ap1000核島關鍵設備的制造技術

近年來，隨著中國和世界能源形勢的變化，為了滿足能源發展的需求，緩解資源和環境壓力，中國政府加強了能源結構的優化和調整。其中，核電廠的發展被認為是中國能源有序、健康發展的一項緊迫和戰略選擇。因此，中央政府實施了多項重要措施，促進核計算機化快速發展。2007年底我國發布《核電中長期發展規劃(2005—2020)》,首次明確了核電在國家能源結構中的戰略地位,明確了“積極推進核電建設”的方針;同時,我國組建成立“國家核電技術公司”,引進第三代核電AP1000技術,核電發展走上引進、消化、吸收和再創新的道路,最終形成具有自主知識產權的核電技術。AP1000屬于第三代先進壓水堆,與標準的第二代反應堆相比,其中部分核島關鍵設備具有明顯的變化,一些關鍵技術還處于試驗階段,國內制造廠家缺乏相關的制造技術和經驗,給設備的國產化帶來了巨大困難。本文將對AP1000核電關鍵設備的制造特點及國產化問題進行一些評述。1蒸汽發生器的優化設計AP1000是美國西屋公司開發的一種雙環路、百萬千瓦級的先進壓水堆核電機組,其反應堆一回路由1臺反應堆壓力容器、1臺穩壓器、2臺大容量的蒸汽發生器、4臺屏蔽式主泵、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生器下封頭焊接在一起,取消了第二代反應堆中蒸汽發生器與主泵入口之間的U型連接管道;同時,通過對主管道簡化設計,減少了焊縫和支撐。AP1000堆芯設計類似于西屋設計的M314堆型,其主回路設計類似于美國燃燒工程公司(cE)設計的System80,蒸汽發生器采用Delta125,主泵采用大型屏蔽泵,專設安全設施采用了非能動技術。AP1000是在AP600的基礎上適當改進的結果,機組采用單堆布置方式,為了達到更高的電站功率,一方面加大了核蒸汽供應系統主要部件的尺寸,包括增加反應堆壓力容器的高度、堆芯長度,另一方面增大蒸汽發生器、穩壓器、汽輪機的尺寸和容量以及燃料組件的數目。為了實現非能動安全系統設計,采用了帶變頻器的大型屏蔽泵1.1上封頭、下殼體AP1000反應堆壓力容器是一個由殼體、過渡環、半球形底封頭及可拆卸帶法蘭上封頭構成的圓柱形結構。殼體包括兩部分:上殼體(接管段)和下殼體(活性段),見圖1。下殼體和底封頭之間用一個過渡環連接。上殼體、下殼體、過渡段和半球形底封頭由低合金鋼制造,內部堆焊奧氏體不銹鋼,每個部件之間采用焊接連接。封頭由頂蓋和法蘭制成。上封頭為控制棒驅動機構、堆內測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有貫穿孔,排除了壓力容器泄漏導致失水事故的可能壓力容器高約12200mm,堆芯區的內徑為4040mm,總重為425.3t,由SA-508-3鍛件和低合金鋼板制造。下封頭球體內半徑為1980mm;下殼體是個環形鍛件,厚203.2mm,內徑4040mm;上殼體是大型環形鍛件,帶4個內徑為558.8mm的入口接管嘴,2個內徑為787.4mm的出口接管嘴和2個內徑為173mm的直接注入接管嘴。壓力容器整體上封頭的球體內半徑為968mm,外部法蘭外徑775.2mm,45個177.8mm的螺栓將封頭與下部壓力容器相連,2個O型金屬密封圈起密封作用。上封頭上具有69個101.6mm的貫穿孔以插入控制棒驅動機構,42個貫穿孔用于放置堆內測量管1.2傳熱管的設計AP1000機組采用2臺Delta125型直立式U形管蒸發器。該設計以標準的西屋F堆型技術為基礎,每套機組熱功率達到1707.5MW。Delta125型蒸汽發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,帶有過濾、除氣和防水錘外的給水分配系統以及純度最低為99.75%的汽水分離器。這些措施使該設計可以滿足AP1000長期可靠使用的性能要求。每臺蒸汽發生器下封頭懸吊2臺主泵,主泵入口管和蒸汽發生器的下封頭上的出口管通過焊接連接在一起,見圖2。蒸汽發生器總高度22454mm,上殼體內徑5334mm,下殼體內徑4191mm,管板的厚度為787mm,重量約600t1.3電機和元件的選用反應堆冷卻劑泵是主回路中唯一能動部件,為屏蔽電機泵,由美國EMD公司提供。