ap1000核島關(guān)鍵設(shè)備的制造技術(shù)

ap1000核島關(guān)鍵設(shè)備的制造技術(shù)

近年來(lái)，隨著中國(guó)和世界能源形勢(shì)的變化，為了滿足能源發(fā)展的需求，緩解資源和環(huán)境壓力，中國(guó)政府加強(qiáng)了能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整。其中，核電廠的發(fā)展被認(rèn)為是中國(guó)能源有序、健康發(fā)展的一項(xiàng)緊迫和戰(zhàn)略選擇。因此，中央政府實(shí)施了多項(xiàng)重要措施，促進(jìn)核計(jì)算機(jī)化快速發(fā)展。2007年底我國(guó)發(fā)布《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005—2020)》,首次明確了核電在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位,明確了“積極推進(jìn)核電建設(shè)”的方針;同時(shí),我國(guó)組建成立“國(guó)家核電技術(shù)公司”,引進(jìn)第三代核電AP1000技術(shù),核電發(fā)展走上引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的道路,最終形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核電技術(shù)。AP1000屬于第三代先進(jìn)壓水堆,與標(biāo)準(zhǔn)的第二代反應(yīng)堆相比,其中部分核島關(guān)鍵設(shè)備具有明顯的變化,一些關(guān)鍵技術(shù)還處于試驗(yàn)階段,國(guó)內(nèi)制造廠家缺乏相關(guān)的制造技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),給設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化帶來(lái)了巨大困難。本文將對(duì)AP1000核電關(guān)鍵設(shè)備的制造特點(diǎn)及國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題進(jìn)行一些評(píng)述。1蒸汽發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)AP1000是美國(guó)西屋公司開(kāi)發(fā)的一種雙環(huán)路、百萬(wàn)千瓦級(jí)的先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組,其反應(yīng)堆一回路由1臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器、1臺(tái)穩(wěn)壓器、2臺(tái)大容量的蒸汽發(fā)生器、4臺(tái)屏蔽式主泵、4條冷段和2條熱段管道組成。由于主泵入口直接和蒸汽發(fā)生器下封頭焊接在一起,取消了第二代反應(yīng)堆中蒸汽發(fā)生器與主泵入口之間的U型連接管道;同時(shí),通過(guò)對(duì)主管道簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),減少了焊縫和支撐。AP1000堆芯設(shè)計(jì)類似于西屋設(shè)計(jì)的M314堆型,其主回路設(shè)計(jì)類似于美國(guó)燃燒工程公司(cE)設(shè)計(jì)的System80,蒸汽發(fā)生器采用Delta125,主泵采用大型屏蔽泵,專設(shè)安全設(shè)施采用了非能動(dòng)技術(shù)。AP1000是在AP600的基礎(chǔ)上適當(dāng)改進(jìn)的結(jié)果,機(jī)組采用單堆布置方式,為了達(dá)到更高的電站功率,一方面加大了核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要部件的尺寸,包括增加反應(yīng)堆壓力容器的高度、堆芯長(zhǎng)度,另一方面增大蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、汽輪機(jī)的尺寸和容量以及燃料組件的數(shù)目。為了實(shí)現(xiàn)非能動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用了帶變頻器的大型屏蔽泵1.1上封頭、下殼體AP1000反應(yīng)堆壓力容器是一個(gè)由殼體、過(guò)渡環(huán)、半球形底封頭及可拆卸帶法蘭上封頭構(gòu)成的圓柱形結(jié)構(gòu)。