核電閥門國產化研究

張興法

（湖南桃花江核電有限公司，湖南 益陽 413000）

1 核電站閥門的基本情況和主要技術要求

1.1 核電站閥門的基本情況

核電閥門是指在核電站中核島（NI）、常規島（CI）和核電站輔助設施（BOP）系統中使用的閥門。核電閥門是核電站中使用數量較多的介質輸送控制設備，它連接整個核電站的眾多系統，具有截止、調節、導流、防逆流、穩壓、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。

核安全級閥門的產品規格DN3～DN1200；

壓力等級 0.1～42 MPa；

溫度范圍 －25～350 ℃；

閥門材質 304、304L、316、316L、低合金鋼、碳鋼；

質保等級 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，其投資費用約占設備總投資的5%～6%。在核島、常規島及電站輔助設施（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。

1.2 核電站閥門的工況與技術要求

（1）工作條件與常見故障

核電閥門具有正常、異常、應急和事故4類工況；常見的故障有閥桿泄漏、閥座泄漏、執行機構選配過大和關閉力矩過高引起的密封面損壞以及外泄漏等4種。核電閥門設計時必須針對閥門4類工況進行設計，使其在核電廠壽命期內4種故障不會出現，確保系統壓力邊界完整、系統功能不喪失。

（2）核電閥門技術要求

根據核電閥門（主要核安全級閥門）運行的實際工況，核電閥門其技術特點和要求比火電閥門更高。核電閥門的技術要求除了閥門常規的技術要求外，還要著重考慮介質中雜質的污染、環境溫度、運行溫度、環境濕度、放射性、直流電源及電壓波動、有關地震和振動條件下穩定性的技術要求、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、結構設計

由于核電系統輸送介質大多帶有放射性，故對泄露有嚴格限制，故ASME標準對閥門的強度、結構均有特殊的要求和規定；除常規的強度計算、抗震計算分析外，對核安全Ⅰ級的閥門，還需進行薄膜應力、彎曲應力的極限計算，對疲勞應力進行計算、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）核電閥門驅動裝置

核電閥門驅動裝置的性能和質量非常重要和關鍵，必須具有安全操作的可靠性，同時，應能承受溫度、壓力、濕度、輻照、地震破壞、化學污染及所供電源變化的最大值，而且必須在發生失水故障（LOCA）的情況下，仍能在規定的期限內工作（一般標準為14?d）。

（6）核電閥門的試驗與檢驗

核電閥門必須進行常規的水壓試驗，靜壓壽命試驗，電動、氣動閥的執行機構還需進行抗震試驗等。

對一回路的重要閥門還必須經過冷態、熱態和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描述，并提供了評定標準）。

1.3 核電閥門技術標準

目前我國使用的核電閥門相關標準主要有：

EJ／T1022．1-18—1996《壓水堆核電廠閥門系列》；

ASME QME-1—2002《核電站現行設備的質量要求》;

ASME BPV-II《ASME鍋爐和壓力容器規程第2節:材料》;

ASME BPV-III《ASME鍋爐和壓力容器規程第3節:核設施元部件制造規則》；

ASME BPV-V《ASME鍋爐和壓力容器規程第5節:無損檢驗》；

ASME BPV-IX《ASME鍋爐和壓力容器規則第9節: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級設備的質量鑒定》；

ANSI／IEEE344—1987《核電站1E級設備抗地震鑒定的推薦規程》；

ANSI／IEEE382—1996《核電站電力操作閥組調節器安全相關性能的質量鑒定》；

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備設計和建造規則》。

2 核電閥門發展趨勢和閥門制造業的基本現狀

2.1 核電閥門發展趨勢

隨著第三代反應堆技術的日趨成熟以及第四代反應堆的研究開發,核電技術都朝著大機組、高參數和新堆型的方向發展，今后建設的核電站中，機組容量的發展方向大機組、大容量，目前國內主要在建機組基本都在100萬kW以上，最大165萬kW，國內在建核電機組見表7。國家已同意進行前期準備的核電機組都在100萬kW以上，國內擬建核電項目如表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、高性能方向發展，其可靠性、安全性的要求將越來越高。作為核電站系統安全保障的關鍵設備——核電閥門，必須適應這種發展趨勢。

核電閥門，由于其使用工況特殊、復雜、惡劣，加之量大面廣，故其要求相對較高。為滿足這種發展趨勢，遠端自動控制、高可靠性、長壽命的閥門是今后核電閥門研制和開發的基本方向。

2.2 國內核電閥門水平與現狀

國內核級閥門研制起步于20世紀60年代初，經過幾十年的努力，國內已形成了一定規模的核級閥門設計、實驗、制造、檢測能力，并為秦山核電站一期、二期建設提供了一定量的核級和非核級閥門，為核電閥門國產化做出了重要貢獻。

