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转型升级看一线系列报道三·强基固本篇
突破配套瓶颈 厚植强国之基
2016-09-20 17:11  · 来源:中国能源报  · 作者:牟思南 胡清  · 责编:装备

编者按 

  强化工业基础能力,是《中国制造2025》战略任务的重点,核心基础零部件(元器件)、先进基础工艺、关键基础材料、产业技术基础等配套产业能力薄弱,是制约我国制造业创新发展和质量提升的症结所在。本期,围绕重大技术装备的关键部件、核心材料的自主攻关,我们寻找了4个有代表性的故事,一起感知工业强基在点滴中做起 

   

特高压交直流装备短板 

——中国西电攻破套管核心技术带动工程应用 

  特高压交直流设备是我国重大技术装备自主化的一面亮丽旗帜,依托大型输电工程建设,特高压设备设计研发、制造工艺和试验检测能力达到国际领先水平。不过,在产业链整体升级的同时,一些关键部件、核心材料依赖进口的现象尤为显眼。 

  套管,作为引入或引出变压器、电抗器的高、中、低压侧电流的载流部件,对变压器、电抗器油箱外壳起绝缘作用。长期以来,套管一直是特高压设备的薄弱环节,自主化程度不能与行业整体水平相匹配。 

  所谓“强将之下无弱兵”,作为西电集团旗下的专业子公司——西电高压套管公司是我国套管制造的核心企业,承担着大型特高压套管自主攻关的使命,从2006年开始,努力推进套管自主化升级,十年间若干产品成功实现工程应用,更多产品具备工程应用条件。 

  在交流套管开发上,西电套管公司副总经理朱斌告诉记者,“我们采用‘产学研’相结合的研究模式和油浸纸绝缘技术路线,对套管的内外绝缘结构、联接结构、密封结构、载流结构、电场分布、抗震性能进行优化设计和充分验证,自主完成了特高压1100千伏油纸电容式套管的研制,具有自主知识产权。” 

  2006-2008年期间,西电套管公司2只1100千伏交流油纸电容式套管在国网武汉特高压试验基地成功带电运行,至今运行状况良好。 

  工程应用是新产品的“试金石”。2008年10月,西电套管公司完成晋东南-南阳-荆门交流特高压工程备用套管的制造、试验及验收;2013年9月,完成皖电东送皖南站电抗器用套管的制造、试验及现场安装、交接试验;2014年6月,第一次独立并批量性顺利完成浙北-福州浙南站电抗器用3只套管的制造及试验,当年12月带电运行,这是国内首只特高压套管工程带电运行,截至目前运行状况良好。 

  在直流套管开发上,“通过建立仿真计算平台,自主开发绝缘结构优化设计和暂态电场计算分析软件包,建立直流套管卷制和真空浇注生产线,开展直流套管材料配方及工艺研究等举措,完全掌握了特高压直流干式换流变套管、干式直流穿墙套管的关键制造核心技术。”朱斌说。 

  2007年至今,西电套管公司已经先后研制出±125±200、±204、±400、±500、±800换流变阀侧干式套管2013年在锦苏工程中,同里站挂网运行±204千伏换流变套管。研制出±30、±50、±90、±168、±200、±300、±600千伏干式直流穿墙套管,并在南澳舟山柔直工程应用。目前,正在研制±1100千伏式直流穿墙套管样机。 

  以云广、向上直流工程为例,±800千伏3600安的换流变套管进口价格是1000万元/只,在国产研制成功后,进口降至五六百万元/只。在能源互联网建设大潮中,特高压交直流套管的自主化升级不但可以补齐产业链短板,还能节省数额可观的外汇。 

1828毫米,汽机叶片的中国密码 

——东汽率先试验成功CAP1400汽机末级叶片 

  汽轮机末级叶片,是汽机低压缸中最后一级叶片,由于蒸汽压力最低、所需容积流量最高,因此叶片承受的离心力载荷最大、产生的应力最高。 

  2012年11月,国家核电技术公司与东方电气正式签署CAP1400示范工程T/G包设备采购合同,东方汽轮机承担起CAP1400汽轮机组自主研发、设计、制造任务。在单机容量为140万千瓦以上的CAP1400常规岛设备中,末级长叶片的自主化是关键。 

  在研判核电汽轮机未来发展趋势,结合自有设备和技术力量的基础上,东汽产品研发部门将末级长叶片锁定为1828毫米,超过了国核要求不低于1720毫米的标准。2011年初,产品设计研究所数字分析室范小平团队完成1828毫米叶片设计方案,经过一系列论证和优化,总体方案顺利通过了技术评审。 

