關(guān)于推進(jìn)核電焊接領(lǐng)域國產(chǎn)化、智能化的探索

李想，劉煥

（上海市核電辦公室，上海200032）

焊接作為一種通過熱加工實(shí)現(xiàn)材料連接的手段，廣泛應(yīng)用于我國工業(yè)的各個領(lǐng)域，是裝備制造業(yè)不可或缺的技術(shù)手段，其發(fā)展水平從一個側(cè)面展現(xiàn)了我國工業(yè)的基礎(chǔ)能力。核電作為最復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)之一，是典型的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，是我國先進(jìn)制造業(yè)和先進(jìn)服務(wù)業(yè)的用武之地［1］。焊接在核電領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義，它既是主設(shè)備如壓力容器、穩(wěn)壓器、控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的制造工序之一，也是工程設(shè)備安裝過程中的重要工藝之一，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到核電的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

然而，在核電工程建設(shè)中，大型設(shè)備的國產(chǎn)化工作受到了更多的重視，而焊接領(lǐng)域的研發(fā)水平和制造技術(shù)與國外還存在較大差距，部分核電建造關(guān)鍵的焊接設(shè)備、焊材、檢測裝備仍依賴于國外進(jìn)口，導(dǎo)致了核電建設(shè)進(jìn)度及發(fā)展受制于人的“卡脖子”問題。因此，尋找一攬子的解決方案，推進(jìn)核電焊接領(lǐng)域的國產(chǎn)化、智能化發(fā)展具有重要的意義。

1 核電焊接領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀和不足

國外核電焊接領(lǐng)域發(fā)展較早，重視程度高，已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，工程建設(shè)中參考標(biāo)準(zhǔn)體系完備。我國核電從秦山起步，經(jīng)過二代加核電的批量建設(shè)、運(yùn)行，三代核電消化引進(jìn)吸收，焊接水平取得了長足的進(jìn)步，常規(guī)焊材、焊機(jī)等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)生產(chǎn)，一批可靠的供應(yīng)商逐步發(fā)展壯大。為了適應(yīng)核電焊接環(huán)境苛刻，可靠性要求高的特點(diǎn)，核電主設(shè)備智能焊接裝置、焊接成果自動診斷等需求日益增多，整個行業(yè)向著智能化的方向快速發(fā)展。然而從整體來看，產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國外相比仍存在著大而不強(qiáng)的問題，焊材、焊接設(shè)備、檢測手段三個細(xì)分領(lǐng)域中高技術(shù)附加值產(chǎn)品和服務(wù)被國外壟斷。

1.1 焊材

受制于基礎(chǔ)材料研發(fā)欠缺，同時(shí)產(chǎn)品開發(fā)大都基于訂單，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累不連續(xù)，導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性不足。目前國內(nèi)焊材廠家僅在常規(guī)島及BOP系統(tǒng)中參與供貨，大量焊材仍然依賴于進(jìn)口，尤其是用于核安全設(shè)備的核級焊材，被國際寡頭壟斷，價(jià)格是國內(nèi)常規(guī)焊材的數(shù)倍，同時(shí)供貨、服務(wù)周期無法保障。我國各堆型核電站采用進(jìn)口焊材情況見表1。

1.2 焊接裝備

核電站設(shè)備制造和建設(shè)安裝中常用的焊接方法是非熔化極惰性氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊，通常情況焊接的工作條件十分苛刻，對質(zhì)量和進(jìn)度要求較高，而目前國內(nèi)仍采用手工焊為主的施工方式，對技術(shù)人員的水平依賴性高，效率低下，目前僅在關(guān)鍵部件的焊接上采用自動化焊接，比例不足1%，自動焊接機(jī)器人裝備大多來自于進(jìn)口，主要有美國WELD LAGIC，德國ORBIMATIC，日本ANCHI等品牌。目前，焊接機(jī)器人因其高效、持續(xù)性好等明顯優(yōu)勢，使得焊接自動化、智能化已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但是由于受制于缺少核心部件制造技術(shù)和控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，我國焊接機(jī)器人尚處于起步階段，與國際市場成熟產(chǎn)品仍有較大差距。

表1 國內(nèi)各堆型進(jìn)口應(yīng)用焊材主要情況Tab. 1 Table of imported welding materials used in China nuclear power station

1.3 檢測裝置

核電站因?yàn)樽陨韺傩蕴攸c(diǎn)，使得核電設(shè)備長期處于高溫、高壓、中子輻射狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致設(shè)備疲勞、脆化、裂縫等缺陷，對于核電焊縫的檢測和評估，就成為一項(xiàng)重要的工作。為了減少人員的受輻射時(shí)間，解決現(xiàn)場空間狹小問題，自動化、遠(yuǎn)程化焊縫檢測裝置應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)通過視覺采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接圖像的可視化、可追溯化，智能分析焊接參數(shù)和效果。在此領(lǐng)域國外發(fā)展較早，日本奧林巴斯公司研發(fā)的PipeWizard 爬行器、丹麥FORCE 公司研制的AGS 爬行器、美國Worthington Industries公司研發(fā)的焊縫跟蹤設(shè)備都在核電廠取得了良好的應(yīng)用。國內(nèi)得益于人工智能技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)也取得了長足的進(jìn)步。

