核电阀门国产化研究
介绍了我国核电站阀门的基本情况、工况和技术要求以及我国核电阀门采用的技术标准。
说明了当前核电站阀门的发展趋势和我国核电阀门国产化现状。分析了当前我国核电阀门国产化率偏低的原因，指明了当前我国核电阀门国产化存在的不足之处，编者就实现核电阀门国产化的基本目标提出了的自己的建议和措施。
1 核电站阀门的基本情况和主要技术要求
1.1 核电站阀门的基本情况
核电阀门是指在核电站中核岛（N I）、常规岛（CI）和核电站辅助设施（BOP）系统中使用的阀门。核电阀门是核电站中使用数量较多的介质输送控制设备，它连接整个核电站的众多系统，具 有截止、调节、导流、防逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。它是核电站安全运行必不可少的组成部分，是核电站可靠运行的基本保障。
在核电站40～60年的正常运行中，阀门是需要维修的主要设备，阀门的投资额占核电站总投资额的2%左右,而每年电站花费在阀门上的维修费用却要占维修总额的50%以上。
核电阀门从安全级别上分为核安全Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、非核安全级。其中核安全Ⅰ级要求最高。
核安全级阀门的产品规格DN3～DN1200；
压力等级0.1～42 MPa；
温度范围－25～350℃；
阀门材质304、304L、316、316L、低合金钢、碳钢；
质保等级QA1、QA2、QA3、NC(HAF003)；
抗震等级SC1、SC2、NSC（HAF003）。
以红沿河C P R1000和三门A P1000为例，C P R1000两套（台）机组有阀门约29 000台，A P1000有阀门约22 000台，其投资费用约占设备总投资的5%～6%。在核岛、常规岛及电站辅助设施（BOP）中的阀门的分配如表1所示。
核岛阀门按照核安全等级划分如表2所示。
核岛阀门按照驱动方式划分如表3所示。
核岛阀门按照阀门类型分类如表4所示。
核岛阀门按照阀门口径分类如表5、表6所示。
表1 核电站阀门的分配
系统 | 核岛NI | 常规岛CI | BOP | |||
台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | |
AP1000 | 7500 | 35.5 | 11200 | 50.9 | 3300 | 13.6 |
CPR1000 | 12700 | 43.8 | 12800 | 44.5 | 3400 | 11.7 |
表2 核岛阀门按照核安全级别分配
系统 | 安全I级 | 安全II级 | 安全III级 | 非安全级 | ||||
台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | |
AP1000 | 104 | 1.4 | 252 | 3.4 | 842 | 11.2 | 6302 | 84 |
CPR1000 | 268 | 2.1 | 3913 | 30.8 | 2907 | 22.9 | 5612 | 44.2 |
表3 核岛阀门按照驱动方式分配
系统 | 气动 | 手动 | 电动 | 自动 | 水压驱动 | 电磁驱动 | 爆破驱动 | |||||||
台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | 台 | 比例/% | |
AP1000 | 378 | 5.0 | 6740 | 90 | 120 | 1.6 | 720 | 9.6 | 24 | 0.3 | 104 | 1.4 | 24 | 0.3 |
CPR1000 | 630 | 4.9 | 10600 | 83.4 | 340 | 2.7 | 1390 | 10.8 | 10 | 0.1 | 16 | 0.1 | 0 | 0 |