  1828毫米末级叶片的设计、加工、装配极为复杂,末级动叶片毛坯长2米,重达500多公斤,为了解决叶片加工中易变形等问题,产品设计研究所所长李曦滨带领技术人员查阅各种文献资料,并多次前往西安、上海等地请教老专家。 

  根据国核发布的《汽轮机长叶片试验和验证规程》要求,CAP1400示范工程汽轮机末级叶片必须在2012年5月底完成性能试验,并且《规程》要求的五项专题试验中,长叶片空气动力试验、末级长叶片应力试验在国内不仅没有专门的试验平台,而且整个行业也没有独立地进行过试验。 

  “尽最大努力完成国核要求的所有试验”是东汽高层和科研试验人员的共识。几经周折,东汽与中船重工七〇三所达成协议。“在七〇三所试验台并不满足试验条件的情况下,为确保试验如期进行,我们丝毫没有放松七〇三所试验台改造设计、特殊部件采购、加工、安装等工作。”产品设计研究所副主任工程师江生科回忆说。 

  2011年10月,1828毫米叶片试验件进入叶片分厂加工。副总工艺师、叶片分厂副厂长李启山和年轻技术员曾敬平团队开始啃“1828”这根硬骨头。曾敬平感慨说,“刚接到任务时,感觉压力特别大,一连好几天都睡不着觉,不知道从哪里入手。” 

  从图纸到产品,1828毫米叶片加工程序完全颠覆了东汽的传统,试加工调试时,怕故障损坏机床进而造成进口叶片毛坯损伤,程序组组长梁鹏带领技术员驻扎现场,随时盯着机床运转,一连好几天都吃着方便面在隆隆的机床声中度过。 

  功夫不负有心人,在试验叶轮完成整级装配后,空气动力和应力试验分别在2012年5月16日和5月29日进行,各项指标均优于国核要求,东汽成为近30年来行业首次在国内试验台独立自主进行汽机叶片末级组热态试验的制造企业。 

  此后,1828毫米叶片成功地运用在了华龙一号福清5、6号宁德二期汽轮机上,为推进我国大型核电叶片自主化进程起了重要作用。 

自主小钩爪,释放大动能 

——上海电气实现堆焊双齿钩爪自主化 

  钩爪是控制棒驱动机构的关键部件,上、下两组,每组3个、呈120°均匀分布,在磁力提升型控制棒驱动机构中,通过线圈及磁极产生的磁力带动钩爪运动,两组钩爪抱合中心的驱动杆组件,通过钩爪齿与驱动杆外圆的环槽交替啮合,实现驱动杆及控制棒的上下运动,以完成反应堆的启停、功率调节。 

  随着核电项目稳步推进,尤其是“华龙一号”加速建设,钩爪的自主化势在必行。在上海电气一机床公司产品技术总监戚丹鸿团队的努力下,“华龙一号”堆焊双齿钩爪制造完成,各项指标满足要求,预计今年底前将通过寿命验证试验。 

  “‘华龙一号’控制棒驱动机构设计寿命增加至60年,对机构中的运动磨损零件提出了更高的要求,几经考量设计选用堆焊双齿钩爪结构,即钩爪耐磨部位采取堆焊钴基合金工艺。”一机床公司工艺部副部长米大为告诉记者。 

  在堆焊双齿钩爪实现自主之前,国外主要使用钴基合金整体铸造双齿钩爪,为了减少退役处理较难钴材料使用量,研制堆焊双齿钩爪具有一定的先进性和经济安全性。“围绕‘华龙一号’项目,我们重点进行了堆焊双齿钩爪的研制,通过工艺研究、结构设计,反复试验,目前已掌握了堆焊双齿钩爪制造的工艺精髓。”戚丹鸿说。 

  事实上,堆焊双齿钩爪的自主化突破面临诸多技术挑战。第一是小孔堆焊技术,由于小孔堆焊前孔的直径仅为φ14毫米、深度30毫米,在焊接过程中,堆焊层的气孔缺陷很难避免;第二是焊前预热采用手工预热,堆焊层温度梯度较难控制,使钴基合金材料的焊件容易产生裂纹;第三是在堆焊过程中可实现渗碳作用,增加堆焊层耐磨性,因此对焊接速度的控制有较高的要求;第四是由于钩爪3个一组,与驱动杆外圆进行啮合运动中相互磨损,齿间距尺寸公差控制在0.038毫米以内,对钩爪尺寸精度要求极高。 