殼體包括兩部分:上殼體(接管段)和下殼體(活性段),見(jiàn)圖1。下殼體和底封頭之間用一個(gè)過(guò)渡環(huán)連接。上殼體、下殼體、過(guò)渡段和半球形底封頭由低合金鋼制造,內(nèi)部堆焊奧氏體不銹鋼,每個(gè)部件之間采用焊接連接。封頭由頂蓋和法蘭制成。上封頭為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、堆內(nèi)測(cè)量提供了安裝孔和支撐,為RPV放氣管和一體化堆頂提供了支撐。壓力容器在堆芯頂部以下的位置沒(méi)有貫穿孔,排除了壓力容器泄漏導(dǎo)致失水事故的可能壓力容器高約12200mm,堆芯區(qū)的內(nèi)徑為4040mm,總重為425.3t,由SA-508-3鍛件和低合金鋼板制造。下封頭球體內(nèi)半徑為1980mm;下殼體是個(gè)環(huán)形鍛件,厚203.2mm,內(nèi)徑4040mm;上殼體是大型環(huán)形鍛件,帶4個(gè)內(nèi)徑為558.8mm的入口接管嘴,2個(gè)內(nèi)徑為787.4mm的出口接管嘴和2個(gè)內(nèi)徑為173mm的直接注入接管嘴。壓力容器整體上封頭的球體內(nèi)半徑為968mm,外部法蘭外徑775.2mm,45個(gè)177.8mm的螺栓將封頭與下部壓力容器相連,2個(gè)O型金屬密封圈起密封作用。上封頭上具有69個(gè)101.6mm的貫穿孔以插入控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),42個(gè)貫穿孔用于放置堆內(nèi)測(cè)量管1.2傳熱管的設(shè)計(jì)AP1000機(jī)組采用2臺(tái)Delta125型直立式U形管蒸發(fā)器。該設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)的西屋F堆型技術(shù)為基礎(chǔ),每套機(jī)組熱功率達(dá)到1707.5MW。Delta125型蒸汽發(fā)生器的傳熱管采用耐腐蝕的lnconel-690合金材料,采用不銹鋼梅花孔傳熱管支撐板,帶有過(guò)濾、除氣和防水錘外的給水分配系統(tǒng)以及純度最低為99.75%的汽水分離器。這些措施使該設(shè)計(jì)可以滿足AP1000長(zhǎng)期可靠使用的性能要求。每臺(tái)蒸汽發(fā)生器下封頭懸吊2臺(tái)主泵,主泵入口管和蒸汽發(fā)生器的下封頭上的出口管通過(guò)焊接連接在一起,見(jiàn)圖2。蒸汽發(fā)生器總高度22454mm,上殼體內(nèi)徑5334mm,下殼體內(nèi)徑4191mm,管板的厚度為787mm,重量約600t1.3電機(jī)和元件的選用反應(yīng)堆冷卻劑泵是主回路中唯一能動(dòng)部件,為屏蔽電機(jī)泵,由美國(guó)EMD公司提供。該泵由水力部件和電機(jī)部件兩部分組成:水力部件主要是由泵殼、葉輪和導(dǎo)葉等零部件組成的混流式泵,泵和電機(jī)之間由熱屏隔離堆芯冷卻劑的高溫,見(jiàn)圖3;電機(jī)是一種專門設(shè)計(jì)的單繞組、四極、三相、屏蔽套式感應(yīng)電機(jī),采用60Hz電源,由變頻器啟動(dòng)和運(yùn)行,電機(jī)主要部件包括水潤(rùn)滑軸承、屏蔽套、飛輪、定子繞組及冷卻裝置。與以往采用的軸封式主泵不同,AP1000的反應(yīng)堆冷卻泵軸上帶有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的飛輪。屏蔽泵電機(jī)殼體及用鎳基合金材料屏蔽的轉(zhuǎn)子和定子均是一回路介質(zhì)的壓力邊界。為避免一回路帶有放射性水的外泄,對(duì)零部件的加工焊接和裝配以及石墨潤(rùn)滑軸承、陶瓷密封端子要求極高,而且必須在1:1的試驗(yàn)回路上進(jìn)行試驗(yàn),在各種性能都能滿足AP1000核電站要求后,才能正式投入產(chǎn)品的生產(chǎn)。反應(yīng)堆冷卻劑泵設(shè)計(jì)壓力17.1MPa,設(shè)計(jì)溫度343℃,總高6.69m,總質(zhì)量83.68t,泵設(shè)計(jì)流量17886m1.4體化頂蓋組件一體化頂蓋組件是壓力容器頂蓋的一個(gè)組裝部件,堆頂結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4,包括頇蓋、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、棒位指示器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的冷卻擋板、空氣出口增壓,頂蓋通風(fēng)管道、屏蔽罩、抗振支撐板、吊耳、電纜、電纜連接器,附著在頂蓋上的其它結(jié)構(gòu)物以及堆芯測(cè)量?jī)x表。