打破垄断 中国人形成了独有的核电高端维修技术

电力18讯：

 宁菁菁｜文

        生老病死，是颠扑不破的自然规律。对于生命体来说如此，对于机器也同理。人体一旦出现问题，高明的医生必定会做到对疾病“知其然，知其所以然”，而不会只知其表不知其理，千篇一律地对待病人。卓越的科研人员对待高科技仪器也如此。

       在我国核电30年的发展历程中，设计、建造、安装和运行技术已日臻成熟，但高端维修技术发展却相对薄弱，致使这项工作长期依赖国外、受制于人。“对于中国的核电人来说，当务之急就是要在维修方面做到从‘知其然’到‘知其所以然’，摸清其‘病理’，才能使核电技术真正完整地掌握自己手中。”反应堆燃料及材料重点实验室学术委员会副主任、堆焊技术研发团队专家成员邱绍宇说。

 

不谋而合 前沿和现实的碰撞

       被誉为“国之光荣”的秦山核电320MWe机组是我国自主设计、建设的第一座核电机组，目前已安全运行27年。为了确保核设备的可靠性和安全性，高端维修技术的重要性日益凸显。

       稳压器是核电站关键核心设备之一，主要用于保证反应堆一回路系统的压力平衡，在超压的时候通过安全阀泄压，确保反应堆安全。“2013年，核动力院四所通过长期跟踪国内外核科技发展前沿和动态，发现国外稳压器长期运行会产生应力腐蚀风险，这一经验反馈让我们开始关注这个领域。”邱绍宇介绍道。

       2014年，从安全运行的角度出发，同时也是为了确保其从30年向60年延寿，秦山核电作为业主向核动力院发出高端维修的需求。核动力院凭借数十年核动力技术研发经验积累，此前就针对高端维修做出了预判，双方开启了携手合作研发的征程。

       高端维修技术，也可被称作先进维修技术，聚焦于核岛设备，基于材料研究，从维修结构设计开始，到维修工艺及装备研发、可靠性与性能评价，直至实施应用，是一项集成设计、材料、焊接、机电、检测等多专业的综合性工作，对科研、工程的技术水平要求极高。其先进性则体现在设计可靠、自动化程度高、工艺稳定。

       “原先，国内核电站遇到高端维修问题都会请来国外的公司，如美国西屋、WSI等，而外方要价高，响应慢，甚至会因为各种原因直接拒绝参与，对我国核电站运维造成影响。”核动力院四所副所长、堆焊业务分管领导李书良说道。

 

 

环攻关探索鲜为人知的奥秘

       核动力院与秦山核电的不谋而合，着眼的是中国长期以来在高端维修市场的软肋。他们需要攻破的是如同连环套一般的关卡。首先，这项技术涉及狭小空间操作，需要避免对核岛内其他物体的干涉，其次，由于稳压器位于放射性场所，设备的安全性、可靠性要求很高，此外，这项技术涉及仪器的远距离操作、人员的辐射防护。这些特性给结构设计、装备研制、工艺研发、可靠性评估、现场施工等环节带来了环环相扣的难点。

       “我们首先派出几名技术人员，联系清华大学下属的一个三维激光测绘厂家，利用三维激光测绘技术，对现场的空间布局进行了整体的精密测绘，清晰地分析出现场的干涉问题、狭小空间结构尺寸问题。核动力院基于多年来在军用装备研发上的经验积累，借助于数字化的技术手段和三维模型，对不同布局方式进行反复对比、模拟演练，将上百个零件有序地组装在一起，实现了一体化的紧凑设计。”核动力院四所堆焊技术组织分析技术负责人王理说。

       结构设计这一首环被攻破，接下来的一环就是材料和工艺研发，而回火堆焊技术作为稳压器安全端维修的首选方案，成为了技术突破的核心。“刚接触到回火堆焊这个概念时，材料和工艺方面的人员对其都有大致的了解，常规想法认为就是一道一道地焊。但在按照通常的套路焊了一些试样交给我做常规组织检验时，我发现组织不正常，出现了堆焊中典型的劣化组织缺陷。”王理说。

       为了“知其然知其所以然”，就需要向技术的深处求索。回火堆焊技术是核电高端维修的主流技术之一，其实质，一是通过在风险区域进行的堆焊，形成新的压力边界，以加强局部结构、改善应力分布，防止破漏；二是利用堆焊中形成的多次回火条件，纠正焊接热影响区的劣化组织，确保部件功能。