  “通过工艺设计、多次试验、参数固化等环节,克服了钩爪制造的各项瓶颈,制造出了完全符合设计要求的‘华龙一号’堆焊双齿钩爪。”戚丹鸿还透露,“目前我们也开展了3D打印双齿钩爪的研究,取得了较大的进展。” 

  据初步计算,氧乙炔堆焊双齿钩爪的自主化可为控制棒驱动机构制造节省成本约2%;堆焊钩爪制造工艺将在“华龙一号”中得到应用,可推广至三代核电其他堆型及类似耐磨结构的零件上使用。 

甩掉洋拐棍的赛跑 

——U型到螺旋,宝银推进核一级管嬗变 

  蒸汽发生器核一级换热管是蒸发器中核心关键部件,与核岛中锻件、主泵并列为自主化难度极大的“三座大山”。 

  截止8月底,山东石岛湾高温气冷堆示范电站2台蒸发器用38套换热组件在江苏宜兴宝银特种钢管公司成功发运,这标志着宝银公司承担的第四代高温气冷堆蒸发器换热组件按时保质地完成了研制任务。 

  宝银公司于2014年由宝钢、广核、华能三家央企和银环控股集团实现混合所有制改革重组成立,其前身江苏银环精密钢管公司是一家研制特殊管材的高新技术企业,将三代压水堆和四代高温气冷堆、快中子增殖堆蒸发器用核一级换热管作为企业战略发展主攻方向。 

  在高温气冷堆蒸发器换热组件成功发运之前,宝银公司已自主成功研发了高温气冷堆蒸发器多头螺旋管束及素有“中华核电第一管”美誉的690U型管,并在三代AP1000、CAP1400、“华龙一号”等堆型中顺利完成产品供货,使我国大型先进核电蒸发器用管可以告别“洋拐棍”。 

  在三代核电690U型管具备产业化能力的同时,宝银公司瞄准了四代核电蒸发器换热管的自主研制。高温气冷堆采用包覆颗粒燃料,全陶瓷堆芯结构,以氦气做冷却剂,石墨做慢化剂,蒸发器采用组件式直流设计理念,结构紧凑,换热效率高,蒸发器用管采用螺旋盘管型式。 

  宝银公司创始人庄建新告诉记者,1台蒸发器有19套换热组件,1套换热组件由35根螺旋管束分5层套装而成,螺旋盘管和换热组件套装是项目自主攻关的关键环节 

  “从制造难度来说,螺旋管束比U型管制造难度大得多,螺旋管束研发了近八年的时间,最终攻克了60米超长管直管制造、多头螺旋管束成型、螺旋管束精整、直管和螺旋管过渡段空间弯管工艺技术和装备等多项技术难题,取得了多项发明专利和专有技术,成功研发并形成批量化生产能力。”庄建新表示 

  宝银公司通过前期投资数亿元,建成从材料冶炼、钢管制造、盘管成型、管束组装的全流程生产线,目前形成年产238套满足两台600兆瓦高温气冷堆电站建设需求的加工制造能力 

  我们依靠自主创新,突破了大型先进核电一级换热管这一技术难题,不仅满足了重大工程装备国产化需求,为中国核电走出去’、民族企业争取国际市场话语权和影响力作出了贡献。庄建新说。 

 

记者手记 

块石之力撑稳一座山 

  推进重大技术装备自主化、国产化,关键部件、核心材料“卡脖子”现象屡见不鲜。 

  核电是我国“走出去”战略的第二张“国家名片”,然而蒸发器换热管、控制棒驱动机构钩爪、汽轮机末级叶片等关键部件是自主化“软肋”环节;特高压输变电堪称当之无愧的又一张“国家名片”,但是套管等一些核心零件长期依赖进口。 

  基础配套能力薄弱是装备产业大而不强的显现症结。通过走访欣喜地看到,以中国西电、东方电气、上海电气、宝银钢管为代表的一批企业,在各自领域深耕细作,自主攻克基础配套产业的技术瓶颈,并促进工程应用。 

  突破配套瓶颈,夯实产业基础,产生的经济社会效益是显而易见的。一方面,在“一带一路”国家战略中,保障了重大工程项目的自主化水平和国产化率,为“走出去”提供百分之百的“中国基因”;另一方面,可以完全替代进口,既节约了大量的外汇,也摆脱了受制于人的扼喉之痛。 

  装备制造进入到产业结构深度调整期,“重主机、轻配套”的惯性发展思路不再可取,推进核心基础零部件、关键基础材料实现自主保障,建成较为完善的产业技术基础服务体系,逐步形成整机牵引和基础支撑协调互动的产业创新发展格局,是实现制造强国战略的重要支撑。 

  

 
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