一體化頂蓋組件將這些分開(kāi)的部件與頂蓋一起組成一個(gè)結(jié)構(gòu),更換燃料時(shí)可以作為一個(gè)單個(gè)的結(jié)構(gòu)被拆除和移動(dòng)到儲(chǔ)存架上。采用一體化頂蓋組件可以縮短停堆周期、優(yōu)化占用空間、便于電纜斷開(kāi)和連接,還可以提高操作人員的安全性、減少人力需求。1.5下封頭中央電加熱器AP1000穩(wěn)壓器采用電加熱立式圓筒形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。穩(wěn)壓器上封頭為半球形,與筒體等厚。上封頭設(shè)有一個(gè)人孔、一個(gè)噴霧接管、兩個(gè)安全閥接管;下封頭中央為波動(dòng)管接管,設(shè)置了5組直插式電加熱器。通常電加熱器與其套管之間采用機(jī)械密封,便于拆裝;穩(wěn)壓器下筒體內(nèi)還設(shè)置上下隔板,作為電加熱器橫向支承。穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)壓力17.1MPa,設(shè)計(jì)溫度360℃,波動(dòng)管管嘴名義直徑Φ457.2mm,噴霧管管嘴名義直徑Φ101.6mm,安全閥管嘴名義直徑Φ355.6mm,穩(wěn)壓器內(nèi)徑Φ2290mm,總高15420mm,內(nèi)部容積59.47m1.6堆芯知識(shí)產(chǎn)權(quán)部分組成堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)支承堆芯的結(jié)構(gòu)部件。堆內(nèi)構(gòu)件由上部構(gòu)件和下部構(gòu)件兩部分組成,主要材料是300系列的奧氏體不銹鋼。上部堆芯支承部件由上部支承板、上堆芯板、支撐柱和導(dǎo)向筒組成,見(jiàn)圖6。下部堆芯支承部件由吊蘭同體、下部堆芯支承板、堆芯二次支承,渦流抑制板、堆芯圍筒、徑向支承鍵及相互附屬部件組成,見(jiàn)圖7。2設(shè)備引進(jìn)情況在AP1000J技術(shù)轉(zhuǎn)讓中,西屋公司轉(zhuǎn)讓核島工藝與系統(tǒng)設(shè)計(jì),提供主要設(shè)備的技術(shù)規(guī)格書(shū)和指導(dǎo)圖,以及核蒸汽關(guān)于系統(tǒng)的主設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家核電技術(shù)有限公司與西屋電氣公司的協(xié)議,其他設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)由西屋(分包方)提供。目前,有關(guān)主設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓談判已基本結(jié)束(包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)桿、反應(yīng)堆冷卻劑水泵和環(huán)型吊車、裝卸料機(jī)等)。大型鑄鍛件的冶煉、澆鑄、熱處理和核級(jí)閥門等不屬本次的技術(shù)轉(zhuǎn)讓范圍,沒(méi)有進(jìn)行談判,AP1000設(shè)備技術(shù)引進(jìn)情況見(jiàn)表1。AP1000設(shè)備自主化總體目標(biāo)是:通過(guò)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收以及依托工程四臺(tái)機(jī)組的建設(shè),全面掌握AP1000設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù),基本具備自主生產(chǎn)制造后續(xù)機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備的能力。AP1000自主化依托項(xiàng)目4臺(tái)機(jī)組國(guó)產(chǎn)化比例約為:30%,50%,60%和70%～80%,4臺(tái)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化統(tǒng)計(jì)平均比例約為50%。其中三門核電2臺(tái)機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化比例分別為30%和60%;山東海陽(yáng)2臺(tái)機(jī)組國(guó)產(chǎn)化比例分別為50%和70%～80%2.1關(guān)于技術(shù)攻關(guān)AP1000反應(yīng)堆壓力容器所需的大型鑄鍛件必須滿足60年壽命的要求,其中法蘭接管段、一體化上封頭、下封頭的毛坯約需350t的合金鋼錠,最大的鋼錠重量達(dá)400～500t,鍛件原材料采用SA508.3,但目前只有日本可供貨,而且很難訂上貨。