核電閥門技術(shù)問題分析與前景展望

尤小優(yōu)

摘要：隨著我國工業(yè)化、城市化發(fā)展進(jìn)程越來越快，未來一段時間內(nèi)對能源的需求量，尤其是電能會持續(xù)增長。因此，加大核電技術(shù)投資改進(jìn)的力度，提升核電的安全性與產(chǎn)能勢必會成為能源變革的主力趨勢。基于此，本文主要對核電技術(shù)中的一種重要耗材設(shè)備——核電閥門當(dāng)前主要的技術(shù)問題進(jìn)行分析，而后對它的廣闊發(fā)展前景與方向進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：核電閥門;技術(shù)問題;前景展望

前言：核電技術(shù)是當(dāng)前世界上公認(rèn)的清潔能源技術(shù)，它是利用鈾制成的核燃料，以它的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)產(chǎn)生的能量作為發(fā)電的主要消耗。每1kg的鈾-235燃料所能產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的熱量。這么來看的話，核電技術(shù)無疑是可以緩解能源危機(jī)問題的重要能源技術(shù)，而核電站項目的興建擴(kuò)建，勢必會給電站閥門等消耗設(shè)備生產(chǎn)制造行業(yè)帶來廣闊的機(jī)遇與市場前景。

1.核電閥門技術(shù)

核電閥門是核電站內(nèi)使用量最大、最基礎(chǔ)的設(shè)備之一，它被廣泛應(yīng)用在核電站的常規(guī)島C1、核島N1的介質(zhì)輸送控制系統(tǒng)以及電站輔助設(shè)施BOP系統(tǒng)中。所以質(zhì)量上乘的核電閥門，是核電站得以安全穩(wěn)定生產(chǎn)電能的重要保障。核電站安裝的閥門裝置數(shù)量非常多，我們以規(guī)模為兩臺100萬Kw機(jī)組的核電站為例，它所用到的型號用途各不相同的核電閥門數(shù)量大約在3萬個以上[1]。按照用途不同，核電閥門主要分為以下幾類：

截止閥，在中溫、中壓水或水蒸氣介質(zhì)環(huán)境中用于輔助管道實現(xiàn)截止、截回功能的閥門裝置，它的公稱通徑范圍在DN10-150mm內(nèi)。該閥門主要有三種結(jié)構(gòu)類型：分別是填料式截止閥、金屬膜片截止閥和波紋管截止閥。

蝶閥，在核電站的BOP系統(tǒng)冷卻裝置中，用于調(diào)節(jié)輸送空氣介質(zhì)的閥門裝置，在核電站的安全外殼中也有此類閥門應(yīng)用，公稱通徑為DN400-1200mm。蝶閥按照結(jié)構(gòu)不同，也分為三種：偏心式、同軸直連式與雙動式，蝶閥的工作壓力PN應(yīng)小于4.0MPa，介質(zhì)溫度通常在100-150°范圍內(nèi)。

探測安全閥，在常規(guī)島與核島中的先導(dǎo)式安全閥，這種閥門嵌入安裝了一種探測器，利用彈簧力與壓力之間的敏感函數(shù)關(guān)系，來動態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)充介質(zhì)與介質(zhì)釋放位置觸點的功能。探測安全閥在整個核島系統(tǒng)中，起到了避免卡阻的安全防護(hù)作用，其內(nèi)部主要是由一個彈簧探測管和波紋管密封的金屬膜筏瓣結(jié)構(gòu)組成，公稱通徑為DN64-800mm，工作壓力PN介于1.0-42.0MPa之間。

2.核電閥門技術(shù)的現(xiàn)狀問題

由于核電站項目前期啟動資金，我國核電站在建設(shè)初期采取了多渠道融資的策略，因此在核電站建設(shè)格局上，出現(xiàn)了多種技術(shù)并用并存的現(xiàn)象，如泰山核電站一期、二期使用的是加拿大的重水堆機(jī)組，而田灣核電站使用的是俄羅斯的VVER堆。以2020年的電力產(chǎn)能總值報告結(jié)果顯示，核電站發(fā)電總量僅占全國電網(wǎng)發(fā)電的7%，由此得見，我國核電技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)力度還不夠大，產(chǎn)生這種問題主要的原因就是我國核電閥門技術(shù)還存在如下方面問題：

