ap1000核岛关键设备的制造技术

ap1000核岛关键设备的制造技术

近年来，随着中国和世界能源形势的变化，为了满足能源发展的需求，缓解资源和环境压力，中国政府加强了能源结构的优化和调整。其中，核电厂的发展被认为是中国能源有序、健康发展的一项紧迫和战略选择。因此，中央政府实施了多项重要措施，促进核计算机化快速发展。2007年底我国发布《核电中长期发展规划(2005—2020)》,首次明确了核电在国家能源结构中的战略地位,明确了“积极推进核电建设”的方针;同时,我国组建成立“国家核电技术公司”,引进第三代核电AP1000技术,核电发展走上引进、消化、吸收和再创新的道路,最终形成具有自主知识产权的核电技术。AP1000属于第三代先进压水堆,与标准的第二代反应堆相比,其中部分核岛关键设备具有明显的变化,一些关键技术还处于试验阶段,国内制造厂家缺乏相关的制造技术和经验,给设备的国产化带来了巨大困难。本文将对AP1000核电关键设备的制造特点及国产化问题进行一些评述。1蒸汽发生器的优化设计AP1000是美国西屋公司开发的一种双环路、百万千瓦级的先进压水堆核电机组,其反应堆一回路由1台反应堆压力容器、1台稳压器、2台大容量的蒸汽发生器、4台屏蔽式主泵、4条冷段和2条热段管道组成。由于主泵入口直接和蒸汽发生器下封头焊接在一起,取消了第二代反应堆中蒸汽发生器与主泵入口之间的U型连接管道;同时,通过对主管道简化设计,减少了焊缝和支撑。AP1000堆芯设计类似于西屋设计的M314堆型,其主回路设计类似于美国燃烧工程公司(cE)设计的System80,蒸汽发生器采用Delta125,主泵采用大型屏蔽泵,专设安全设施采用了非能动技术。AP1000是在AP600的基础上适当改进的结果,机组采用单堆布置方式,为了达到更高的电站功率,一方面加大了核蒸汽供应系统主要部件的尺寸,包括增加反应堆压力容器的高度、堆芯长度,另一方面增大蒸汽发生器、稳压器、汽轮机的尺寸和容量以及燃料组件的数目。为了实现非能动安全系统设计,采用了带变频器的大型屏蔽泵1.1上封头、下壳体AP1000反应堆压力容器是一个由壳体、过渡环、半球形底封头及可拆卸带法兰上封头构成的圆柱形结构。壳体包括两部分:上壳体(接管段)和下壳体(活性段),见图1。下壳体和底封头之间用一个过渡环连接。上壳体、下壳体、过渡段和半球形底封头由低合金钢制造,内部堆焊奥氏体不锈钢,每个部件之间采用焊接连接。封头由顶盖和法兰制成。上封头为控制棒驱动机构、堆内测量提供了安装孔和支撑,为RPV放气管和一体化堆顶提供了支撑。压力容器在堆芯顶部以下的位置没有贯穿孔,排除了压力容器泄漏导致失水事故的可能压力容器高约12200mm,堆芯区的内径为4040mm,总重为425.3t,由SA-508-3锻件和低合金钢板制造。下封头球体内半径为1980mm;下壳体是个环形锻件,厚203.2mm,内径4040mm;上壳体是大型环形锻件,带4个内径为558.8mm的入口接管嘴,2个内径为787.4mm的出口接管嘴和2个内径为173mm的直接注入接管嘴。压力容器整体上封头的球体内半径为968mm,外部法兰外径775.2mm,45个177.8mm的螺栓将封头与下部压力容器相连,2个O型金属密封圈起密封作用。上封头上具有69个101.6mm的贯穿孔以插入控制棒驱动机构,42个贯穿孔用于放置堆内测量管1.2传热管的设计AP1000机组采用2台Delta125型直立式U形管蒸发器。该设计以标准的西屋F堆型技术为基础,每套机组热功率达到1707.5MW。Delta125型蒸汽发生器的传热管采用耐腐蚀的lnconel-690合金材料,采用不锈钢梅花孔传热管支撑板,带有过滤、除气和防水锤外的给水分配系统以及纯度最低为99.75%的汽水分离器。这些措施使该设计可以满足AP1000长期可靠使用的性能要求。每台蒸汽发生器下封头悬吊2台主泵,主泵入口管和蒸汽发生器的下封头上的出口管通过焊接连接在一起,见图2。蒸汽发生器总高度22454mm,上壳体内径5334mm,下壳体内径4191mm,管板的厚度为787mm,重量约600t1.3电机和元件的选用反应堆冷却剂泵是主回路中唯一能动部件,为屏蔽电机泵,由美国EMD公司提供。该泵由水力部件和电机部件两部分组成:水力部件主要是由泵壳、叶轮和导叶等零部件组成的混流式泵,泵和电机之间由热屏隔离堆芯冷却剂的高温,见图3;电机是一种专门设计的单绕组、四极、三相、屏蔽套式感应电机,采用60Hz电源,由变频器启动和运行,电机主要部件包括水润滑轴承、屏蔽套、飞轮、定子绕组及冷却装置。