表4 核岛阀门按照阀门类型分配
类型 | 闸阀 | 蝶阀 | 截止阀 | 隔膜阀 | 球阀 | 止回阀 | 安全阀 | 调节阀 | 其它阀 |
AP1000(比例)/% | 4.3 | 7.5 | 28.6 | 22.4 | 19.7 | 6.8 | 3.2 | 4.5 | 3.0 |
CPR1000(比例)/% | 4.2 | 5.2 | 35 | 26.2 | 13.3 | 7.3 | 2.6 | 4.7 | 1.5 |
表5 AP1000核岛阀门按照口径分类
口径/mm | 8 | 10 | 15 | 20 | 25 | 50 | 65 | 80 | 100 | 150 |
数量/台 | 38 | 212 | 260 | 85 | 1671 | 454 | 91 | 228 | 147 | 130 |
比例/% | 1.01 | 5.65 | 6.93 | 2.27 | 44.56 | 12.11 | 2.43 | 6.08 | 3.92 | 3.47 |
口径/mm | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 500 | 600 | 900 | 其他 | ---- |
数量/台 | 110 | 34 | 27 | 12 | 16 | 18 | 6 | 2 | 209 | ---- |
比例/% | 2.93 | 0.91 | 0.72 | 0.32 | 0.43 | 0.48 | 0.16 | 0.05 | 5.57 | ---- |
表6 CPR1000核岛阀门按照口径分类
口径/mm | 8 | 10 | 15 | 20 | 25 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 150 | 200 |
数量/台 | 38 | 212 | 260 | 85 | 1000 | 720 | 454 | 91 | 228 | 147 | 272 | 150 |
比例/% | 1.01 | 5.65 | 6.93 | 2.27 | 7.87 | 5.67 | 12.11 | 2.43 | 6.08 | 3.92 | 2.14 | 1.18 |
口径/mm | 200 | 250 | 300 | 350 | 450 | 500 | 500 | 600 | 900 | 其他 | 1200 | ---- |
数量/台 | 110 | 34 | 27 | 12 | 4 | 40 | 18 | 6 | 2 | 209 | 8 | ---- |
比例/% | 2.93 | 0.91 | 0.72 | 0.32 | 0.03 | 0.31 | 0.48 | 0.16 | 0.05 | 5.57 | 0.06 | ---- |
1.2 核电站阀门的工况与技术要求
（1）工作条件与常见故障
核电阀门具有正常、异常、应急和事故4类工况；常见的故障有阀杆泄漏、阀座泄漏、执行机构选配过大和关闭力矩过高引起的密封面损坏以及外泄漏等4种。核电 阀门设计时必须针对阀门4类工况进行设计，使其在核电厂寿命期内4种故障不会出现，确保系统压力边界完整、系统功能不丧失。
（2）核电阀门技术要求
根据核电阀门（主要核安全级阀门）运行的实际工况，核电阀门其技术特点和要求比火电阀门更高。核电阀门的技术要求除了阀门常规的技术要求外，还要着重考虑 介质中杂质的污染、环境温度、运行温度、环境湿度、放射性、直流电源及电压波动、有关地震和振动条件下稳定性的技术要求、安全等级等。
（3）阀门的强度、结构设计
由于核电系统输送介质大多带有放射性，故对泄露有严格限制，故A S M E标准对阀门的强度、结构均有特殊的要求和规定；除常规的强度计算、抗震计算分析外，对核安全Ⅰ级的阀门，还需进行薄膜应力、弯曲应力的极限计算，对疲劳应力进行计算、分析等。
