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(yán)連菊

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)的青睞。我國(guó)是位居世界前列的核電大國(guó)，截止2018年4月，我國(guó)大陸運(yùn)行的核電機(jī)組30臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)2831kW，在建核電機(jī)組24臺(tái)，總裝機(jī)容量2 672 kW，在建核電機(jī)組數(shù)世界第一。我國(guó)核電站反應(yīng)堆堆型種類多、功率各異，如秦山一期為自主設(shè)計(jì)的30萬kW的PWR壓水堆，秦山二期擴(kuò)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(tái)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(yīng)堆堆型對(duì)我國(guó)的核電建設(shè)和后期運(yùn)營(yíng)管理、維護(hù)提出了更高的要求。對(duì)于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的核電站，備品備件管理是一項(xiàng)重要內(nèi)容，它與電站運(yùn)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(yùn)行，以及核電站的運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益。研究核電站備品備件（以下簡(jiǎn)稱“備件”）的管理，無論是核安全角度，還是經(jīng)濟(jì)效益角度看，均有重大意義。隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，對(duì)備品備件的管理提出了更高的要求。

1 國(guó)內(nèi)核電站備品備件管理現(xiàn)狀

1.1 對(duì)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(yùn)行，對(duì)備品備件的質(zhì)量要求高，在技術(shù)和管理方面對(duì)制造商的要求高，存在一定的進(jìn)入壁壘；其次，從電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，要盡可能地減少停堆時(shí)間，對(duì)備件的供貨快捷性的要求較高。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)主流的備件ABC分類法（帕累托分析法），從對(duì)電站運(yùn)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(guān)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(guān)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(diǎn)[1]。其中戰(zhàn)略備件指在電站設(shè)計(jì)壽期內(nèi)無預(yù)期更換的重大設(shè)備，該設(shè)備是對(duì)機(jī)組的可用率和核安全有直接、重大影響的整體設(shè)備，一般制造周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴且更換時(shí)間長(zhǎng)；關(guān)鍵敏感部件指為使所屬設(shè)備保持設(shè)計(jì)功能所必不可少的非通用類部件，其失效或缺失將導(dǎo)致所屬機(jī)組停堆的設(shè)備的部件；重要備件指影響單個(gè)設(shè)備運(yùn)行的部件，用量不大，使用預(yù)期不確定，對(duì)核安全和機(jī)組運(yùn)行有重大影響，屬于B類；常規(guī)部件一般指使用預(yù)期不確定，且對(duì)核安全和機(jī)組運(yùn)行沒有重大影響，用量不大；常用消耗類物資指電站運(yùn)行和日常維護(hù)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(yùn)行維修備件，其中運(yùn)行維修備件分為計(jì)劃性預(yù)防維修備件和非計(jì)劃性維修備件。

為了保證核電機(jī)組的安全性和運(yùn)行可靠性，備件一般重安全性，忽視經(jīng)濟(jì)性，儲(chǔ)備冗余大，備件使用、周轉(zhuǎn)率低，庫存積壓大，資金占有量大。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，大亞灣、嶺澳核電站一期4臺(tái)機(jī)組平均單臺(tái)機(jī)組備品備件庫存金額約7 000萬美元，平均單臺(tái)機(jī)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(gè)原因：

（1）備件種類繁多，高達(dá)萬余種。

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

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

1.2 國(guó)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(guān)論述表明，備件的管理模式也在從傳統(tǒng)的各核電站獨(dú)立庫存模式向更先進(jìn)、科學(xué)的專業(yè)化、集約化聯(lián)合儲(chǔ)備模式發(fā)展，即在一體化基礎(chǔ)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(qiáng)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(jì)性。

聯(lián)合儲(chǔ)備模式主要有虛擬聯(lián)合庫存模式、實(shí)體聯(lián)合庫存模式、供應(yīng)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(chǔ)上，各方可以相互調(diào)用對(duì)方倉庫中的共享備件。實(shí)體聯(lián)合庫存模式是各核電站共同選一地理?xiàng)l件對(duì)于參與方都較便利的地點(diǎn)，建設(shè)備件共享倉庫，共同管理或由第三方運(yùn)營(yíng)、管理。供應(yīng)商聯(lián)合庫存模式即由供應(yīng)商承擔(dān)共享倉庫，由供應(yīng)商負(fù)責(zé)對(duì)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(shù)介紹

