2019年中國核電細分設(shè)備技術(shù)國產(chǎn)化競爭格局發(fā)展分析[圖]

    核電主設(shè)備技術(shù)壁壘高、建設(shè)周期長、投入大，市場主要被東方電氣、上海電氣、哈電集團和中國一重等大型國企壟斷。在大型鑄鍛件和關(guān)鍵零部件等細分行業(yè)，憑借雄厚的研發(fā)實力、有效的激勵機制和靈活經(jīng)營，優(yōu)秀民營企業(yè)積極參與，成功進駐部分主設(shè)備制造領(lǐng)域，譬如生產(chǎn)主管道的臺海核電、蒸汽發(fā)生器用U型管的久立特材、核級蝶閥及球閥的江蘇神通、控制棒驅(qū)動機構(gòu)的浙富控股等。

    一、壓力容器

    反應(yīng)堆容器（反應(yīng)堆壓力殼）是指安置核反應(yīng)堆的密閉容器,承受反應(yīng)堆的巨大運行壓力。容器內(nèi)部主要包含由核燃料元件等組成的放射性活性區(qū)以及高溫高壓的反應(yīng)堆冷卻劑。壓力容器是冷卻劑的主要壓力邊界，也是防止放射性裂變產(chǎn)物逸出的第二道屏障。它是核電站無法更換的關(guān)鍵主設(shè)備之一，承擔著極其重要的安全屏障作用。

    AP1000壓力容器示意圖

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    重型鍛件質(zhì)量標準嚴苛。以AP1000為例，壓力容器由13個大鍛件組焊而成，包含整體頂蓋、上筒體、下筒體、過渡段、底封頭、4個進口接管、2個出口接管以及2個直接安注接管。AP1000反應(yīng)堆壓力容器的上封頭和頂蓋法蘭為一體化鍛造，其難度在于大尺寸鍛件生產(chǎn)。

    堆芯區(qū)鍛件斷裂韌性需要滿足堆芯60年設(shè)計壽命的嚴苛要求。中國一重自主研發(fā)了我國首臺完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦級核反應(yīng)堆壓力容器制造技術(shù)，掌握了二代加和三代核電大型鑄鍛件和設(shè)備制造技術(shù)。公司為中核集團提供了包括巴基斯坦恰?，?、福建福清、浙江秦山等核電站的反應(yīng)堆壓力容器；與中廣核集團的合作始于2006年的紅沿河1號機組，先后為其提供了多臺百萬千瓦級反應(yīng)堆壓力容器。中國一重在核反應(yīng)堆壓力容器制造領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢，實現(xiàn)了自主化和批量化的先進制造。

    國內(nèi)壓力容器市場競爭格局

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    二、主管道

    核島一回路主管道是連接反應(yīng)堆一次冷卻劑系統(tǒng)主要設(shè)備的管道，由直管段、彎頭和主管道上的接管組成。反應(yīng)堆至蒸汽發(fā)生器之間的管道稱為熱段，蒸汽發(fā)生器至主泵之間的稱為過渡段，主泵至反應(yīng)堆之間的稱為冷段。主管道是包容反應(yīng)堆冷卻劑重要的壓力邊界，屬于核安全一級、抗震I類設(shè)備。主管道的制造難度高：1）高壓高輻射工作環(huán)境對管件性能提出高要求；2）三代機組要求將結(jié)構(gòu)復雜的主管道一體化鑄造，以減少焊縫處的管道腐蝕，相對于二代加的分段鑄造，制造難度再上臺階。

    三代核電站主管道示意圖

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    目前國內(nèi)的核電主管道供應(yīng)商主要有臺海核電、二重重裝、渤船重工、吉林中意、東方電氣、三洲核能等。其中，臺海核電已經(jīng)取得了二代主管道生產(chǎn)所需的全部制造許可和三代主管道及泵閥鑄件的制造許可，先后研發(fā)二代加主管道奧氏體鑄鋼材料、三代主管道RCC-M，掌握了三代主管道全流程制造技術(shù)，涵蓋華龍一號、AP1000、CAP1400等國內(nèi)主流技術(shù)路線。

國內(nèi)主管道市場競爭情況

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    三、蒸汽發(fā)生器

    核電站的內(nèi)部通常包含一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)，核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，高溫高壓的一回路冷卻水把熱能帶出反應(yīng)堆，并在蒸汽發(fā)生器內(nèi)把熱量傳給二回路的水，使它們變成蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。其中，蒸汽發(fā)生器與核島一回路中的壓力容器相連，通過其中的U型管將熱量傳遞給二回路。因此，具有放射性的一回路液體被蒸汽發(fā)生器隔離，使得二回路蒸汽不帶放射性，構(gòu)成了一道防護屏障。