該泵由水力部件和電機部件兩部分組成:水力部件主要是由泵殼、葉輪和導葉等零部件組成的混流式泵,泵和電機之間由熱屏隔離堆芯冷卻劑的高溫,見圖3;電機是一種專門設計的單繞組、四極、三相、屏蔽套式感應電機,采用60Hz電源,由變頻器啟動和運行,電機主要部件包括水潤滑軸承、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的反應堆冷卻泵軸上帶有一個轉動慣量很大的飛輪。屏蔽泵電機殼體及用鎳基合金材料屏蔽的轉子和定子均是一回路介質的壓力邊界。為避免一回路帶有放射性水的外泄,對零部件的加工焊接和裝配以及石墨潤滑軸承、陶瓷密封端子要求極高,而且必須在1:1的試驗回路上進行試驗,在各種性能都能滿足AP1000核電站要求后,才能正式投入產品的生產。反應堆冷卻劑泵設計壓力17.1MPa,設計溫度343℃,總高6.69m,總質量83.68t,泵設計流量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組裝部件,堆頂結構示意見圖4,包括頇蓋、控制棒驅動機構、棒位指示器、驅動機構的冷卻擋板、空氣出口增壓,頂蓋通風管道、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構物以及堆芯測量儀表。一體化頂蓋組件將這些分開的部件與頂蓋一起組成一個結構,更換燃料時可以作為一個單個的結構被拆除和移動到儲存架上。采用一體化頂蓋組件可以縮短停堆周期、優化占用空間、便于電纜斷開和連接,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穩壓器采用電加熱立式圓筒形結構設計。穩壓器上封頭為半球形,與筒體等厚。上封頭設有一個人孔、一個噴霧接管、兩個安全閥接管;下封頭中央為波動管接管,設置了5組直插式電加熱器。通常電加熱器與其套管之間采用機械密封,便于拆裝;穩壓器下筒體內還設置上下隔板,作為電加熱器橫向支承。穩壓器設計壓力17.1MPa,設計溫度360℃,波動管管嘴名義直徑Φ457.2mm,噴霧管管嘴名義直徑Φ101.6mm,安全閥管嘴名義直徑Φ355.6mm,穩壓器內徑Φ2290mm,總高15420mm,內部容積59.47m1.6堆芯知識產權部分組成堆內構件是反應堆壓力容器內支承堆芯的結構部件。堆內構件由上部構件和下部構件兩部分組成,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、支撐柱和導向筒組成,見圖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,見圖7。2設備引進情況在AP1000J技術轉讓中,西屋公司轉讓核島工藝與系統設計,提供主要設備的技術規格書和指導圖,以及核蒸汽關于系統的主設備基礎設計。根據國家核電技術有限公司與西屋電氣公司的協議,其他設備的設計與制造技術由西屋(分包方)提供。目前,有關主設備的設計、制造技術轉讓談判已基本結束(包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器、堆內構件、控制棒驅動機桿、反應堆冷卻劑水泵和環型吊車、裝卸料機等)。大型鑄鍛件的冶煉、澆鑄、熱處理和核級閥門等不屬本次的技術轉讓范圍,沒有進行談判,AP1000設備技術引進情況見表1。AP1000設備自主化總體目標是:通過引進技術的消化吸收以及依托工程四臺機組的建設,全面掌握AP1000設備的設計和制造技術,基本具備自主生產制造后續機組關鍵設備的能力。AP1000自主化依托項目4臺機組國產化比例約為:30%,50%,60%和70%～80%,4臺機組的國產化統計平均比例約為50%。其中三門核電2臺機組的國產化比例分別為30%和60%;山東海陽2臺機組國產化比例分別為50%和70%～80%2.1關于技術攻關AP1000反應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。國內一重公司已為我國核電擴建項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雜的蒸發器下封頭翻邊工藝進行試驗,以便與屏蔽泵殼體采取對接焊,采用翻邊工藝則需要更大的鍛造能力、更高的技術和更復雜的工裝。一重目前已有1.5萬t的水壓機和600t的鑄鋼能力,從硬件設施看,可以解決這一重大難題,但必須進行技術攻關。另外,需要使用大型鑄鍛件的壓力容器、蒸汽發生器等一回路主設備,國內一重、上海鍋爐有限公司等單位過去均有生產業績,所以在AP1000第三、四臺機組上實現國產化是沒問題的,特別是穩壓器設備,AP1000第一臺機組就可以實現國產化。