增材制造助力核電備品備件管理

鄭 浩 ，盧 迪 ，宋丹戎 ，許 斌 ，陳海波 ，吳 昊 ，嚴連菊

（1.中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計國家級重點實驗室，四川成都610213；2.南方增材科技有限公司，廣東佛山528225）

0 前言

隨著環(huán)境問題的日益突出，核能作為清潔能源受到世界各國的青睞。我國是位居世界前列的核電大國，截止2018年4月，我國大陸運行的核電機組30臺，總裝機容量達2831kW，在建核電機組24臺，總裝機容量2 672 kW，在建核電機組數(shù)世界第一。我國核電站反應堆堆型種類多、功率各異，如秦山一期為自主設計的30萬kW的PWR壓水堆，秦山二期擴建為CNP600型壓水堆，秦山三期為CANDU 6型重水堆，大亞灣、嶺澳、方家山核電站為M310型壓水堆，田灣核電站為VVER堆型，在建的三門、海陽為AP1000型壓水堆，防城港為CPR1000型壓水堆，臺山為EPR型第三代壓水堆，石島灣為HTR200型高溫氣冷堆。多種類反應堆堆型對我國的核電建設和后期運營管理、維護提出了更高的要求。對于生產(chǎn)運營中的核電站，備品備件管理是一項重要內(nèi)容，它與電站運行管理、維修管理并稱為核電管理的三大板塊。備品備件的管理直接影響到核電站的安全和連續(xù)運行，以及核電站的運行成本和經(jīng)濟效益。研究核電站備品備件（以下簡稱“備件”）的管理，無論是核安全角度，還是經(jīng)濟效益角度看，均有重大意義。隨著核電站運行時間的增長，對備品備件的管理提出了更高的要求。

1 國內(nèi)核電站備品備件管理現(xiàn)狀

1.1 對核電站備品備件的管理要求

基于核電的特殊性，核電站備品備件的管理存在區(qū)別于其他行業(yè)的特殊性。首先從安全性角度出發(fā)，要保證核電站安全、可靠的運行，對備品備件的質(zhì)量要求高，在技術和管理方面對制造商的要求高，存在一定的進入壁壘；其次，從電站運行經(jīng)濟性角度出發(fā)，要盡可能地減少停堆時間，對備件的供貨快捷性的要求較高。

根據(jù)目前國內(nèi)主流的備件ABC分類法（帕累托分析法），從對電站運行可靠性和核安全保障性的影響程度將備件分為戰(zhàn)略備件、關鍵敏感部件（CCM部件）、重要部件（含維修戰(zhàn)略部件）、常用備件和常用消耗類物資。戰(zhàn)略備件和關鍵敏感部件屬于A類，數(shù)量約占總備件的20%，但庫存總額超過80%，是核電站備件管理的重點[1]。其中戰(zhàn)略備件指在電站設計壽期內(nèi)無預期更換的重大設備，該設備是對機組的可用率和核安全有直接、重大影響的整體設備，一般制造周期長、價格昂貴且更換時間長；關鍵敏感部件指為使所屬設備保持設計功能所必不可少的非通用類部件，其失效或缺失將導致所屬機組停堆的設備的部件；重要備件指影響單個設備運行的部件，用量不大，使用預期不確定，對核安全和機組運行有重大影響，屬于B類；常規(guī)部件一般指使用預期不確定，且對核安全和機組運行沒有重大影響，用量不大；常用消耗類物資指電站運行和日常維護中經(jīng)常消耗的材料，使用頻繁，用量大的小金額物資；常規(guī)部件和消耗物資，屬于C類。從核電站生命周期出發(fā)，備件可分為安裝調(diào)試備件和運行維修備件，其中運行維修備件分為計劃性預防維修備件和非計劃性維修備件。

為了保證核電機組的安全性和運行可靠性，備件一般重安全性，忽視經(jīng)濟性，儲備冗余大，備件使用、周轉率低，庫存積壓大，資金占有量大。據(jù)相關文獻顯示，大亞灣、嶺澳核電站一期4臺機組平均單臺機組備品備件庫存金額約7 000萬美元，平均單臺機組年度備品備件采購金額為820萬美元[2]。尤其是A、B類備件，主要有三個原因：