（4）核电阀门的选材要求
核电阀门的材料必须具有良好的耐腐蚀、抗辐照、抗冲击和抗晶间腐蚀。一般情况下，承压零件材料要求满足A S M E锅炉压力容器篇章（BPVC-Ⅱ-D-1）材料要求。
（5）核电阀门驱动装置
核电阀门驱动装置的性能和质量非常重要和关键，必须具有安全操作的可靠性，同时，应能承受温度、压力、湿度、辐照、地震破坏、化学污染及所供电源变化的最大值，而且必须在发生失水故障（L O C A）的情况下，仍能在规定的期限内工作（一般标准为14 d）。
（6）核电阀门的试验与检验
核电阀门必须进行常规的水压试验，静压寿命试验，电动、气动阀的执行机构还需进行抗震试验等。
对一回路的重要阀门还必须经过冷态、热态和L O C A事故（即失水事故）的试验。（ASME对上述试验及检验有详细描述，并提供了评定标准）。
1.3 核电阀门技术标准
目前我国使用的核电阀门相关标准主要有： E J／T1022．1-18—1996《压水堆核电厂阀门系列》；
ASME QME-1—2002《核电站现行设备的质量要求》;ASME BPV-II《ASME锅炉和压力容器规程第2节:材料》;
ASME BPV-III《ASME锅炉和压力容器规程第3节:核设施元部件制造规则》；
ASME BPV-V《ASME锅炉和压力容器规程第5节:无损检验》；
ASME BPV-IX《ASME锅炉和压力容器规则第9节:焊接和钎焊评定》；
ANSI B16.41《核电厂动力操作能动阀门鉴定要求》；
ANS I/IE EE323—1984《核电站1E级设备的质量鉴定》；
ANSI／IEEE344—1987《核电站1E级设备抗地震鉴定的推荐规程》；
ANSI／IEEE382—1996《核电站电力操作阀组调节器安全相关性能的质量鉴定》；
A N S I／I E E E1290—1996《核电站中电动阀门(M0V)的电动机使用、保护、控制和试验的指南》；
R C C—M《法国压水堆核岛机械设备设计和建造规则》。
2 核电阀门发展趋势和阀门制造业的基本现状
2.1 核电阀门发展趋势
随着第三代反应堆技术的日趋成熟以及第四代反应堆的研究开发,核电技术都朝着大机组、高参数和新堆型的方向发展，今后建设的核电站中，机组容量的发展方向 大机组、大容量，目前国内主要在建机组基本都在100万k W以上，最大165万kW，国内在建核电机组见表7。国家已同意进行前期准备的核电机组都在100万k W以上，国内拟建核电项目如表8所示。同时核电机组寿命也由40年向60年过渡。
表7 国内在建核电机组
核电站 | 红沿河 | 海阳 | 三门 | 阳江 | 宁德 | 福清 | 方家山 |
机组容量/万KW | 4x108 | 2x125 | 2x125 | 6x108 | 4x108 | 6x105 | 2x105 |
机组类型 | CPR1000 | AP1000 | CPR1000 | CPR1000 | CPR000 | CP1000 | CP1000 |
核电站 | 岭澳二期 | 台山 | 防城港 | 昌江 | 秦山二期扩建 | ---- | ----- |
机组容量/万KW | 2x105 | 2x165 | 2x108 | 2x65 | 2x65 | ---- | ----- |
机组类型 | CPR1000 | EPR1500 | CPR1000 | CP600 | CP600 | ---- | ---- |
表8 国内拟建核电机组
核电站 | 红沿河 | 海阳二期 | 三门二期 | 田湾二期 | 田湾三期 | 石岛湾 | 葫芦岛 |
机组容量/万KW | 2x108 | 2x125 | 2x125 | 2x106 | 2x105 | 2x150 | 2x105 |
机组类型 | CPR1000 | AP1000 | AP1000 | WWER1000 | CP1000 | CAP1400 | CP1000 |