2.1重要的閥門裝置技術(shù)與國際水平還存在較大差距

我國的閥門生產(chǎn)制造行業(yè)，目前在許多高配置型、高技術(shù)水平的閥門型號，還存在仍未突破的技術(shù)優(yōu)化問題，與閥門技術(shù)相對發(fā)達(dá)的國家還仍然有不小的差距。如一種用于主蒸汽隔離的閥門裝置，它的公稱通徑在DN200mm以上，我國這種大口徑安全閥技術(shù)的可靠性與配套能力，顯然還不足以支持獨立設(shè)計生產(chǎn)，而大批量地進(jìn)口國外技術(shù)，勢必會帶來核電站建設(shè)成本提高的問題[2]。因此想要在我國大力興建核電站工程，必須要在閥門技術(shù)層次的上游技術(shù)，如大口徑安全閥、探測安全閥、蒸汽隔離閥等多個方面加大潛心研發(fā)力度，提高核用級閥門整體的設(shè)計制造技術(shù)水平。

2.2受智能化水平不高的影響，在線檢技術(shù)上難以實現(xiàn)瓶頸突破

鑒于核電站的安全運(yùn)行原則上來考慮，對于核電級閥門裝置來說，能夠在故障狀態(tài)下及時反應(yīng)及預(yù)警的功能極為重要。我們?nèi)匀灰院藣u的主蒸汽隔離閥為例，它在正常狀態(tài)下打開閥門的工作時長僅為數(shù)秒，且工作精度要控制在μs級，若是因為裝置本身的故障而出現(xiàn)動作響應(yīng)過慢，或者因為錯誤操作而出現(xiàn)開啟時間差錯，很容易給電能生產(chǎn)直接帶來不良影響，甚至容易進(jìn)一步引發(fā)生產(chǎn)事故。因此來看，除了閥門裝置本身的制造水平之外，閥門的驅(qū)動裝置性能也極為重要。但我國目前使用的核用閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還停留在國外上世紀(jì)80、90年代的水平時期，自動化驅(qū)動控制精度較低，與之匹配的系統(tǒng)故障自檢裝置反應(yīng)靈敏度很難滿足如今的擴(kuò)建需求。所以說，在核電閥門的技術(shù)突破上，還要從智能化、自動化工業(yè)技術(shù)中尋找解決途徑，來最大程度保證核電站運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。

2.3進(jìn)口技術(shù)的維護(hù)成本與可拓展性問題

上文中提及我國現(xiàn)今核電站系統(tǒng)中的閥門裝置，多數(shù)是采用國外的進(jìn)口技術(shù)，雖然短時間內(nèi)能夠滿足當(dāng)前產(chǎn)能需求，但這種多技術(shù)并存的建設(shè)格局是十分不利于核電站后續(xù)擴(kuò)大規(guī)模的。這是因為俄羅斯VVER堆技術(shù)與加拿大的重水堆機(jī)組技術(shù)的各類閥門，它們的工作參數(shù)與運(yùn)行原理狀態(tài)均不相同，采用兩種不同技術(shù)的對外接口標(biāo)準(zhǔn)自然也不相同，因此在核電站擴(kuò)建甚至未來并網(wǎng)等方面，很難實現(xiàn)技術(shù)對接。另一個方面，以擁有兩組百萬Kw規(guī)模量級的壓水堆核電裝置的核電站為例，它含基礎(chǔ)建筑設(shè)施在內(nèi)的整個工程造價約為42億美元左右，而在全生命周期內(nèi)，每年用于修理更換閥門裝置的支出約在0.19億美元（約人民幣1.6億）左右。另一方面現(xiàn)今我國閥門生產(chǎn)制造行業(yè)的工藝較為落后，在核電閥門加工上還仍然以萬能車床為主，僅有少數(shù)國家扶持資金的企業(yè)擁有數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)，不僅閥門工件的加工精度較低，生產(chǎn)效率也十分低下。因此為了解決核電閥門的成本問題，還是應(yīng)當(dāng)從制造工藝水平出發(fā)，加快趕追我國閥門技術(shù)與國外技術(shù)的差距，只有擁有獨立自主的閥門生產(chǎn)技術(shù)，才能使我國核電產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步走向規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化。

