增材制造助力核电备品备件管理

郑 浩 ，卢 迪 ，宋丹戎 ，许 斌 ，陈海波 ，吴 昊 ，严连菊

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计国家级重点实验室，四川成都610213；2.南方增材科技有限公司，广东佛山528225）

0 前言

随着环境问题的日益突出，核能作为清洁能源受到世界各国的青睐。我国是位居世界前列的核电大国，截止2018年4月，我国大陆运行的核电机组30台，总装机容量达2831kW，在建核电机组24台，总装机容量2 672 kW，在建核电机组数世界第一。我国核电站反应堆堆型种类多、功率各异，如秦山一期为自主设计的30万kW的PWR压水堆，秦山二期扩建为CNP600型压水堆，秦山三期为CANDU 6型重水堆，大亚湾、岭澳、方家山核电站为M310型压水堆，田湾核电站为VVER堆型，在建的三门、海阳为AP1000型压水堆，防城港为CPR1000型压水堆，台山为EPR型第三代压水堆，石岛湾为HTR200型高温气冷堆。多种类反应堆堆型对我国的核电建设和后期运营管理、维护提出了更高的要求。对于生产运营中的核电站，备品备件管理是一项重要内容，它与电站运行管理、维修管理并称为核电管理的三大板块。备品备件的管理直接影响到核电站的安全和连续运行，以及核电站的运行成本和经济效益。研究核电站备品备件（以下简称“备件”）的管理，无论是核安全角度，还是经济效益角度看，均有重大意义。随着核电站运行时间的增长，对备品备件的管理提出了更高的要求。

1 国内核电站备品备件管理现状

1.1 对核电站备品备件的管理要求

基于核电的特殊性，核电站备品备件的管理存在区别于其他行业的特殊性。首先从安全性角度出发，要保证核电站安全、可靠的运行，对备品备件的质量要求高，在技术和管理方面对制造商的要求高，存在一定的进入壁垒；其次，从电站运行经济性角度出发，要尽可能地减少停堆时间，对备件的供货快捷性的要求较高。

根据目前国内主流的备件ABC分类法（帕累托分析法），从对电站运行可靠性和核安全保障性的影响程度将备件分为战略备件、关键敏感部件（CCM部件）、重要部件（含维修战略部件）、常用备件和常用消耗类物资。战略备件和关键敏感部件属于A类，数量约占总备件的20%，但库存总额超过80%，是核电站备件管理的重点[1]。其中战略备件指在电站设计寿期内无预期更换的重大设备，该设备是对机组的可用率和核安全有直接、重大影响的整体设备，一般制造周期长、价格昂贵且更换时间长；关键敏感部件指为使所属设备保持设计功能所必不可少的非通用类部件，其失效或缺失将导致所属机组停堆的设备的部件；重要备件指影响单个设备运行的部件，用量不大，使用预期不确定，对核安全和机组运行有重大影响，属于B类；常规部件一般指使用预期不确定，且对核安全和机组运行没有重大影响，用量不大；常用消耗类物资指电站运行和日常维护中经常消耗的材料，使用频繁，用量大的小金额物资；常规部件和消耗物资，属于C类。从核电站生命周期出发，备件可分为安装调试备件和运行维修备件，其中运行维修备件分为计划性预防维修备件和非计划性维修备件。

为了保证核电机组的安全性和运行可靠性，备件一般重安全性，忽视经济性，储备冗余大，备件使用、周转率低，库存积压大，资金占有量大。据相关文献显示，大亚湾、岭澳核电站一期4台机组平均单台机组备品备件库存金额约7 000万美元，平均单台机组年度备品备件采购金额为820万美元[2]。尤其是A、B类备件，主要有三个原因：

（1）备件种类繁多，高达万余种。

（2）备件来源广，厂家分布世界各国，采购难度大。前期核电站设备主要依赖国外进口，故备件也主要依靠进口，进一步增大了供应商的管理难度，如大亚湾核电站备件进口率高达100%，岭澳核电站为75%[3]。

（3）可选供应商数量有限。备件安全和质保要求高，对制造商进入存在技术壁垒和政策壁垒。

1.2 国内核电站备品配件的管理模式研究现状

周伟[3]、吴超群[4]的相关论述表明，备件的管理模式也在从传统的各核电站独立库存模式向更先进、科学的专业化、集约化联合储备模式发展，即在一体化基础上，建立的一种各核电站之间备件共存、共享的模式。该模式强调各方共同参与，可有效降低备件的管理成本，提升核电站的经济性。

联合储备模式主要有虚拟联合库存模式、实体联合库存模式、供应商联合库存模式三种模式。虚拟联合模式是在信息共享的基础上，各方可以相互调用对方仓库中的共享备件。实体联合库存模式是各核电站共同选一地理条件对于参与方都较便利的地点，建设备件共享仓库，共同管理或由第三方运营、管理。供应商联合库存模式即由供应商承担共享仓库，由供应商负责对备件的日常管理。