增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的鑄、鍛等“等材制造”或“減材制造”而言，其最大特點(diǎn)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(jié)合先進(jìn)的數(shù)字化控制技術(shù)，通過小熔池、微冶金、快速凝固技術(shù)，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(shù)。在小批量、個(gè)性化定制領(lǐng)域，優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，并易于實(shí)現(xiàn)逆向制造，從已有的部件實(shí)物生成圖樣，再得到部件的模型，并以此為基礎(chǔ)對(duì)該部件進(jìn)行剖析、改進(jìn)，再設(shè)計(jì)，且在改進(jìn)和再設(shè)計(jì)過程中，可從傳統(tǒng)的鑄、鍛產(chǎn)品設(shè)計(jì)線、面維度的優(yōu)化層面上升到點(diǎn)、線、面不同維度的優(yōu)化層面，充分運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步提升部件的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。如3Dsystems為GE公司在增材制造技術(shù)基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，成功對(duì)波音737飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)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(dòng)機(jī)支架和增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)支架分別如圖1、圖2所示。

圖1 原737發(fā)動(dòng)機(jī)支架Fig.1 Original 737 engine stand

圖2 增材制造發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)，在世界各國(guó)得到了大力推進(jìn)與發(fā)展。美國(guó)率先將其定位為國(guó)家戰(zhàn)略技術(shù)，隨后我國(guó)也在《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃和《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中將其列為重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，是推動(dòng)制造業(yè)升級(jí)的重要技術(shù)之一，如北航的王華明院士團(tuán)隊(duì)，西交大的盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)、西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)，都取得了很大的突破和進(jìn)展。但從目前我國(guó)增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域來看，主要集中在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，在核電領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于探索階段。2017年底，大亞灣核電站首次應(yīng)用了南方增材科技有限公司采用電熔增材制造技術(shù)打印的一個(gè)SAP制冷機(jī)端蓋（見圖3），開啟了增材制造技術(shù)步入核電領(lǐng)域的大門。

2.2 增材技術(shù)為核電備件管理助力的構(gòu)想

圖3 電熔增材制造SAP制冷機(jī)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(yīng)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(zhuǎn)率低、資金占有量大的難點(diǎn)。各種聯(lián)合儲(chǔ)備管理模式在傳統(tǒng)的獨(dú)立儲(chǔ)備模式基礎(chǔ)上，雖然可釋放備件庫存，增大備件的流動(dòng)率，釋放一定的備件資金，在備件管理成本方面改進(jìn)明顯，但是對(duì)于備件種類繁雜、供應(yīng)商繁多、供應(yīng)鏈管理難度大等方面的改進(jìn)相對(duì)較小。增材制造技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力恰是可實(shí)現(xiàn)多品種、多樣化部件的快速制造，因此增材制造技術(shù)可在先進(jìn)的聯(lián)合儲(chǔ)備模式下，進(jìn)一步改進(jìn)備件的管理，形成供應(yīng)商虛擬聯(lián)合儲(chǔ)備模式，即由供應(yīng)商儲(chǔ)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(jìn)體現(xiàn)在如下方面：

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

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

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

增材制造技術(shù)在備品備件領(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)域的推廣應(yīng)用路線可從運(yùn)行維修備件中的C類備件著手，從非核級(jí)部件逐步推向核級(jí)部件，從結(jié)構(gòu)件逐步推向承壓件，以最小程度降低新工藝對(duì)核安全和電站運(yùn)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(lǐng)域的應(yīng)用瓶頸

（1）認(rèn)證和資質(zhì)許可。

核電行業(yè)的準(zhǔn)入，除了有較高的技術(shù)壁壘外，還有政策壁壘，對(duì)于核安全相關(guān)部件的制造，需取得國(guó)家核安全局的準(zhǔn)入許可。但增材制造技術(shù)作為一種新興技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作、產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)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(yīng)用的難度。

（2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和增材制造工藝的匹配度。

在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，制造工藝對(duì)結(jié)構(gòu)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(shù)，可進(jìn)一步改進(jìn)或取消起模斜度、退刀槽等工藝結(jié)構(gòu)要求，甚至可根據(jù)增材制造的工藝特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)部件結(jié)構(gòu)，故對(duì)核電站備件技術(shù)管理提出了更高的要求。

（3）經(jīng)濟(jì)性。

增材制造設(shè)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(shù)，改進(jìn)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(shù)的經(jīng)濟(jì)性。除此之外，也應(yīng)積極開發(fā)如電熔增材等經(jīng)濟(jì)性好的增材制造技術(shù)。

3 結(jié)論

增材制造技術(shù)在備件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)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(zhǔn)備工作非常必要。核電站作為需求方，需做好對(duì)增材制造的技術(shù)輸入，如常用備件的技術(shù)要求、需求周期，做好基于增材制造技術(shù)的備件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)商應(yīng)按照需求，提前做好相關(guān)工藝開發(fā)，并以核電需求為目標(biāo)，開展各項(xiàng)材料性能試驗(yàn)，以縮短后期的技術(shù)準(zhǔn)備工作。