國(guó)內(nèi)一重公司已為我國(guó)核電擴(kuò)建項(xiàng)目冶煉出法蘭接管段鋼錠,并為AP1000試制出一體化頂蓋鍛件;該公司正在為型線復(fù)雜的蒸發(fā)器下封頭翻邊工藝進(jìn)行試驗(yàn),以便與屏蔽泵殼體采取對(duì)接焊,采用翻邊工藝則需要更大的鍛造能力、更高的技術(shù)和更復(fù)雜的工裝。一重目前已有1.5萬(wàn)t的水壓機(jī)和600t的鑄鋼能力,從硬件設(shè)施看,可以解決這一重大難題,但必須進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。另外,需要使用大型鑄鍛件的壓力容器、蒸汽發(fā)生器等一回路主設(shè)備,國(guó)內(nèi)一重、上海鍋爐有限公司等單位過(guò)去均有生產(chǎn)業(yè)績(jī),所以在AP1000第三、四臺(tái)機(jī)組上實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化是沒(méi)問(wèn)題的,特別是穩(wěn)壓器設(shè)備,AP1000第一臺(tái)機(jī)組就可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。2.2防護(hù)元件的國(guó)產(chǎn)化及其認(rèn)證AP1000的主泵是屏蔽泵,是美國(guó)電氣機(jī)械公司(EMD)獨(dú)自開(kāi)發(fā)用于AP1000的主泵。與以往的軸封式主泵相比,其加工精度要求高,配件又是非商品級(jí)的,國(guó)產(chǎn)化難度很大。由于AP1000主泵還沒(méi)有原型,國(guó)內(nèi)廠家更是缺乏相關(guān)技術(shù)和制造經(jīng)驗(yàn),需要等美國(guó)EMD完成制造并經(jīng)鑒定合格后才能轉(zhuǎn)讓技術(shù)和培訓(xùn),國(guó)內(nèi)制造廠家尚需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造,目前主泵技術(shù)受讓單位沈鼓與哈電,所確定的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)在第四臺(tái)核電機(jī)組上至少有2臺(tái)國(guó)產(chǎn)屏蔽泵參與機(jī)組運(yùn)行。2008年3月,沈鼓、哈電分別與EMD公司簽訂了16臺(tái)主泵部分零件國(guó)內(nèi)分包制造和2臺(tái)國(guó)產(chǎn)主泵分包制造合同,這是AP1000屏蔽主泵逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的重要里程碑,標(biāo)識(shí)著AP1000屏蔽主泵國(guó)產(chǎn)化已進(jìn)入了實(shí)施階段。2008年沈鼓、哈電最終通過(guò)了ASME授權(quán)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的ASMEN及NPT認(rèn)證。哈電、沈鼓在EMD的指導(dǎo)下,已開(kāi)始部分設(shè)備的采購(gòu),并確保所采購(gòu)的“缺口”設(shè)備在性能上滿足AP1000主泵生產(chǎn)的要求。目前,哈電AP1000主泵電機(jī)制造廠房已基本建成,沈鼓的主泵廠房也已進(jìn)行施工。2.3不銹鋼的管理工藝與第二代核電站采用鑄造不銹鋼管完全不同,AP1000的主管道采用了整體鍛造、加工、彎管的不銹鋼管道,管道中間不允許有環(huán)焊縫,這要求鍛造中有更多的不銹鋼水,其冶煉、澆鑄、鑄造、熱處理、深孔加工、彎管等工藝都有較大困難。目前,其采購(gòu)模式尚未最終確定,國(guó)內(nèi)單位的模擬件試制進(jìn)展顯得尤為重要。上重、中船重工、一重、二重均開(kāi)展了主管道的樣管試制工作,并取得較大進(jìn)展,其中鋼錠化學(xué)成份完全滿足西屋公司的技術(shù)要求;通過(guò)主管道科研攻關(guān),我國(guó)的大型超純凈奧氏體不銹鋼電渣錠技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平(2007年以前我國(guó)的電渣錠最大為45t水平,現(xiàn)在可以達(dá)到150t水平);AP1000主管道冷彎管核心技術(shù)取得突破,已達(dá)到目前國(guó)際同步水平;超低碳純凈不銹鋼基礎(chǔ)性理論研究和認(rèn)識(shí)已接近世界同步水平。