（1）備件種類繁多，高達萬余種。

（2）備件來源廣，廠家分布世界各國，采購難度大。前期核電站設備主要依賴國外進口，故備件也主要依靠進口，進一步增大了供應商的管理難度，如大亞灣核電站備件進口率高達100%，嶺澳核電站為75%[3]。

（3）可選供應商數(shù)量有限。備件安全和質(zhì)保要求高，對制造商進入存在技術壁壘和政策壁壘。

1.2 國內(nèi)核電站備品配件的管理模式研究現(xiàn)狀

周偉[3]、吳超群[4]的相關論述表明，備件的管理模式也在從傳統(tǒng)的各核電站獨立庫存模式向更先進、科學的專業(yè)化、集約化聯(lián)合儲備模式發(fā)展，即在一體化基礎上，建立的一種各核電站之間備件共存、共享的模式。該模式強調(diào)各方共同參與，可有效降低備件的管理成本，提升核電站的經(jīng)濟性。

聯(lián)合儲備模式主要有虛擬聯(lián)合庫存模式、實體聯(lián)合庫存模式、供應商聯(lián)合庫存模式三種模式。虛擬聯(lián)合模式是在信息共享的基礎上，各方可以相互調(diào)用對方倉庫中的共享備件。實體聯(lián)合庫存模式是各核電站共同選一地理條件對于參與方都較便利的地點，建設備件共享倉庫，共同管理或由第三方運營、管理。供應商聯(lián)合庫存模式即由供應商承擔共享倉庫，由供應商負責對備件的日常管理。

2 增材制造助力備品備件

2.1 增材制造技術介紹

增材制造技術相對于傳統(tǒng)的鑄、鍛等“等材制造”或“減材制造”而言，其最大特點是采用數(shù)字模型，快速制造出各種形狀和尺寸的零部件。這是一種通過激光、電子束或電弧等高能熱源，熔化金屬粉末或絲材，結合先進的數(shù)字化控制技術，通過小熔池、微冶金、快速凝固技術，逐層堆積出具有一定形狀和尺寸的零部件的新型制造技術。在小批量、個性化定制領域，優(yōu)勢獨特，并易于實現(xiàn)逆向制造，從已有的部件實物生成圖樣，再得到部件的模型，并以此為基礎對該部件進行剖析、改進，再設計，且在改進和再設計過程中，可從傳統(tǒng)的鑄、鍛產(chǎn)品設計線、面維度的優(yōu)化層面上升到點、線、面不同維度的優(yōu)化層面，充分運用拓撲優(yōu)化設計方法，進一步提升部件的可靠性和經(jīng)濟性。如3Dsystems為GE公司在增材制造技術基礎上，充分運用了拓撲優(yōu)化設計，成功對波音737飛機發(fā)動機支架進行了“瘦身”，比傳統(tǒng)零件質(zhì)量減輕了70%（資料來源：3Dsystems官網(wǎng)）。原737發(fā)動機支架和增材制造發(fā)動機支架分別如圖1、圖2所示。

圖1 原737發(fā)動機支架Fig.1 Original 737 engine stand

圖2 增材制造發(fā)動機支架Fig.2 Additive manufacturing engine stand

增材制造作為智能制造的典型新興技術，在世界各國得到了大力推進與發(fā)展。美國率先將其定位為國家戰(zhàn)略技術，隨后我國也在《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃和《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中將其列為重點發(fā)展技術，是推動制造業(yè)升級的重要技術之一，如北航的王華明院士團隊，西交大的盧秉恒院士團隊、西北工業(yè)大學的黃衛(wèi)東教授團隊，都取得了很大的突破和進展。但從目前我國增材制造技術的應用領域來看，主要集中在航空航天、醫(yī)療等領域，在核電領域的應用尚處于探索階段。2017年底，大亞灣核電站首次應用了南方增材科技有限公司采用電熔增材制造技術打印的一個SAP制冷機端蓋（見圖3），開啟了增材制造技術步入核電領域的大門。

