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(1)核电阀门定义:核电阀门是核电站运行的流程设备和控制设备,控制并调节介质的压力、温度、流向、流量等,对压力容器设备起着安全保护作用,对核电站的正常、安全和稳定运行具有重要的作用。从安全级别上核电阀门可以分为核安全1级、2级、3级、非核级,其中核安全1级要求最高。
(2)阀门在核电站中的重要性:阀门是核电设备中的重要组成部分,其在核电站内的使用量大面广,可以说几乎电站的每一个系统都离不开阀门,以两台百万千瓦级机组规模的压水堆型核电站为例,阀门用量就需约2.8万台。因此阀门对核电站的正常、安全和可靠运行具有极为重要的作用。其中一些重要的阀门,如主蒸汽隔离阀、主给水调节阀、大气排放阀、稳压器安全阀和主蒸汽安全阀等属于核电站中的十分关键的设备。根据国际原子能组织(IAEA)核电站事故案例反映,因阀门故障和失效造成的停机或停堆事故,甚至核泄漏占的比重不小,因此必须引起阀门行业足够的重视。
(3)技术要求:核电阀门由于其使用场景的特殊性,对产品的设计、质量、材料等有着更高的要求,具体情况如下:
①强度和刚度:在设计上首先应考虑阀门的主要部件能承受持久的或瞬时的压力和温度交变下的各种载荷的作用力,而不能出现明显的弹塑性变形。除常规的强度计算外还应采用有限元应力分析和抗震计算分析等方法来确保阀门产品的可靠性。
②密封性与结构要求:由于核反应堆的一回路系统的输送介质大多带有放射性,因此不允许有任何外泄漏发生,必须在阀门的结构设计、密封件(波纹管、膜片、填料和垫片等)的选用、材料和成品的质量检测控制等方面,采取严格有效的措施来保证。由于阀门的介质具有放射性,所处的环境又有一定的辐照剂量,因此要求拆装维修阀门的速度要快,故要求阀门有结构简单,装拆维修容易等特点。阀体流道设计应流畅,尽量减少或避免产生死角,表面光洁平滑,便于清洗,冲洗。
③清洁度:核反应堆一回路系统内输送的介质为高纯度的硼化水,因此对与介质接触的相关部件不仅要有清洁度要求,而且内腔接触介质的零部件表面要光滑,金属表面粗糙度Ra<6.3微米。所有与阀门接触的人体、物体、装备工具和介质等都必须符合相关清洁规程的要求。
④安全可靠性:阀门需要在各种设计工况(包括正常、异常、危急和事故)下可靠的使用,甚至在遭受地震灾害或LOCA失水事故等情况下都能保持阀门设备的完整性和可操作性,因此样机必须经受各种模拟工况的试验检验。
阀门在核电站运行中,起着十分重要的作用,阀门性能的好坏,会直接影响到核电站的安全,因此核电站要求阀门的性能必须安全可靠。为了达到这一目的,要求制造厂在为核电站正式提供产品前,必须选择典型的具有代表性的阀门做样机。样机必须经受一系列的型式试验,如冷态性能试验、热态模拟工况试验、寿命试验、地震试验、LOCA试验等,以验证阀门性能的安全可靠性。
⑤材料性能:选用的材料必须具有良好的耐蚀性、抗辐照、抗冲击和抗晶间腐蚀,因此在一些主系统中均采用低碳甚至超低碳奥氏体型不锈钢作主体材料,并选用一些强度、韧性和耐温、耐压、抗冲蚀,抗擦伤等性能优越的合金材料来做阀杆或密封面等零件。应按要求进行各项理化性能和无损探伤检验。填料和垫片等非金属密封材料中的氯、氟和硫离子的含量都应严格控制,各项数据都应低于规范规定的指标,以保证对金属基体不造成腐蚀损伤。此外,核电阀门辐照累剂量为1,200,000GY,因此阀门选用的材料除了满足工作介质外,还应耐辐照,即材料受辐照后其使用性能不改变,不发生活化现象,即材料的半衰期要短,半衰期长的材料如铜、钴等尽量不采用。
综上,与普通工业阀门相比,核电阀门对材料、结构、设计及品质的独特要求,使得其对生产厂商的产品设计、工艺选择、检验程序及制造环境等提出了更高的要求,也必然导致其具备更高的生产成本、生产周期及技术含量。