2 增材制造助力备品备件

2.1 增材制造技术介绍

增材制造技术相对于传统的铸、锻等“等材制造”或“减材制造”而言，其最大特点是采用数字模型，快速制造出各种形状和尺寸的零部件。这是一种通过激光、电子束或电弧等高能热源，熔化金属粉末或丝材，结合先进的数字化控制技术，通过小熔池、微冶金、快速凝固技术，逐层堆积出具有一定形状和尺寸的零部件的新型制造技术。在小批量、个性化定制领域，优势独特，并易于实现逆向制造，从已有的部件实物生成图样，再得到部件的模型，并以此为基础对该部件进行剖析、改进，再设计，且在改进和再设计过程中，可从传统的铸、锻产品设计线、面维度的优化层面上升到点、线、面不同维度的优化层面，充分运用拓扑优化设计方法，进一步提升部件的可靠性和经济性。如3Dsystems为GE公司在增材制造技术基础上，充分运用了拓扑优化设计，成功对波音737飞机发动机支架进行了“瘦身”，比传统零件质量减轻了70%（资料来源：3Dsystems官网）。原737发动机支架和增材制造发动机支架分别如图1、图2所示。

图1 原737发动机支架Fig.1 Original 737 engine stand

图2 增材制造发动机支架Fig.2 Additive manufacturing engine stand

增材制造作为智能制造的典型新兴技术，在世界各国得到了大力推进与发展。美国率先将其定位为国家战略技术，随后我国也在《中国制造2025》战略规划和《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中将其列为重点发展技术，是推动制造业升级的重要技术之一，如北航的王华明院士团队，西交大的卢秉恒院士团队、西北工业大学的黄卫东教授团队，都取得了很大的突破和进展。但从目前我国增材制造技术的应用领域来看，主要集中在航空航天、医疗等领域，在核电领域的应用尚处于探索阶段。2017年底，大亚湾核电站首次应用了南方增材科技有限公司采用电熔增材制造技术打印的一个SAP制冷机端盖（见图3），开启了增材制造技术步入核电领域的大门。

2.2 增材技术为核电备件管理助力的构想

图3 电熔增材制造SAP制冷机端盖Fig.3 Electric smelting additive manufacturing end cap of SAP refrigerator

从前述分析可知，核电备件管理目前存在备件种类多、供应商繁多，采购周期不可控，并为了保证核电站的安全性和持续性，备品备件库存大、周转率低、资金占有量大的难点。各种联合储备管理模式在传统的独立储备模式基础上，虽然可释放备件库存，增大备件的流动率，释放一定的备件资金，在备件管理成本方面改进明显，但是对于备件种类繁杂、供应商繁多、供应链管理难度大等方面的改进相对较小。增材制造技术的核心竞争力恰是可实现多品种、多样化部件的快速制造，因此增材制造技术可在先进的联合储备模式下，进一步改进备件的管理，形成供应商虚拟联合储备模式，即由供应商储存各种备件的打印数字模型和打印工艺，根据各核电站的备件需求，合理安排备件生产。其主要改进体现在如下方面：

（1）可有效减少供应商数量，降低供应商管理成本。增材制造技术的最大优势在于对产品形状的高度适应性，可将成千上万的传统制造业供应商变为少数增材制造商，有效降低供应商管理成本，且对备件的质量管理更可靠。

（2）采用数字化库存，进一步减少实体库存。即储存各种备件的打印模型和打印工艺，对于有明确需求时间的备件，根据增材制造生产力，制定合理的生产计划，快速制造，而非提前采购，库存再备用。

（3）可将传统的储存各种备件改为储存统一的增材原材料，降低库存管理成本。

增材制造技术在备品备件领域的应用空间是显而易见的，但由于核电行业的特殊性，建议增材制造在核电备件领域的推广应用路线可从运行维修备件中的C类备件着手，从非核级部件逐步推向核级部件，从结构件逐步推向承压件，以最小程度降低新工艺对核安全和电站运行可靠性、持续性的影响。

2.3 增材制造在核电备品备件领域的应用瓶颈

（1）认证和资质许可。

核电行业的准入，除了有较高的技术壁垒外，还有政策壁垒，对于核安全相关部件的制造，需取得国家核安全局的准入许可。但增材制造技术作为一种新兴技术，其标准建设工作、产品质量认证等工作尚处于起步阶段，体系尚未健全，在一定程度上加大了其推广和应用的难度。

（2）传统设计和增材制造工艺的匹配度。

在金属结构设计方面，制造工艺对结构有较大影响，如铸件的起模斜度，加工件的退刀槽等；若采用增材制造技术，可进一步改进或取消起模斜度、退刀槽等工艺结构要求，甚至可根据增材制造的工艺特点，重新设计部件结构，故对核电站备件技术管理提出了更高的要求。

（3）经济性。

增材制造设备昂贵，并且受原材料的影响。增材制造商需优化、研制原材料制造技术，改进增材制造工艺，提高原材料的利用率，整体降低原材料成本，提高增材制造技术的经济性。除此之外，也应积极开发如电熔增材等经济性好的增材制造技术。

3 结论

增材制造技术在备件领域具有良好的应用前景。为了更好、更快地满足核电厂备件多样、快速、高质量的需求，前期准备工作非常必要。核电站作为需求方，需做好对增材制造的技术输入，如常用备件的技术要求、需求周期，做好基于增材制造技术的备件结构设计优化工作，并配合增材制造商做好备件的建模工作等。增材制造供应商应按照需求，提前做好相关工艺开发，并以核电需求为目标，开展各项材料性能试验，以缩短后期的技术准备工作。