3.核電閥門技術(shù)的前景展望

核電閥門技術(shù)作為核電站基礎(chǔ)設(shè)備技術(shù)中最重要的一部分，它在我國能源變革的時代趨勢中任重且道遠(yuǎn)，我國如今的閥門行業(yè)經(jīng)過不斷地摸索，現(xiàn)已形成了一整套較為完善的人才培養(yǎng)、產(chǎn)品研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計、生產(chǎn)制造等系列體系，當(dāng)前已能夠初步滿足我國核電事業(yè)發(fā)展需要。相信在以行業(yè)需求為導(dǎo)向的科學(xué)發(fā)展體系中，我國閥門技術(shù)一定能夠?qū)穗娬卷椖堪踩\(yùn)營、低成本運(yùn)營起到一定助推作用。

3.1核電閥門國產(chǎn)化程度不斷提高

我國閥門行業(yè)在蝶閥、球閥、隔膜閥三個技術(shù)領(lǐng)域有著較為扎實的理論經(jīng)驗，在核安全級的閥門上，也有不少閥門擁有獨立設(shè)計專利產(chǎn)品。如一種用于全封閉電動的無填料金屬閘閥，這種閥門的閥瓣是采用特制電動裝置驅(qū)動完成直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的，從而實現(xiàn)介質(zhì)的傳動運(yùn)輸。在該技術(shù)支持下，能夠最大程度地簡化維閥門裝置在投入使用后的維修檢修流程，降低設(shè)備維護(hù)的綜合成本。此外，在國家政策的大力鼓勵下，我們閥門行業(yè)正在空前加大新技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)力度，積極解決閥門裝置的生產(chǎn)精度問題與系統(tǒng)配套拓展問題。

3.2閥門設(shè)備質(zhì)量檢測技術(shù)水平越來越高

從工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展規(guī)律角度來看，閥門設(shè)備的質(zhì)檢技術(shù)興起與完善，對閥門設(shè)備的設(shè)計制造質(zhì)量提升有一定積極作用。近幾年來越來越多的核電閥門企業(yè)已經(jīng)不滿足于生產(chǎn)中、低壓，且自動化技術(shù)含量不高的通用閥門裝置了，我國閥門行業(yè)正式引入了質(zhì)量認(rèn)證體系與國家核安全認(rèn)證的產(chǎn)品質(zhì)量管理體系來進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證，在實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的同時也對閥門的生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行了控制。如今各個閥門企業(yè)都擁有專用閥門性能試驗的綜合測試中心，用于對數(shù)控加工的節(jié)流閥、疏水閥、探測安全閥等各類特殊核電閥門的性能檢測，不斷完善核電閥門產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平與制造質(zhì)量。

結(jié)語：盡管我國當(dāng)前已經(jīng)有相對較為成熟的核電站投入使用了，但作為發(fā)展中國家，技術(shù)儲備方面不足成為了阻礙核電技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)的主要因素。但從我國閥門行業(yè)的發(fā)展趨勢來看，未來我國核電閥門技術(shù)的前景是十分美好的，一方面核電閥門技術(shù)領(lǐng)域國產(chǎn)化程度不斷加深，另一方面核電閥門產(chǎn)品質(zhì)檢體系不斷完善，一定能解決我國核電站項目成本過高、閥門設(shè)備配套性能差的短板問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]張威.核電閥門技術(shù)問題分析與前景展望[J].閥門，2020（05）：41-44.

[2]周丹鳳. 核電閥門技術(shù)問題分析與前景展望[J]. 工程技術(shù)與管理，2021，5（18）：