國內目前已有22個企業獲得了國家核安全局頒發的民用核承壓設備設計和生產資格許可證，可以設計、生產核安全級閥門。已成功研制生產了閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥、彈簧式安全閥、調節閥、節流閥、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具備設計生產核Ⅰ級閥門。

表7 國內在建核電機組Table 7 Nuclear power plants under construction in China

表8 國內擬建核電機組Table 8 Nuclear power plants to be built in China

我國的閥門企業已具備生產所有核Ⅲ級與非核級閥門（主蒸汽隔離閥、主蒸汽安全釋放閥、調節閥等關鍵閥門除外）、具備生產大部分核Ⅱ級與少量核Ⅰ級閥門，國產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比率大幅提高的主

表9 運行核電站核級國產閥門比率Table 9 Localization ratio of nuclear-class valves in operating NPPs

表10 在建部分核電站閥門國產比率Table 10 Ratio of localization valves some NPP under construction

*:海陽、三門數據是目標計劃，由于國內閥門廠家不滿足美國ASME制造標準，部分閥門無法實現國內供貨，實際國產比例會降低（數據來源2010年12月全球閥門網）。要原因在于國家大力推廣核電閥門國產化的結果。

2.3 國內核電站國產閥門比例低的原因分析

（1）缺少核電閥門業績

22家核閥生產企業中，只有中核蘇閥科技實業股份有限公司、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閥門廠家在運行的核電站具有核電站閥門供貨業績，主要是非核安全級的普通閥門和數量不多的核安全Ⅱ、Ⅲ級閥門。

目前，具備生產核Ⅰ級閥門企業，核Ⅰ級閥門產品比較單一，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核電閥門比較而言，閥門種類齊全、核電業績豐富，國外部分為核電站配套閥門情況見表11。

（2）閥門質量仍有欠缺

閥門質量缺陷主要表現在閥門密封、壽命不達標，導致在電站壽命期內閥門更換頻率加快，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）國外閥門企業的技術壟斷和傾銷

國外核電閥門已形成了完整的設計、實驗、制造、檢測體系，積累了大量的經驗，產品成熟、技術比較先進，他們壟斷先進閥門的技術和市場，不對我國開放，比如，如先導式安全閥、主蒸汽隔離閥、調節閥等關鍵閥門和核Ⅰ級閥門，總數量不到電站閥門總數的15%，價格確占全部閥門價格的60%以上。一旦我國成功研發某項關鍵閥門，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業。

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）國內閥門企業信譽度較差

國內閥門假冒偽劣產品頻現市場，同時受技術經驗不成熟影響，已簽合同執行不得力影響了我國核電閥門企業信譽度。

（5）制度不完善

閥門企業的認證還停留在形式，質保體系不健全，檢驗手段和措施不能落實到位，員工素質有待提高，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。國內核電閥門存在以上諸多問題，導致核電站業主不愿或不輕易采用國內廠商生產的核電閥門。

2.4 國內核電閥門行業存在的差距和不足

與國際水平相比國內核電閥門在以下幾個方面仍有較大差距。

（1）設計能力不足，閥門種類不齊全，配套閥門檔次不高

國內的設計水平與科技發達國家有差距，特別是主蒸汽隔離閥、大口徑安全閥、抗地震控制閥等技術含量高的核電閥門仍未取得重大突破。只有少數廠家較完整地掌握了核電閥門的應力計算和抗震分析、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計院或高校進行抗震分析，在一定程度上制約了企業的研發能力。

（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，在事故狀態下動作及時準確非常重要，如主蒸氣隔離閥，按要求打開的時間僅為幾秒鐘，如果出現動作不及時或誤操作都將產生嚴重的后果。因此，閥門驅動裝置的性能和質量非常重要。而我國閥門配套用電動執行機構控制水平低，仍然停留在國外二十世紀七八十年代的水平，與國外先進水平差距較大。通用執行機構的控制精度不高,動作不靈敏，與國外同類產品相比還有一定差距。

（3）制造設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成分含量、均勻度要求非常嚴格，不允許有夾渣、氣孔等缺陷存在。國內鋼廠在鑄造工藝和基礎機械加工上還存在欠缺；大部分廠家機加工技術不能滿足要求，產品制造精度偏低，生產的閥門不能滿足核電裝備的運行需求。

輔助制造技術，大型鑄造技術，如主蒸汽隔離閥的閥體鑄造；大型鍛造技術，國外的核電閥門大量地采用鍛造結構，且采用模鍛的形式，國內尚未應用；焊接技術，特別是無鈷焊接技術和真空釬焊技術等，國外已經很成熟，但國內閥門行業還在研究階段。