2 焊接國產(chǎn)化、智能化的必要性和基礎(chǔ)

2.1 市場空間廣闊

當(dāng)前，我國已經(jīng)進(jìn)入三代核電全面建設(shè)，四代先進(jìn)核電堆型加速研發(fā)的階段。國家能源局在針對我國自主研發(fā)核電“華龍一號”的批復(fù)中要求，充分利用我國目前的核電裝備制造業(yè)體系，支持關(guān)鍵設(shè)備、零部件和材料的國產(chǎn)化工作［2］，690U 形管、核級電纜、焊材等關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化比例不能低于85%［3］，這為焊接工作國產(chǎn)化提供了廣闊的應(yīng)用場景和市場空間。以焊材為例，一臺百萬千萬級機(jī)組，主設(shè)備制造和安裝需要核級焊材約500 t，其中高端鎳基合金、不銹鋼、低合金鋼焊材占70%，單臺機(jī)組核級焊材成本約3 000 萬元，另外用于海水循環(huán)系統(tǒng)的奧氏體不銹鋼焊材每臺機(jī)組也能創(chuàng)造近千萬的經(jīng)濟(jì)效益，而焊接機(jī)器人及自動化檢測裝備，已有的應(yīng)用場景每臺設(shè)備進(jìn)口價(jià)格都在數(shù)百萬量級，隨著人工成本的提高以及質(zhì)量穩(wěn)定性的要求，智能化應(yīng)用場景會越來越多，因此焊接領(lǐng)域國產(chǎn)化、智能化工作具有廣闊的市場空間和社會效益。

2.2 政策引導(dǎo)支持

推進(jìn)核電焊接國產(chǎn)化、智能化的工作符合國家推進(jìn)“工業(yè)制造2025 造接工業(yè)強(qiáng)基工程”的導(dǎo)向，焊材是典型的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，自動焊接裝置及智能化檢測裝置也是典型的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，工信部在《關(guān)于加快推進(jìn)工業(yè)強(qiáng)基的指導(dǎo)意見》中指出，提高國防軍工、新能源、重大裝備、電子等領(lǐng)域?qū)Ｓ貌牧献越o保障能力，提升制備技術(shù)水平［4］。在《上海市工業(yè)強(qiáng)基工程實(shí)施方案（2017—2020）》中提出了“重點(diǎn)領(lǐng)域補(bǔ)短板”“強(qiáng)鏈補(bǔ)鏈一條龍行動”以及“產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)立柱架梁行動”，并在2018 年將核電焊接列為上海市工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)重點(diǎn)方向。政府的政策引導(dǎo)支持為核電焊接領(lǐng)域國產(chǎn)化、智能化的發(fā)展提供了良好的支撐。

2.3 產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

隨著我國工業(yè)水平的發(fā)展，國內(nèi)已經(jīng)培育出了一批在焊接領(lǐng)域有所建樹的高校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)等都長期參與焊接技術(shù)的研究，大西洋焊材、天津金橋、天津大橋等企業(yè)是國內(nèi)著名的焊材生產(chǎn)商，上海滬工、成都焊研威達(dá)等公司致力于開發(fā)特種自動焊接裝置，哈爾濱焊接研究院在鎳基合金和專用焊機(jī)領(lǐng)域均有較好的業(yè)績。核電焊接領(lǐng)域國產(chǎn)化的系統(tǒng)性研究起源于AP1000 技術(shù)的消化引進(jìn)吸收，以及國家重大專項(xiàng)CAP1400 的設(shè)計(jì)和建設(shè)，大西洋焊材針對AP1000鋼制安全殼的焊材通過了ASME 審查并實(shí)現(xiàn)供貨，上海電力修造廠有限公司的“核級鎳基焊接材料國產(chǎn)化研發(fā)及實(shí)驗(yàn)平臺”通過了驗(yàn)收［5］，國核運(yùn)行公司完成了“核島關(guān)鍵部件自動檢測維修設(shè)備和技術(shù)研發(fā)平臺”建設(shè)。這些成果都為進(jìn)一步發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

3 核電焊接國產(chǎn)化、智能化的途徑

3.1 焊接補(bǔ)鏈“一條龍”整體方案

上海核電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)良好，產(chǎn)業(yè)鏈完備，科研機(jī)構(gòu)、裝備制造企業(yè)林立，多次承擔(dān)國家級攻關(guān)任務(wù)，在核電焊接領(lǐng)域，具有多家技術(shù)積累豐富，具備攻關(guān)能力的單位［6］，見表2，因此采用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)、成果和應(yīng)用互動、信息與技術(shù)有效融合的核電焊接“一條龍”模式，最大限度發(fā)揮優(yōu)勢，具有重要的意義。

表2 上海地區(qū)核電焊接領(lǐng)域主要單位列表Tab. 2 Table of main units engaged in welding in Shanghai area

