yè)績,主要是非核安全級的普通閥門和數(shù)量不多的核安全Ⅱ、Ⅲ級閥門。
目前,具備生產(chǎn)核Ⅰ級閥門企業(yè),核Ⅰ級閥門產(chǎn)品比較單一,比如:中核蘇閥的安全噴淋閥,江蘇神通的小口徑的電動閘閥、截止閥、蝶閥,大連大高的電動波紋管截止閥等;沒有供貨經(jīng)驗(江蘇神通、中核蘇閥和大連大高在2008年和紅沿河核電、方家山核電、福清核電等簽署了少量核Ⅰ級閥門供貨合同,但尚未真正開始供貨)。
國外核電閥門與國內(nèi)核電閥門比較而言,閥門種類齊全、核電業(yè)績豐富,國外部分為核電站配套閥門情況見表11。
(2)閥門質(zhì)量仍有欠缺
閥門質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)在閥門密封、壽命不達標(biāo),導(dǎo)致在電站壽命期內(nèi)閥門更換頻率加快,維修費用增加。
核電閥門使用年限一般為30~40年,美國、德國核電用閥門均可保證使用40年,英國30年,日本30~40年,國產(chǎn)閥門一般為10~15年,為進口閥門使用年限的1/3左右。
(3)國外閥門企業(yè)的技術(shù)壟斷和傾銷
國外核電閥門已形成了完整的設(shè)計、實驗、制造、檢測體系,積累了大量的經(jīng)驗,產(chǎn)品成熟、技術(shù)比較先進,他們壟斷先進閥門的技術(shù)和市場,不對我國開放,比如,如先導(dǎo)式安全閥、主蒸汽隔離閥、調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵閥門和核Ⅰ級閥門,總數(shù)量不到電站閥門總數(shù)的15%,價格確占全部閥門價格的60%以上。一旦我國成功研發(fā)某項關(guān)鍵閥門,他們就以不到原閥門價格的一半進行傾銷,扼殺我國核電閥門產(chǎn)業(yè)。
表11 國外部分為核電站配套閥門情況Table 11 Status of some foreign valve manufactories supporting nuclear power plant
(4)國內(nèi)閥門企業(yè)信譽度較差
國內(nèi)閥門假冒偽劣產(chǎn)品頻現(xiàn)市場,同時受技術(shù)經(jīng)驗不成熟影響,已簽合同執(zhí)行不得力影響了我國核電閥門企業(yè)信譽度。
(5)制度不完善
閥門企業(yè)的認(rèn)證還停留在形式,質(zhì)保體系不健全,檢驗手段和措施不能落實到位,員工素質(zhì)有待提高,管理上還存在很大漏洞和欠缺等。
核電是以安全可靠為第一原則的。國內(nèi)核電閥門存在以上諸多問題,導(dǎo)致核電站業(yè)主不愿或不輕易采用國內(nèi)廠商生產(chǎn)的核電閥門。
與國際水平相比國內(nèi)核電閥門在以下幾個方面仍有較大差距。
(1)設(shè)計能力不足,閥門種類不齊全,配套閥門檔次不高
國內(nèi)的設(shè)計水平與科技發(fā)達國家有差距,特別是主蒸汽隔離閥、大口徑安全閥、抗地震控制閥等技術(shù)含量高的核電閥門仍未取得重大突破。只有少數(shù)廠家較完整地掌握了核電閥門的應(yīng)力計算和抗震分析、核Ⅰ級閥門的疲勞分析以及抗沖擊分析、抗爆波分析必須委托設(shè)計院或高校進行抗震分析,在一定程度上制約了企業(yè)的研發(fā)能力。
(2)重要的配套裝置自動化程度低,可靠性差
對于核電站用閥門來說,在事故狀態(tài)下動作及時準(zhǔn)確非常重要,如主蒸氣隔離閥,按要求打開的時間僅為幾秒鐘,如果出現(xiàn)動作不及時或誤操作都將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此,閥門驅(qū)動裝置的性能和質(zhì)量非常重要。而我國閥門配套用電動執(zhí)行機構(gòu)控制水平低,仍然停留在國外二十世紀(jì)七八十年代的水平,與國外先進水平差距較大。通用執(zhí)行機構(gòu)的控制精度不高,動作不靈敏,與國外同類產(chǎn)品相比還有一定差距。