（4）試驗技術和試驗手段尚在研發之中

我國核電設備的國家標準尚不完全，核電產業開發時間較短，許多試驗技術和試驗手段尚在研發之中，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據和應用數據無法保證閥門試驗、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，穩壓器安全閥的排量試驗等，國內試驗臺架尚在研發之中，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。

3 核電閥門國產化的目標和建議措施

3.1 國產化的目標

我國二代加核電技術依托近期要建設的核電站工程項目，實現非核安全級和核級閥門全部國產化，核Ⅱ級閥門國產化率達到80%，核Ⅰ級閥門達到70%。

AP1000經過依托項目4臺機組，核Ⅰ級、核Ⅱ級閥門國產化率達到60%以上，其他閥門全部國產化。

3.2 技術措施

（1）以我為主，自主研發和技術引進相結合，同時加強與國外核電閥門企業的合作

核Ⅱ、Ⅲ級（2 5001b以下）、部分核Ⅰ級的閥門以自主研發為主；其他核電站的關鍵閥門（如主蒸汽隔離閥、比例噴霧閥等），采取自主研發、部分與國外合作，包括技術引進、合作生產、采購配套等方式。

充分利用國外核電閥門企業的先進的技術、資金及管理等優勢，提升自身的技術實力和管理水平，完善測試手段和檢驗方法，最終在我國實現核電閥門領域國產化的目標。

以在建的核電工程項目為依托，分步驟、有選擇地進行國產化，通過科研攻關和技術改造，完成核安全級閥門及核電站關鍵閥門電動裝置、閥門配套用密封件和波紋管，以及核Ⅰ級手動閥門的國產化，最終實現核電閥門國產化目標。

（2）完善我國核電閥門的技術標準和規范，提升閥門實驗、鑒定水平

將現有的EJ、GB、按ASME、RCC-M標準進行補充完善，盡快制定符合國情的中國核電閥門標準和規范，以促進國內核電閥門在設計、選材制造、檢驗等各個環節國產化進程。

整合中國閥門行業核電閥門的實驗、檢測和鑒定的設備和能力，資源共享，避免重復投資重復建設，加快核電閥門的研制速度。

（3）閥門企業加大核電閥門人才培養，提高閥門設計和制造能力和水平

加強核電人才培養和引進核電技術的消化吸收，提高核電閥門的設計能力和水平，增加閥門設計軟件和硬件投資，保證閥門設計、制造手段先進，確保閥門零部件加工和整機裝配質量可靠。

強化焊接、無損檢測、熱處理等特種工藝人員的培訓考核。研究和采用先進的工藝技術，使零部件制造質量達到設計圖樣和標準規范的要求。

（4）加強過程管理，提高管理水平

對閥門企業進行核安全意識方面的教育和培訓，加強核電閥門的設計、制造全過程的質量管理，提高管理水平，促進核閥門企業管理水平的全方位提升。

3.3 政策措施

（1）制訂了核電設備主設備（核電閥門）發展規劃，將核電閥門技術攻關項目列入國家重大技術裝備攻關計劃，并重點在預算內給予資金支持，重點扶持幾家有條件的企業進行科研開發和必要的技術改造，避免重復建設。

（2）國家制定專項政策，用戶積極配合，突破首臺首套的業績門檻；對部分國內尚不能完全掌握技術的產品，堅持技貿結合，引進關鍵技術，合作制造，分階段實現國產化，國家在研發資金上給予資金上的政策傾斜。

（3）建設國家級的核電閥門試驗基地。閥門產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，國內閥門企業受資金投入限制以及技術基礎薄弱，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，可確保核電大發展，閥門國產化的研發、試驗需要。

4 結束語

核電閥門國產化不僅可以降低核電造價，同時對國家核電戰略目標實現以及確保國家能源安全穩定具有重大戰略意義。

機不可失，時不再來，我們必須借助于中國核電大發展的機遇，積極推進我國核電閥門產業的國產化和自主化，提高我國核閥產業的競爭能力，實現我國核電產業的平穩、健康、有序地發展，推動我國核工業與世界核電產業接軌，優國核電大發展的機遇，積極推進我國核電閥門產業的國產化和自主化，提高我國核閥產業的競爭能力，實現我國核電產業的平穩、健康、有序地發展，推動我國核工業與世界核電產業接軌，優化我國能源結構，實現我國能源安全供應的戰略目標。

[5] 2010年中國閥門制造業發展趨勢與措施[EB]. 中國

[1] 黃明亞. 百萬千瓦核電機組閥門國產化探討[J].GM通用機械，2006, 09.（HUANG Ming-ya.Localization of Valve Manufacture for 1000MW-class Nuclear Power Plant [J]. GM Mechanics,2006, 09.）

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