同時(shí)，以上企業(yè)在核電焊接領(lǐng)域中，是一種研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用、驗(yàn)證產(chǎn)業(yè)鏈上下游共生關(guān)系，因此結(jié)合各自的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，提出了核電領(lǐng)域高效可靠焊接技術(shù)、焊材、工藝、檢測、應(yīng)用“一條龍”的整體提升方案，針對行業(yè)發(fā)展過程中難點(diǎn)并加以聚焦，重點(diǎn)攻關(guān)以下幾個方面：

1）焊材：奧氏體不銹鋼、鎳基合金焊、高強(qiáng)度安全殼配套焊絲。

2）焊接裝備：核電管道TIG 焊接機(jī)器人、耐蝕層機(jī)器人高效氣保焊焊接、電構(gòu)件雙絲MIG［7］。

3）檢測裝置：管道環(huán)焊縫超聲自動檢測機(jī)器人及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量遠(yuǎn)程自動檢測，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力檢測與模擬計(jì)算一體化。

3.2 焊接補(bǔ)鏈“一條龍”方案的組織推進(jìn)

推進(jìn)過程由行業(yè)主管部門協(xié)調(diào)，牽頭單位總負(fù)責(zé)，整合資源，形成合力。

1）建立上下游緊密合作、分工明確、利益共享的產(chǎn)業(yè)組織新模式，形成有效協(xié)調(diào)的產(chǎn)業(yè)鏈［8］，依托產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、項(xiàng)目共同體的機(jī)制保障，實(shí)現(xiàn)人才、信息、技術(shù)的共享，產(chǎn)品開發(fā)全過程對接，全流程參與，以問題為導(dǎo)向，以最終客戶需求為研發(fā)目標(biāo)，使得基礎(chǔ)研究與最終應(yīng)用緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用帶動研發(fā)，研發(fā)優(yōu)化應(yīng)用的良性循環(huán)，保障科研成果的有效轉(zhuǎn)化。

2）鼓勵基礎(chǔ)研究，搭建驗(yàn)證平臺。通過與上海交通大學(xué)、上海應(yīng)用物理研究所、上海核工程研究設(shè)計(jì)院等科研院所的合作，從機(jī)理研究出發(fā)，做到完全自主可控，掌握自主知識產(chǎn)權(quán)。同時(shí)搭建驗(yàn)證平臺，依托第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)，對科研成果進(jìn)行驗(yàn)證，形成從原理到產(chǎn)品再到認(rèn)證的閉環(huán)，為用戶的國產(chǎn)化替代工作提供強(qiáng)有力的保障。

3）發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)集成能力。通過先進(jìn)的焊接裝置，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)焊接技術(shù)的應(yīng)用，還能夠提供可視化的驗(yàn)證結(jié)果并進(jìn)行分析，為用戶提供一站式的解決方案，使得核電焊接領(lǐng)域進(jìn)一步代表“上海制造”、“上海服務(wù)”，成為“上海核電”品牌效應(yīng)的有力支撐，同時(shí)利用“一條龍”產(chǎn)業(yè)鏈的作用，帶動一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還可以推動核電技術(shù)成果向非核市場的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，填補(bǔ)相關(guān)空白。

4）借力產(chǎn)業(yè)政策扶持。目前為了解決核電領(lǐng)域的“卡脖子”技術(shù)，各大業(yè)主集團(tuán)紛紛梳理問題清單，謀劃替代方案和支持政策。在上海市層面，積極尋求產(chǎn)業(yè)政策支持，既解決核電業(yè)主的工作困擾，也通過補(bǔ)足核電基礎(chǔ)能力，進(jìn)一步做強(qiáng)上海核電產(chǎn)業(yè)［9］。

4 結(jié)論

我國核電發(fā)展面臨難得的歷史機(jī)遇，推進(jìn)核電安全穩(wěn)步的發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)走出去的目標(biāo)，離不開自主創(chuàng)新能力的提升及瓶頸問題的突破。由此，在核電焊接領(lǐng)域創(chuàng)新性的提出產(chǎn)業(yè)鏈上下游補(bǔ)鏈“一條龍”的模式，由中核五公司牽頭，聯(lián)合上海電氣核電設(shè)備有限公司、上海大西洋焊接材料有限責(zé)任公司、寶鋼特鋼有限公司、中國電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司等優(yōu)勢單位，依托上海應(yīng)用物理研究所、上海交通大學(xué)、上海電機(jī)學(xué)院、上海工程技術(shù)大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、西華大學(xué)等單位的科研能力，從8 個方向?qū)穗姾附宇I(lǐng)域的卡脖子問題進(jìn)行為期兩年的全方位的攻關(guān)。補(bǔ)鏈“一條龍”聯(lián)合攻關(guān)行動是政、產(chǎn)、學(xué)、研、用五位一體推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的具體實(shí)踐，為提高核電領(lǐng)域工業(yè)基礎(chǔ)能力，促進(jìn)核電自主創(chuàng)新發(fā)展做出了探索，貢獻(xiàn)了力量［10］。