与以往采用的轴封式主泵不同,AP1000的反应堆冷却泵轴上带有一个转动惯量很大的飞轮。屏蔽泵电机壳体及用镍基合金材料屏蔽的转子和定子均是一回路介质的压力边界。为避免一回路带有放射性水的外泄,对零部件的加工焊接和装配以及石墨润滑轴承、陶瓷密封端子要求极高,而且必须在1:1的试验回路上进行试验,在各种性能都能满足AP1000核电站要求后,才能正式投入产品的生产。反应堆冷却剂泵设计压力17.1MPa,设计温度343℃,总高6.69m,总质量83.68t,泵设计流量17886m1.4体化顶盖组件一体化顶盖组件是压力容器顶盖的一个组装部件,堆顶结构示意见图4,包括顸盖、控制棒驱动机构、棒位指示器、驱动机构的冷却挡板、空气出口增压,顶盖通风管道、屏蔽罩、抗振支撑板、吊耳、电缆、电缆连接器,附着在顶盖上的其它结构物以及堆芯测量仪表。一体化顶盖组件将这些分开的部件与顶盖一起组成一个结构,更换燃料时可以作为一个单个的结构被拆除和移动到储存架上。采用一体化顶盖组件可以缩短停堆周期、优化占用空间、便于电缆断开和连接,还可以提高操作人员的安全性、减少人力需求。1.5下封头中央电加热器AP1000稳压器采用电加热立式圆筒形结构设计。稳压器上封头为半球形,与筒体等厚。上封头设有一个人孔、一个喷雾接管、两个安全阀接管;下封头中央为波动管接管,设置了5组直插式电加热器。通常电加热器与其套管之间采用机械密封,便于拆装;稳压器下筒体内还设置上下隔板,作为电加热器横向支承。稳压器设计压力17.1MPa,设计温度360℃,波动管管嘴名义直径Φ457.2mm,喷雾管管嘴名义直径Φ101.6mm,安全阀管嘴名义直径Φ355.6mm,稳压器内径Φ2290mm,总高15420mm,内部容积59.47m1.6堆芯知识产权部分组成堆内构件是反应堆压力容器内支承堆芯的结构部件。堆内构件由上部构件和下部构件两部分组成,主要材料是300系列的奥氏体不锈钢。上部堆芯支承部件由上部支承板、上堆芯板、支撑柱和导向筒组成,见图6。下部堆芯支承部件由吊兰同体、下部堆芯支承板、堆芯二次支承,涡流抑制板、堆芯围筒、径向支承键及相互附属部件组成,见图7。2设备引进情况在AP1000J技术转让中,西屋公司转让核岛工艺与系统设计,提供主要设备的技术规格书和指导图,以及核蒸汽关于系统的主设备基础设计。根据国家核电技术有限公司与西屋电气公司的协议,其他设备的设计与制造技术由西屋(分包方)提供。目前,有关主设备的设计、制造技术转让谈判已基本结束(包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、堆内构件、控制棒驱动机杆、反应堆冷却剂水泵和环型吊车、装卸料机等)。大型铸锻件的冶炼、浇铸、热处理和核级阀门等不属本次的技术转让范围,没有进行谈判,AP1000设备技术引进情况见表1。AP1000设备自主化总体目标是:通过引进技术的消化吸收以及依托工程四台机组的建设,全面掌握AP1000设备的设计和制造技术,基本具备自主生产制造后续机组关键设备的能力。AP1000自主化依托项目4台机组国产化比例约为:30%,50%,60%和70%～80%,4台机组的国产化统计平均比例约为50%。其中三门核电2台机组的国产化比例分别为30%和60%;山东海阳2台机组国产化比例分别为50%和70%～80%2.1关于技术攻关AP1000反应堆压力容器所需的大型铸锻件必须满足60年寿命的要求,其中法兰接管段、一体化上封头、下封头的毛坯约需350t的合金钢锭,最大的钢锭重量达400～500t,锻件原材料采用SA508.3,但目前只有日本可供货,而且很难订上货。国内一重公司已为我国核电扩建项目冶炼出法兰接管段钢锭,并为AP1000试制出一体化顶盖锻件;该公司正在为型线复杂的蒸发器下封头翻边工艺进行试验,以便与屏蔽泵壳体采取对接焊,采用翻边工艺则需要更大的锻造能力、更高的技术和更复杂的工装。一重目前已有1.5万t的水压机和600t的铸钢能力,从硬件设施看,可以解决这一重大难题,但必须进行技术攻关。另外,需要使用大型铸锻件的压力容器、蒸汽发生器等一回路主设备,国内一重、上海锅炉有限公司等单位过去均有生产业绩,所以在AP1000第三、四台机组上实现国产化是没问题的,特别是稳压器设备,AP1000第一台机组就可以实现国产化。