上重、431團(tuán)隊(duì)已下達(dá)1:1模擬件開(kāi)工令,如樣管符合要求首臺(tái)機(jī)組就可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化2.4冷卻劑系統(tǒng)及管路爆破閥也是AP1000非能動(dòng)裝置中的一種特殊設(shè)備,是用炸藥來(lái)執(zhí)行開(kāi)啟功能的,在核電站發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故情況下,執(zhí)行或協(xié)助執(zhí)行反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)自動(dòng)卸壓、低壓安注、安全殼再循環(huán)的功能,每臺(tái)機(jī)組中有12臺(tái)3種規(guī)格、2種口徑和2種壓力參數(shù)的爆破閥。海陽(yáng)2號(hào)機(jī)組12臺(tái)閥門將由國(guó)內(nèi)分包制造。中核蘇閥已制定ASMEN和NPT認(rèn)證及國(guó)家核安全局取證工作計(jì)劃。中核蘇閥將與213所聯(lián)合開(kāi)展爆破閥的國(guó)產(chǎn)化工作并簽訂了聯(lián)合研制協(xié)議。哈電集團(tuán)閥門公司也將參與爆破閥的國(guó)產(chǎn)化工作。中方將派遣工程師參與SPX爆破閥QME試驗(yàn)計(jì)劃的開(kāi)發(fā)及其他設(shè)計(jì)任務(wù)2.5環(huán)吊方案提交2008年10月,工程公司已向太重、大起和上起廠發(fā)出依托項(xiàng)目第2,3,4號(hào)機(jī)組環(huán)吊招標(biāo)文件。為協(xié)助三家指定用戶投標(biāo),西屋公司于2008年11月中旬向國(guó)家核電提交了環(huán)吊的初步設(shè)計(jì)圖紙,并已發(fā)送三家國(guó)內(nèi)工廠。首批裝卸料設(shè)備制造技術(shù)資料(初步質(zhì)量計(jì)劃)已按照合同進(jìn)度如期到達(dá)并分發(fā)給國(guó)內(nèi)工廠2.6中方對(duì)鋯材技術(shù)的限制鋯材的國(guó)產(chǎn)化是填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的項(xiàng)目,隨著國(guó)內(nèi)核電的大規(guī)模發(fā)展前景廣闊,為此國(guó)家核電技術(shù)公司非常重視鋯技術(shù)的轉(zhuǎn)讓和國(guó)核鋯業(yè)的建廠。由于核級(jí)鋯技術(shù)屬于敏感技術(shù),需要美國(guó)商務(wù)部另行審批并發(fā)放出口許可,為了早日獲得鋯技術(shù)出口許可,中方多次敦促西屋,并按照西屋的要求提交相關(guān)支持材料,在許可證條件不利于中方時(shí),積極與西屋溝通,提出修改意見(jiàn),最終獲得比較滿意的結(jié)果,為鋯材技術(shù)的轉(zhuǎn)讓和有效實(shí)施打下了良好的基礎(chǔ)。2007年11月,國(guó)家核電技術(shù)公司與寶鈦集團(tuán)合資成立國(guó)核寶鈦鋯業(yè)股份公司,并經(jīng)國(guó)務(wù)院許可,被指定為國(guó)內(nèi)唯一的核電鋯材制造裝備技術(shù)受讓方。2009年8月,國(guó)家核級(jí)鋯材研發(fā)及檢測(cè)中心暨國(guó)家核級(jí)鋯材生產(chǎn)線項(xiàng)目在陜西寶雞開(kāi)工建設(shè)。2.7刑罰安全殼容器國(guó)產(chǎn)化鋼制安全殼容器也是APl000的專有設(shè)備之一,容器底封頭是最先交貨的設(shè)備之一,與依托項(xiàng)目關(guān)系緊密。鋼制安全殼容器的國(guó)產(chǎn)化任務(wù)將由國(guó)家核電控股的山東核電設(shè)備制造公司承擔(dān),首臺(tái)鋼制安全殼容器將由山東廠分包制造,后續(xù)機(jī)組的鋼制安全殼容器山東廠已經(jīng)與國(guó)核工程公司簽訂供貨合同。山東設(shè)備公司已于2008年5月建成投產(chǎn),作為西屋的設(shè)備分包商,山東廠申請(qǐng)了ASMEN和NPT證書(shū),即將獲得ASME證書(shū)。2.8加堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的制造培訓(xùn)工作三門和海陽(yáng)2號(hào)機(jī)組的合同已分別與上海電氣、哈爾濱電站和一重集團(tuán)簽訂。首批五個(gè)團(tuán)組共計(jì)32人赴韓國(guó)斗山參加反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器的制造培