2.2防護元件的國產化及其認證AP1000的主泵是屏蔽泵,是美國電氣機械公司(EMD)獨自開發用于AP1000的主泵。與以往的軸封式主泵相比,其加工精度要求高,配件又是非商品級的,國產化難度很大。由于AP1000主泵還沒有原型,國內廠家更是缺乏相關技術和制造經驗,需要等美國EMD完成制造并經鑒定合格后才能轉讓技術和培訓,國內制造廠家尚需要進行相應的技術改造,目前主泵技術受讓單位沈鼓與哈電,所確定的國產化目標在第四臺核電機組上至少有2臺國產屏蔽泵參與機組運行。2008年3月,沈鼓、哈電分別與EMD公司簽訂了16臺主泵部分零件國內分包制造和2臺國產主泵分包制造合同,這是AP1000屏蔽主泵逐步實現國產化的重要里程碑,標識著AP1000屏蔽主泵國產化已進入了實施階段。2008年沈鼓、哈電最終通過了ASME授權檢驗機構進行的ASMEN及NPT認證。哈電、沈鼓在EMD的指導下,已開始部分設備的采購,并確保所采購的“缺口”設備在性能上滿足AP1000主泵生產的要求。目前,哈電AP1000主泵電機制造廠房已基本建成,沈鼓的主泵廠房也已進行施工。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,其采購模式尚未最終確定,國內單位的模擬件試制進展顯得尤為重要。上重、中船重工、一重、二重均開展了主管道的樣管試制工作,并取得較大進展,其中鋼錠化學成份完全滿足西屋公司的技術要求;通過主管道科研攻關,我國的大型超純凈奧氏體不銹鋼電渣錠技術已達到國際領先水平(2007年以前我國的電渣錠最大為45t水平,現在可以達到150t水平);AP1000主管道冷彎管核心技術取得突破,已達到目前國際同步水平;超低碳純凈不銹鋼基礎性理論研究和認識已接近世界同步水平。上重、431團隊已下達1:1模擬件開工令,如樣管符合要求首臺機組就可實現國產化2.4冷卻劑系統及管路爆破閥也是AP1000非能動裝置中的一種特殊設備,是用炸藥來執行開啟功能的,在核電站發生設計基準事故和嚴重事故情況下,執行或協助執行反應堆冷卻劑系統自動卸壓、低壓安注、安全殼再循環的功能,每臺機組中有12臺3種規格、2種口徑和2種壓力參數的爆破閥。海陽2號機組12臺閥門將由國內分包制造。中核蘇閥已制定ASMEN和NPT認證及國家核安全局取證工作計劃。中核蘇閥將與213所聯合開展爆破閥的國產化工作并簽訂了聯合研制協議。哈電集團閥門公司也將參與爆破閥的國產化工作。中方將派遣工程師參與SPX爆破閥QME試驗計劃的開發及其他設計任務2.5環吊方案提交2008年10月,工程公司已向太重、大起和上起廠發出依托項目第2,3,4號機組環吊招標文件。為協助三家指定用戶投標,西屋公司于2008年11月中旬向國家核電提交了環吊的初步設計圖紙,并已發送三家國內工廠。首批裝卸料設備制造技術資料(初步質量計劃)已按照合同進度如期到達并分發給國內工廠2.6中方對鋯材技術的限制鋯材的國產化是填補國內空白的項目,隨著國內核電的大規模發展前景廣闊,為此國家核電技術公司非常重視鋯技術的轉讓和國核鋯業的建廠。由于核級鋯技術屬于敏感技術,需要美國商務部另行審批并發放出口許可,為了早日獲得鋯技術出口許可,中方多次敦促西屋,并按照西屋的要求提交相關支持材料,在許可證條件不利于中方時,積極與西屋溝通,提出修改意見,最終獲得比較滿意的結果,為鋯材技術的轉讓和有效實施打下了良好的基礎。2007年11月,國家核電技術公司與寶鈦集團合資成立國核寶鈦鋯業股份公司,并經國務院許可,被指定為國內唯一的核電鋯材制造裝備技術受讓方。2009年8月,國家核級鋯材研發及檢測中心暨國家核級鋯材生產線項目在陜西寶雞開工建設。2.7刑罰安全殼容器國產化鋼制安全殼容器也是APl000的專有設備之一,容器底封頭是最先交貨的設備之一,與依托項目關系緊密。鋼制安全殼容器的國產化任務將由國家核電控股的山東核電設備制造公司承擔,首臺鋼制安全殼容器將由山東廠分包制造,后續機組的鋼制安全殼容器山東廠已經與國核工程公司簽訂供貨合同。山東設備公司已于2008年5月建成投產,作為西屋的設備分包商,山東廠申請了ASMEN和NPT證書,即將獲得ASME證書。2.8加堆壓力容器和蒸汽發生器的制造培訓工作三門和海陽2號機組的合同已分別與上海電氣、哈爾濱電站和一重集團簽訂。首批五個團組共計32人赴韓國斗山參加反應堆壓力容器和蒸汽發生器的制造培