(3)制造設(shè)備與工藝流程無法滿足核電閥門制造要求
核安全級閥門對閥體的鍛件和鑄鋼件的化學(xué)成分含量、均勻度要求非常嚴(yán)格,不允許有夾渣、氣孔等缺陷存在。國內(nèi)鋼廠在鑄造工藝和基礎(chǔ)機械加工上還存在欠缺;大部分廠家機加工技術(shù)不能滿足要求,產(chǎn)品制造精度偏低,生產(chǎn)的閥門不能滿足核電裝備的運行需求。
輔助制造技術(shù),大型鑄造技術(shù),如主蒸汽隔離閥的閥體鑄造;大型鍛造技術(shù),國外的核電閥門大量地采用鍛造結(jié)構(gòu),且采用模鍛的形式,國內(nèi)尚未應(yīng)用;焊接技術(shù),特別是無鈷焊接技術(shù)和真空釬焊技術(shù)等,國外已經(jīng)很成熟,但國內(nèi)閥門行業(yè)還在研究階段。
(4)試驗技術(shù)和試驗手段尚在研發(fā)之中
我國核電設(shè)備的國家標(biāo)準(zhǔn)尚不完全,核電產(chǎn)業(yè)開發(fā)時間較短,許多試驗技術(shù)和試驗手段尚在研發(fā)之中,許多試驗條件和試驗臺架尚不具備,同時目前積累的試驗數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)無法保證閥門試驗、檢驗工作的正常開展。如主蒸汽隔離閥的模擬上、下游管道破裂時的流體阻斷性能試驗,穩(wěn)壓器安全閥的排量試驗等,國內(nèi)試驗臺架尚在研發(fā)之中,無法進行上述試驗,而這些試驗是驗證閥門可靠性的必要手段和保證。
我國二代加核電技術(shù)依托近期要建設(shè)的核電站工程項目,實現(xiàn)非核安全級和核級閥門全部國產(chǎn)化,核Ⅱ級閥門國產(chǎn)化率達到80%,核Ⅰ級閥門達到70%。
AP1000經(jīng)過依托項目4臺機組,核Ⅰ級、核Ⅱ級閥門國產(chǎn)化率達到60%以上,其他閥門全部國產(chǎn)化。
(1)以我為主,自主研發(fā)和技術(shù)引進相結(jié)合,同時加強與國外核電閥門企業(yè)的合作
核Ⅱ、Ⅲ級(2 5001b以下)、部分核Ⅰ級的閥門以自主研發(fā)為主;其他核電站的關(guān)鍵閥門(如主蒸汽隔離閥、比例噴霧閥等),采取自主研發(fā)、部分與國外合作,包括技術(shù)引進、合作生產(chǎn)、采購配套等方式。
充分利用國外核電閥門企業(yè)的先進的技術(shù)、資金及管理等優(yōu)勢,提升自身的技術(shù)實力和管理水平,完善測試手段和檢驗方法,最終在我國實現(xiàn)核電閥門領(lǐng)域國產(chǎn)化的目標(biāo)。
以在建的核電工程項目為依托,分步驟、有選擇地進行國產(chǎn)化,通過科研攻關(guān)和技術(shù)改造,完成核安全級閥門及核電站關(guān)鍵閥門電動裝置、閥門配套用密封件和波紋管,以及核Ⅰ級手動閥門的國產(chǎn)化,最終實現(xiàn)核電閥門國產(chǎn)化目標(biāo)。
(2)完善我國核電閥門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,提升閥門實驗、鑒定水平
將現(xiàn)有的EJ、GB、按ASME、RCC-M標(biāo)準(zhǔn)進行補充完善,盡快制定符合國情的中國核電閥門標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,以促進國內(nèi)核電閥門在設(shè)計、選材制造、檢驗等各個環(huán)節(jié)國產(chǎn)化進程。
整合中國閥門行業(yè)核電閥門的實驗、檢測和鑒定的設(shè)備和能力,資源共享,避免重復(fù)投資重復(fù)建設(shè),加快核電閥門的研制速度。
(3)閥門企業(yè)加大核電閥門人才培養(yǎng),提高閥門設(shè)計和制造能力和水平