2.2防护元件的国产化及其认证AP1000的主泵是屏蔽泵,是美国电气机械公司(EMD)独自开发用于AP1000的主泵。与以往的轴封式主泵相比,其加工精度要求高,配件又是非商品级的,国产化难度很大。由于AP1000主泵还没有原型,国内厂家更是缺乏相关技术和制造经验,需要等美国EMD完成制造并经鉴定合格后才能转让技术和培训,国内制造厂家尚需要进行相应的技术改造,目前主泵技术受让单位沈鼓与哈电,所确定的国产化目标在第四台核电机组上至少有2台国产屏蔽泵参与机组运行。2008年3月,沈鼓、哈电分别与EMD公司签订了16台主泵部分零件国内分包制造和2台国产主泵分包制造合同,这是AP1000屏蔽主泵逐步实现国产化的重要里程碑,标识着AP1000屏蔽主泵国产化已进入了实施阶段。2008年沈鼓、哈电最终通过了ASME授权检验机构进行的ASMEN及NPT认证。哈电、沈鼓在EMD的指导下,已开始部分设备的采购,并确保所采购的“缺口”设备在性能上满足AP1000主泵生产的要求。目前,哈电AP1000主泵电机制造厂房已基本建成,沈鼓的主泵厂房也已进行施工。2.3不锈钢的管理工艺与第二代核电站采用铸造不锈钢管完全不同,AP1000的主管道采用了整体锻造、加工、弯管的不锈钢管道,管道中间不允许有环焊缝,这要求锻造中有更多的不锈钢水,其冶炼、浇铸、铸造、热处理、深孔加工、弯管等工艺都有较大困难。目前,其采购模式尚未最终确定,国内单位的模拟件试制进展显得尤为重要。上重、中船重工、一重、二重均开展了主管道的样管试制工作,并取得较大进展,其中钢锭化学成份完全满足西屋公司的技术要求;通过主管道科研攻关,我国的大型超纯净奥氏体不锈钢电渣锭技术已达到国际领先水平(2007年以前我国的电渣锭最大为45t水平,现在可以达到150t水平);AP1000主管道冷弯管核心技术取得突破,已达到目前国际同步水平;超低碳纯净不锈钢基础性理论研究和认识已接近世界同步水平。上重、431团队已下达1:1模拟件开工令,如样管符合要求首台机组就可实现国产化2.4冷却剂系统及管路爆破阀也是AP1000非能动装置中的一种特殊设备,是用炸药来执行开启功能的,在核电站发生设计基准事故和严重事故情况下,执行或协助执行反应堆冷却剂系统自动卸压、低压安注、安全壳再循环的功能,每台机组中有12台3种规格、2种口径和2种压力参数的爆破阀。海阳2号机组12台阀门将由国内分包制造。中核苏阀已制定ASMEN和NPT认证及国家核安全局取证工作计划。中核苏阀将与213所联合开展爆破阀的国产化工作并签订了联合研制协议。哈电集团阀门公司也将参与爆破阀的国产化工作。中方将派遣工程师参与SPX爆破阀QME试验计划的开发及其他设计任务2.5环吊方案提交2008年10月,工程公司已向太重、大起和上起厂发出依托项目第2,3,4号机组环吊招标文件。为协助三家指定用户投标,西屋公司于2008年11月中旬向国家核电提交了环吊的初步设计图纸,并已发送三家国内工厂。首批装卸料设备制造技术资料(初步质量计划)已按照合同进度如期到达并分发给国内工厂2.6中方对锆材技术的限制锆材的国产化是填补国内空白的项目,随着国内核电的大规模发展前景广阔,为此国家核电技术公司非常重视锆技术的转让和国核锆业的建厂。由于核级锆技术属于敏感技术,需要美国商务部另行审批并发放出口许可,为了早日获得锆技术出口许可,中方多次敦促西屋,并按照西屋的要求提交相关支持材料,在许可证条件不利于中方时,积极与西屋沟通,提出修改意见,最终获得比较满意的结果,为锆材技术的转让和有效实施打下了良好的基础。2007年11月,国家核电技术公司与宝钛集团合资成立国核宝钛锆业股份公司,并经国务院许可,被指定为国内唯一的核电锆材制造装备技术受让方。2009年8月,国家核级锆材研发及检测中心暨国家核级锆材生产线项目在陕西宝鸡开工建设。2.7刑罚安全壳容器国产化钢制安全壳容器也是APl000的专有设备之一,容器底封头是最先交货的设备之一,与依托项目关系紧密。钢制安全壳容器的国产化任务将由国家核电控股的山东核电设备制造公司承担,首台钢制安全壳容器将由山东厂分包制造,后续机组的钢制安全壳容器山东厂已经与国核工程公司签订供货合同。山东设备公司已于2008年5月建成投产,作为西屋的设备分包商,山东厂申请了ASMEN和NPT证书,即将获得ASME证书。2.8加堆压力容器和蒸汽发生器的制造培训工作三门和海阳2号机组的合同已分别与上海电气、哈尔滨电站和一重集团签订。首批五个团组共计32人赴韩国斗山参加反应堆压力容器和蒸汽发生器的制造培