核电站 | 江西澎泽 | 湖南桃花江 | 湖北大板 | ---- | ---- | ---- | ---- |
机组容量/万KW | 2x125 | 2x125 | 2x125 | ---- | ---- | ---- | ---- |
机组类型 | AP1000 | AP1000 | AP1000 | ---- | ---- | ---- | ---- |
核电堆型向大型化、高参数、高性能方向发展，其可靠性、安全性的要求将越来越高。作为核电站系统安全保障的关键设备——核电阀门，必须适应这种发展趋势。
核电阀门，由于其使用工况特殊、复杂、恶劣，加之量大面广，故其要求相对较高。为满足这种发展趋势，远端自动控制、高可靠性、长寿命的阀门是今后核电阀门研制和开发的基本方向。
2.2 国内核电阀门水平与现状
国内核级阀门研制起步于20世纪60年代初，经过几十年的努力，国内已形成了一定规模的核级阀门设计、实验、制造、检测能力，并为秦山核电站一期、二期建设提供了一定量的核级和非核级阀门，为核电阀门国产化做出了重要贡献。
国内目前已有22个企业获得了国家核安全局颁发的民用核承压设备设计和生产资格许可证，可以设计、生产核安全级阀门。已成功研制生产了闸阀、截止阀、止回阀、球阀、蝶阀、弹簧式安全阀、调节阀、节流阀、隔膜阀、波纹管截止阀等一系列核级阀门。其中沈阳盛世、中核苏阀、大高、上阀、上海良工、江苏神通等六家阀门企业具备设计生产核Ⅰ级阀门。
我国的阀门企业已具备生产所有核Ⅲ级与非核级阀门（主蒸汽隔离阀、主蒸汽安全释放阀、调节阀等关键阀门除外）、具备生产大部分核Ⅱ级与少量核Ⅰ级阀门，国产核级阀门价格约为进口阀门的60%左右，非核级阀门价格更低，约为进口阀门20%～50%。
我国运行核电站和在建核电站采用核级国产阀门比率非常低，如表9、表10所示。
表9 运行核电站核级国产阀门比率
核电站 | 秦山一期 | 秦山二期 | 秦山三期 | 大亚湾 | 岭澳一期 | 田湾一期 |
国产比例/% | 1 | 1 | ≈0 | 0 | 0 | 0 |
表10在建部分核电站阀门国产比率
核电站 | 岭澳二期 | 秦山二期扩建 | 红沿河1、2号机组 | 红沿河3、4号机组 | 方家山 | 福清 | 三门 | 海阳 |
国产比例/% | 6.7 | 33 | 43.3 | 60 | 48 | 50 | 70 | 80 |
在建部分核电站阀门国产比率大幅提高的主要原因在于国家大力推广核电阀门国产化的结果。
2.3 国内核电站国产阀门比例低的原因分析
（1）缺少核电阀门业绩
22家核阀生产企业中，只有中核苏阀科技实业股份有限公司、上海上阀阀门制造有限公司、上海良工阀门厂有限公司、上海苏高阀门有限公司等少数阀门厂家在运行的核电站具有核电站阀门供货业绩，主要是非核安全级的普通阀门和数量不多的核安全Ⅱ、Ⅲ级阀门。
目前，具备生产核Ⅰ级阀门企业，核Ⅰ级阀门产品比较单一，比如：中核苏阀的安全喷淋阀，江苏神通的小口径的电动闸阀、截止阀、蝶阀，大连大高的电动波纹管 截止阀等；没有供货经验(江苏神通、中核苏阀和大连大高在2008年和红沿河核电、方家山核电、福清核电等签署了少量核Ⅰ级阀门供货合同，但尚未真正开始 供货)。
国外核电阀门与国内核电阀门比较而言，阀门种类齐全、核电业绩丰富，国外部分为核电站配套阀门情况见表11。
表11 国外部分为核电站配套阀门情况
阀门生产商 | 核电站 | 阀门配套类型 |
法国万纳托公司 | 核电站 | 所有核级阀门 |
核废物处理工厂 | ||
研究实验反应堆及回路 | ||
美国泰科核电阀门集团 | 压水堆 | 主蒸汽隔离阀、主蒸汽安全释放阀、稳压器安全释放阀、给水旁排阀门、波纹管阀门、截止阀、控制阀、楔式闸阀、平行闸阀、旋启式止回阀、辅助回路安全阀、二回路安全阀、蒸汽发生器安全阀、隔膜阀 |
沸水堆 | ||
快堆 | ||
气冷堆 | ||