加強核電人才培養(yǎng)和引進核電技術(shù)的消化吸收,提高核電閥門的設(shè)計能力和水平,增加閥門設(shè)計軟件和硬件投資,保證閥門設(shè)計、制造手段先進,確保閥門零部件加工和整機裝配質(zhì)量可靠。
強化焊接、無損檢測、熱處理等特種工藝人員的培訓(xùn)考核。研究和采用先進的工藝技術(shù),使零部件制造質(zhì)量達到設(shè)計圖樣和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。
(4)加強過程管理,提高管理水平
對閥門企業(yè)進行核安全意識方面的教育和培訓(xùn),加強核電閥門的設(shè)計、制造全過程的質(zhì)量管理,提高管理水平,促進核閥門企業(yè)管理水平的全方位提升。
(1)制訂了核電設(shè)備主設(shè)備(核電閥門)發(fā)展規(guī)劃,將核電閥門技術(shù)攻關(guān)項目列入國家重大技術(shù)裝備攻關(guān)計劃,并重點在預(yù)算內(nèi)給予資金支持,重點扶持幾家有條件的企業(yè)進行科研開發(fā)和必要的技術(shù)改造,避免重復(fù)建設(shè)。
(2)國家制定專項政策,用戶積極配合,突破首臺首套的業(yè)績門檻;對部分國內(nèi)尚不能完全掌握技術(shù)的產(chǎn)品,堅持技貿(mào)結(jié)合,引進關(guān)鍵技術(shù),合作制造,分階段實現(xiàn)國產(chǎn)化,國家在研發(fā)資金上給予資金上的政策傾斜。
(3)建設(shè)國家級的核電閥門試驗基地。閥門產(chǎn)品的試驗檢驗是高端閥門可靠性保證的基本條件。我國核電閥門在試驗檢驗方面仍比較薄弱,國內(nèi)閥門企業(yè)受資金投入限制以及技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,人才儲備不足以及政策變換等影響,目前尚不具備組建和籌建高端閥門試驗研究的試驗設(shè)備和試驗臺架,國家建立國家級的核電閥門試驗基地,可確保核電大發(fā)展,閥門國產(chǎn)化的研發(fā)、試驗需要。
核電閥門國產(chǎn)化不僅可以降低核電造價,同時對國家核電戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)以及確保國家能源安全穩(wěn)定具有重大戰(zhàn)略意義。
機不可失,時不再來,我們必須借助于中國核電大發(fā)展的機遇,積極推進我國核電閥門產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化和自主化,提高我國核閥產(chǎn)業(yè)的競爭能力,實現(xiàn)我國核電產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)、健康、有序地發(fā)展,推動我國核工業(yè)與世界核電產(chǎn)業(yè)接軌,優(yōu)國核電大發(fā)展的機遇,積極推進我國核電閥門產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化和自主化,提高我國核閥產(chǎn)業(yè)的競爭能力,實現(xiàn)我國核電產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)、健康、有序地發(fā)展,推動我國核工業(yè)與世界核電產(chǎn)業(yè)接軌,優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu),實現(xiàn)我國能源安全供應(yīng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
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