2.2 增材技術為核電備件管理助力的構想

圖3 電熔增材制造SAP制冷機端蓋Fig.3 Electric smelting additive manufacturing end cap of SAP refrigerator

從前述分析可知，核電備件管理目前存在備件種類多、供應商繁多，采購周期不可控，并為了保證核電站的安全性和持續(xù)性，備品備件庫存大、周轉率低、資金占有量大的難點。各種聯(lián)合儲備管理模式在傳統(tǒng)的獨立儲備模式基礎上，雖然可釋放備件庫存，增大備件的流動率，釋放一定的備件資金，在備件管理成本方面改進明顯，但是對于備件種類繁雜、供應商繁多、供應鏈管理難度大等方面的改進相對較小。增材制造技術的核心競爭力恰是可實現(xiàn)多品種、多樣化部件的快速制造，因此增材制造技術可在先進的聯(lián)合儲備模式下，進一步改進備件的管理，形成供應商虛擬聯(lián)合儲備模式，即由供應商儲存各種備件的打印數(shù)字模型和打印工藝，根據(jù)各核電站的備件需求，合理安排備件生產(chǎn)。其主要改進體現(xiàn)在如下方面：

（1）可有效減少供應商數(shù)量，降低供應商管理成本。增材制造技術的最大優(yōu)勢在于對產(chǎn)品形狀的高度適應性，可將成千上萬的傳統(tǒng)制造業(yè)供應商變?yōu)樯贁?shù)增材制造商，有效降低供應商管理成本，且對備件的質(zhì)量管理更可靠。

（2）采用數(shù)字化庫存，進一步減少實體庫存。即儲存各種備件的打印模型和打印工藝，對于有明確需求時間的備件，根據(jù)增材制造生產(chǎn)力，制定合理的生產(chǎn)計劃，快速制造，而非提前采購，庫存再備用。

（3）可將傳統(tǒng)的儲存各種備件改為儲存統(tǒng)一的增材原材料，降低庫存管理成本。

增材制造技術在備品備件領域的應用空間是顯而易見的，但由于核電行業(yè)的特殊性，建議增材制造在核電備件領域的推廣應用路線可從運行維修備件中的C類備件著手，從非核級部件逐步推向核級部件，從結構件逐步推向承壓件，以最小程度降低新工藝對核安全和電站運行可靠性、持續(xù)性的影響。

2.3 增材制造在核電備品備件領域的應用瓶頸

（1）認證和資質(zhì)許可。

核電行業(yè)的準入，除了有較高的技術壁壘外，還有政策壁壘，對于核安全相關部件的制造，需取得國家核安全局的準入許可。但增材制造技術作為一種新興技術，其標準建設工作、產(chǎn)品質(zhì)量認證等工作尚處于起步階段，體系尚未健全，在一定程度上加大了其推廣和應用的難度。

（2）傳統(tǒng)設計和增材制造工藝的匹配度。

在金屬結構設計方面，制造工藝對結構有較大影響，如鑄件的起模斜度，加工件的退刀槽等；若采用增材制造技術，可進一步改進或取消起模斜度、退刀槽等工藝結構要求，甚至可根據(jù)增材制造的工藝特點，重新設計部件結構，故對核電站備件技術管理提出了更高的要求。

（3）經(jīng)濟性。

增材制造設備昂貴，并且受原材料的影響。增材制造商需優(yōu)化、研制原材料制造技術，改進增材制造工藝，提高原材料的利用率，整體降低原材料成本，提高增材制造技術的經(jīng)濟性。除此之外，也應積極開發(fā)如電熔增材等經(jīng)濟性好的增材制造技術。

3 結論

增材制造技術在備件領域具有良好的應用前景。為了更好、更快地滿足核電廠備件多樣、快速、高質(zhì)量的需求，前期準備工作非常必要。核電站作為需求方，需做好對增材制造的技術輸入，如常用備件的技術要求、需求周期，做好基于增材制造技術的備件結構設計優(yōu)化工作，并配合增材制造商做好備件的建模工作等。增材制造供應商應按照需求，提前做好相關工藝開發(fā)，并以核電需求為目標，開展各項材料性能試驗，以縮短后期的技術準備工作。