CANDU重水堆 | ||
海军核反应堆 | 各类一回路阀门 | |
加拿大维兰公司 | 秦山一期 | 闸阀、止回阀、蝶阀、球阀等 |
秦山二期 | ||
全球300多个核电站（含秦山三期） | 30万个核级阀门，具备在线诊断能力的核级闸阀、可拆卸阀座的安全壳隔离止回阀、波纹管密封截止阀 | |
英国威尔公司 | 秦山二期 | 主蒸汽隔离阀 |
岭澳一期 | 海水蝶阀 | |
核电站 | 核阀、调节阀、控制阀、蝶阀 | |
美国Fisher阀门公司 | 核电站 | 核阀、安全阀、控制阀、蝶阀 |
美国科提斯莱特流体控制公司 | 美国海军及核电站 | 控制阀、安全阀、电磁操作隔离控制阀 |
德国KSB公司 | 核电站 | 闸阀、球阀、止回阀、蝶阀、截止阀 |
（2）阀门质量仍有欠缺
阀门质量缺陷主要表现在阀门密封、寿命不达标，导致在电站寿命期内阀门更换频率加快，维修费用增加。
核电阀门使用年限一般为30～40年，美国、德国核电用阀门均可保证使用40年，英国30年，日本30～40年，国产阀门一般为10～15年，为进口阀门使用年限的1/3左右。
（3）国外阀门企业的技术垄断和倾销国外核电阀门已形成了完整的设计、实验、制造、检测体系，积累了大量的经验，产品成熟、技术比较先进，他们垄断先进阀 门的技术和市场，不对我国开放，比如，如先导式安全阀、主蒸汽隔离阀、调节阀等关键阀门和核Ⅰ级阀门，总数量不到电站阀门总数的15%，价格确占全部阀门 价格的60%以上。一旦我国成功研发某项关键阀门，他们就以不到原阀门价格的一半进行倾销，扼杀我国核电阀门产业。
（4）国内阀门企业信誉度较差国内阀门假冒伪劣产品频现市场，同时受技术经验不成熟影响，已签合同执行不得力影响了我国核电阀门企业信誉度。
（5）制度不完善阀门企业的认证还停留在形式，质保体系不健全，检验手段和措施不能落实到位，员工素质有待提高，管理上还存在很大漏洞和欠缺等。
核电是以安全可靠为第一原则的。国内核电阀门存在以上诸多问题，导致核电站业主不愿或不轻易采用国内厂商生产的核电阀门。
2.4 国内核电阀门行业存在的差距和不足
与国际水平相比国内核电阀门在以下几个方面仍有较大差距。
（1）设计能力不足，阀门种类不齐全，配套阀门档次不高
国内的设计水平与科技发达国家有差距，特别是主蒸汽隔离阀、大口径安全阀、抗地震控制阀等技术含量高的核电阀门仍未取得重大突破。只有少数厂家较完整地掌 握了核电阀门的应力计算和抗震分析、核Ⅰ级阀门的疲劳分析以及抗冲击分析、抗爆波分析必须委托设计院或高校进行抗震分析，在一定程度上制约了企业的研发能 力。
（2）重要的配套装置自动化程度低，可靠性差
对于核电站用阀门来说，在事故状态下动作及时准确非常重要，如主蒸气隔离阀，按要求打开的时间仅为几秒钟，如果出现动作不及时或误操作都将产生严重的后 果。因此，阀门驱动装置的性能和质量非常重要。而我国阀门配套用电动执行机构控制水平低，仍然停留在国外二十世纪七八十年代的水平，与国外先进水平差距较 大。通用执行机构的控制精度不高,动作不灵敏，与国外同类产品相比还有一定差距。
（3）制造设备与工艺流程无法满足核电阀门制造要求
核安全级阀门对阀体的锻件和铸钢件的化学成分含量、均匀度要求非常严格，不允许有夹渣、气孔等缺陷存在。国内钢厂在铸造工艺和基础机械加工上还存在欠缺；大部分厂家机加工技术不能满足要求，产品制造精度偏低，生产的阀门不能满足核电装备的运行需求。
辅助制造技术，大型铸造技术，如主蒸汽隔离阀的阀体铸造；大型锻造技术，国外的核电阀门大量地采用锻造结构，且采用模锻的形式，国内尚未应用；焊接技术，特别是无钴焊接技术和真空钎焊技术等，国外已经很成熟，但国内阀门行业还在研究阶段。
（4）试验技术和试验手段尚在研发之中