       看似寻常最奇崛，问题远没想象的那么简单。于是，王理和组员们开始做组织分析和工艺参数分析，探究回火堆焊的实质。“由于在堆焊过程中材料组织会发生变化，我们需要不断纠正热影响区的劣化组织，使其向好的组织演化，所以就需要每堆焊一层就分析一层试样。”堆焊技术专家、组织分析技术负责人罗绪珍说。

       核动力院在反应堆燃料及材料方面的雄厚实力在此时得到了彰显，四所依托反应堆燃料及材料重点试验室这一平台，组织科研人员解剖并分析了其内在组织规律，通过控制热输入，将铬含量的稀释控制在一定的范围，满足抗开裂和抗腐蚀的要求；确保回火焊接的性能，包括硬度等组织的性能；另外还需精确控制焊道的温度、焊道搭接的宽度和厚度。“如果回火的温度偏低，裂化组织纠正不过来，如果回火的温度偏高，会带来新的劣化组织，而道与道之间的搭接尺寸需要控制在毫米级范围之内。”王理说。在慢工出细活的过程中，他们提炼出了材料组织随工艺变化的演化规律。

       同时，核动力院充分发挥整体技术优势，由二所反应堆结构力学研究室维修结构设计，并由重点实验室采用了多种测试技术，特别是中子衍射的方法，实测了焊接残余应力，通过与力学分析计算、数值模拟结果对比分析，相互印证了应力分布与设计预期的符合性。材料和工艺技术实现后，团队还进行了无损检测评价和安全分析，查看是否有缺陷以及是否满足法规的严格要求。

       自2014年2月秦山业主提出需求，核动力院凭借长期的技术积累，组建了近20人的技术研发团队开展技术攻关。经多学科交叉融合应用与技术拓展研究，2015年12月，历时两年的技术研发取得标志性进展——“稳压器安全端接管自动回火堆焊维修技术”通过了国家核安全局审查。

 

打破垄断致力于形成中国独有的维修技术

       基于这次成功的实践，以及掌握高端维修系列化技术的使命感，在堆焊技术研发合作基础上，2015年8月，中国核动力院联合秦山核电，成立了“核电厂特种维修技术研发中心”，致力于打造技术研发、技术服务的专业化、规模化运作平台。

       “我们的目标是打造核工业的国家级维修技术研发中心，增强科研院所和核电业主在研发和应用之间的沟通，将需求摸得更准。”邱绍宇说。目前，该中心已开展了主管道、控制棒驱动机构、核级阀门、电加热元件等维修更换八大技术攻关，部分成果已工程应用。

       2018年大年初八，正值秦山核电118大修，秦山核电牵头组织、核动力院负责实施，回火堆焊技术在现场进行了首次实战。在实战前，团队还对空间布局进行了1：1的模拟验证，所有的装备、工艺、人员都在模拟体上进行了充分演练。并开展了为期一个月的集训和技能比武，模拟各种工况，考验技能成熟度，也使队伍得到充分磨合、锤炼。“只有你想不到的，没有你想多的，这是核工业的一条定律。然而这次我们却设想到了很多意外的状况，启用备用方案解决了诸多问题。”李书良说。

       “为了兼顾作业人员辐射防护于维修质量，我们在现场建立了远程操控设备以及全景监控视频系统，将焊接部位放大四倍以上，将精度准确控制到毫米级左右。”罗绪珍说。

       经过3个月的持续作业，6月6日，由核动力院和秦山核电在时间紧、任务刚性的双重压力之下，联合完成的我国首个核电自主高端维修项目——秦山核电320MWe机组稳压器安全端接管堆焊维修项目，一次合格率100%。这意味着高端维修自主化技术应用首战告捷，也标志着我国打破了国外核电巨头对高端维修市场的垄断，扛起了国产自主化的大旗，也为我国核电运维技术“走出去”打下了基础。

       值得一提的是，在2014年福清核电堆焊维修招标中，由于核动力院的加入，参与竞标的外国团队罕见地将报价从2000多万元降至1000多万元，这是我国高端维修领域自主技术对国外核电巨头的漫天要价行为的有力冲击。

        “未来，我们还将研发涉及水箱、乏燃料池的水下维修技术，我国目前在这方面还和国外还存在一定差距。我们的目标是在5年内形成中国在维修领域的标准、法规，在5~10年内形成中国独有的维修技术。”李书良说道。

       攻关之路固然艰辛，但却令人孜孜以求。秦山核电一期开启了我国核电站自主设计、建造和运营的时代，而核动力院此次高端维修技术的成功应用则开启了我国核电站自主高端维修的纪元。随着我国核电站运行堆年的增加，对于高端维修的需求在未来会大幅递加。而这股“知其然，知其所以然”的探究精神，也将指引我国核电人攻取更多高端维修的高地。