中金企信国际咨询公布的《2022-2028年中国核电阀门行业市场发展现状及投资前景预测报告》
(4)行业的发展趋势:
1、产品的可靠性和调节精度进一步提升:从下游企业来看,石油天然气、冶金、化工、制药、电力等行业的生产线越
来越庞大,越来越复杂,对于精密执行器的要求越来越高,需求越来越大。从控制阀制造企业自身情况来看,经过改革开放后三十多年的市场竞争,市场上出现了一批初具规模的国有企业和民营企业,部分企业已经上市,国内生产企业的规模化使得企业的研发实力和承受研发风险的能力增强,促使各国内企业增加了对控制阀产品工艺和技术的研发力度。
2、高端控制阀国产替代化趋势加速:《仪器仪表行业“十四五”规划建议》指出以国家重点产业安全、自主、可控为契机,推进重点产品核心技术自主化进程,满足诸如核电、高铁、大型煤化工、大型炼化一体化工程、海洋工程、大型工业装置和高端科研等对于仪器仪表和控制系统的可靠性和安全性具有特别严苛要求的特殊应用领域需求,基本形成对国家大型工程项目、重点应用领域的基本保障能力和基础支撑能力。
经过制造企业及多方的共同努力和自主创新,我国阀门装备制造业近年来在核电阀门、天然气长输管线全焊接大口径球阀、超超临界火电机组关键阀门、石油化工领域以及电站行业等一些特殊工况的高端阀门产品,都取得了突破性进展,部分实现了国产化替代,打破了国外垄断,带动了行业转型升级和科技进步。此外,除了国家政策和产业政策的大力支持外,国产控制阀厂商较进口厂商还具有离下游客户更近,售后响应更为迅速,成本较低,报价更加合理等优势。
在国产控制阀可靠性、调节精度逐渐提升,与进口先进产品的差距逐步缩小的大环境下,越来越多的国产控制阀产品会被应用到大型生产线上,从而加速行业内的进口替代进程。
(3)产业集中度上升,进入门槛进一步提高:在目前国产控制阀企业迅速成长壮大、市场上对优质国产控制阀的需求不断上升的大环境下,必然有优秀的控制阀企业利用资金优势和技术优势在行业内展开收购整合以扩大自身规模,扩充产能,形成产业协同效应。目前行业内智能自控、浙江力诺、江苏神通等企业已经登陆资本市场,也给业内企业指明了通过资本市场力量做大做强的方向。同时,业内领军企业在技术上的不断投入和推陈出新,也将进一步提高行业门槛。
(4)行业技术趋向标准化、模块化、智能化、集成化和网络化:未来工业过程控制的快速发展对控制阀的要求也越来越高。控制阀产品除了在产品质量上更加可靠,调节更加精确外,新产品的开发还会进一步走向标准化、模块化、智能化、集成化和网络化。
标准化:采用统一的控制阀标准,使不同厂商生产的控制阀能够实现互换性和互操作性。整合计算选型程序,建立标准化的软件平台,使用标准化的计算机辅助故障识别和专家诊断软件,使不同制造商的控制阀可进行监测和故障诊断。标准化将大幅降低控制阀的维护成本。
模块化:从整个控制阀结构入手,将产品按照功能分成有限多的通用模块和
专用模块,分散的相对独立的模块遵守共同的明确规则,以保证这些模块能够组合成一个完整的系统,并能够随时加入新的模块以增加系统的功能。模块化设计可以使产品紧凑坚固,部件通用可换,并易于维护检修。
集成化:开发高性能的控制阀,摆脱产品的单一技术特征,在控制流体流量的简单执行功能之上,同时具备本机显示、组态、检测、控制、运算、诊断、通信以及安全、绿色等功能和兼容性,实现按需求控制的集成化控制阀产品。
智能化:控制阀利用人工智能技术、计算机技术、嵌入式数字解决方案实现
智能化,使控制阀具有自适应、自校准、自诊断等功能。数字式阀门定位器普及应用到控制阀和电动执行机构中,从而使智能一体化设计以及智能化的预测性维护成为未来主流。
网络化:随着现场总线的广泛应用,过程控制已进入网络化发展时代,控制阀的网络化,不仅可以为生产、过程检测、维护提供极大的方便,实现过程远程监控,同时也可以实现在线诊断、便捷维护以及协同工作。