我国核电设备的国家标准尚不完全，核电产业开发时间较短，许多试验技术和试验手段尚在研发之中，许多试验条件和试验台架尚不具备，同时目前积累的试验数据 和应用数据无法保证阀门试验、检验工作的正常开展。如主蒸汽隔离阀的模拟上、下游管道破裂时的流体阻断性能试验，稳压器安全阀的排量试验等，国内试验台架 尚在研发之中，无法进行上述试验，而这些试验是验证阀门可靠性的必要手段和保证。
3 核电阀门国产化的目标和建议措施
3.1 国产化的目标
我国二代加核电技术依托近期要建设的核电站工程项目，实现非核安全级和核级阀门全部国产化，核Ⅱ级阀门国产化率达到80％，核Ⅰ级阀门达到70％。
A P1000经过依托项目4台机组，核Ⅰ级、核Ⅱ级阀门国产化率达到60％以上，其他阀门全部国产化。
3.2 技术措施
（1）以我为主，自主研发和技术引进相结合，同时加强与国外核电阀门企业的合作
核Ⅱ、Ⅲ级（2 5001b以下）、部分核Ⅰ级的阀门以自主研发为主；其他核电站的关键阀门（如主蒸汽隔离阀、比例喷雾阀等），采取自主研发、部分与国外合作，包括技术引进、合作生产、采购配套等方式。
充分利用国外核电阀门企业的先进的技术、资金及管理等优势，提升自身的技术实力和管理水平，完善测试手段和检验方法，最终在我国实现核电阀门领域国产化的目标。
以在建的核电工程项目为依托，分步骤、有选择地进行国产化，通过科研攻关和技术改造，完成核安全级阀门及核电站关键阀门电动装置、阀门配套用密封件和波纹管，以及核Ⅰ级手动阀门的国产化，最终实现核电阀门国产化目标。
（2）完善我国核电阀门的技术标准和规范，提升阀门实验、鉴定水平
将现有的EJ、GB、按ASME、RCC-M标准进行补充完善，尽快制定符合国情的中国核电阀门标准和规范，以促进国内核电阀门在设计、选材制造、检验等各个环节国产化进程。
整合中国阀门行业核电阀门的实验、检测和鉴定的设备和能力，资源共享，避免重复投资重复建设，加快核电阀门的研制速度。
（3）阀门企业加大核电阀门人才培养，提高阀门设计和制造能力和水平
加强核电人才培养和引进核电技术的消化吸收，提高核电阀门的设计能力和水平，增加阀门设计软件和硬件投资，保证阀门设计、制造手段先进，确保阀门零部件加工和整机装配质量可靠。
强化焊接、无损检测、热处理等特种工艺人员的培训考核。研究和采用先进的工艺技
术，使零部件制造质量达到设计图样和标准规范的要求。
（4）加强过程管理，提高管理水平对阀门企业进行核安全意识方面的教育和培
训，加强核电阀门的设计、制造全过程的质量管理，提高管理水平，促进核阀门企业管理水平的全方位提升。
3.3 政策措施
（1）制订了核电设备主设备（核电阀门）发展规划，将核电阀门技术攻关项目列入国家重大技术装备攻关计划，并重点在预算内给予资金支持，重点扶持几家有条件的企业进行科研开发和必要的技术改造，避免重复建设。
（2）国家制定专项政策，用户积极配合，突破首台首套的业绩门槛；对部分国内尚不能完全掌握技术的产品，坚持技贸结合，引进关键技术，合作制造，分阶段实现国产化，国家在研发资金上给予资金上的政策倾斜。
（3）建设国家级的核电阀门试验基地。阀门产品的试验检验是高端阀门可靠性保证的基本条件。我国核电阀门在试验检验方面仍比较薄弱，国内阀门企业受资金投 入限制以及技术基础薄弱，人才储备不足以及政策变换等影响，目前尚不具备组建和筹建高端阀门试验研究的试验设备和试验台架，国家建立国家级的核电阀门试验 基地，可确保核电大发展，阀门国产化的研发、试验需要。
总结
核电阀门国产化不仅可以降低核电造价，同时对国家核电战略目标实现以及确保国家能源安全稳定具有重大战略意义。
机不可失，时不再来，我们必须借助于中国核电大发展的机遇，积极推进我国核电阀门产业的国产化和自主化，提高我国核阀产业的竞争能力，实现我国核电产业的平稳、健康、有序地发展，推动我国核工业与世界核电产业接轨，优化我国能源结构，实现我国能源安全供应的战略目标。
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