    蒸汽發(fā)生器在核電機組中的作用

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    U型管是蒸汽發(fā)生器中的核心部件，兼具傳熱和隔離的作用，對其技術(shù)要求極高：1）結(jié)構(gòu)上為提高傳熱效率，要求U型管外徑較窄（17.48mm）、管壁較?。?.01mm）；2）惡劣工況對抗壓、抗震、抗輻射能力提出高要求；3）穩(wěn)定工作60年。

    U型管經(jīng)歷了四個階段的技術(shù)迭代，目前Inconel690憑借高強度、高抗腐蝕、易加工成為主流選擇。U型管的技術(shù)門檻極高，基本被法國的Valinox、日本的Sumitomo和瑞典的Sandrik三家公司壟斷。

蒸汽發(fā)生器UU型管技術(shù)路線20世紀50-60年代

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    目前寶銀特鋼與久立特材已經(jīng)獲得了核Ⅰ級熱交換器傳熱管生產(chǎn)資質(zhì)，實現(xiàn)了Inconel690U型管的國產(chǎn)化。寶銀特鋼與中國核動力研究設(shè)計院聯(lián)合，久立特材與上海核工程研究設(shè)計院攜手，分別對接蒸汽發(fā)生器廠商東方電氣與上海電氣，簽訂了三代核電示范工程的U型管供貨合同。

    四、閥門

    核電閥門是核電站建設(shè)中使用數(shù)量較多的介質(zhì)輸送控制設(shè)備，它連接核電站眾多系統(tǒng)，發(fā)揮著截止、調(diào)節(jié)、導流、防逆流、穩(wěn)壓和分流等作用。一座設(shè)計兩臺100萬千瓦機組的核電站需要各類閥門3萬臺，數(shù)量占比較大的包括截止閥、隔膜閥、閥、止回閥和蝶閥等。

    AP1000各類核島閥門數(shù)量占比

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    CPR1000各類核島閥門數(shù)量占比

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    核電閥門的工作環(huán)境復雜，不僅要考慮介質(zhì)中雜質(zhì)的污染、環(huán)境溫度、濕度、放射性、電壓波動等因素，還要保證其在正常、異常、應(yīng)急和事故四種工況下均能正常工作。由于閥門用量大、分布面廣且技術(shù)要求高，每年核電閥門檢修費用約占總檢修費用的50%以上。

    核島和常規(guī)島中許多重要的核級、非核級閥門，如先導式安全閥、主蒸氣隔離閥、調(diào)節(jié)閥等的技術(shù)和市場均被發(fā)達國家的知名企業(yè)壟斷，價格十分昂貴。以福清核電站為例，使用的進口閥門數(shù)量是國產(chǎn)閥門的約1/30，但總價是國產(chǎn)閥門的1.4倍；核Ⅰ級進口閥門數(shù)量是核Ⅰ級國產(chǎn)閥門數(shù)量的2/5，但總價接近后者的3.6倍。

    福清核電站進口/國產(chǎn)、核Ⅰ級/非核Ⅰ級閥門均價對比

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    我國的核級閥門研發(fā)始于20世紀60年代，目前已達到70%-80%的國產(chǎn)化程度。目前國內(nèi)企業(yè)已能夠自主生產(chǎn)所有非核級閥門和核Ⅲ級閥門、大部分核Ⅱ級閥門以及少量核Ⅰ級閥門。

    核電閥門國產(chǎn)化程度趨勢

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    目前核Ⅰ級閥門主要來自進口，主要供貨商有法國萬納托、美國泰科、加拿大維蘭等。國外生產(chǎn)商掌握完備、先進的研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和檢測維修等一系列技術(shù)，能夠為核電站提供配套服務(wù)。而國內(nèi)具備核級閥門生產(chǎn)資質(zhì)的企業(yè)中，僅有中核蘇閥、上海良工、大連大高、上海閥門廠、應(yīng)流股份等少數(shù)企業(yè)能生產(chǎn)核Ⅰ級閥門，且與外商相比產(chǎn)品較單一。

    國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的核Ⅰ級閥門

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    核Ⅱ、Ⅲ級閥門國產(chǎn)化程度較高，細分領(lǐng)域內(nèi)涌現(xiàn)出一批掌握核心技術(shù)、具備規(guī)模生產(chǎn)能力的優(yōu)質(zhì)企業(yè)：1）江蘇神通：占據(jù)國內(nèi)在建核電項目的核級蝶閥、球閥超過90%的市場份額，基本覆蓋國內(nèi)所有核電建設(shè)項目；2）大連大高：為紅沿河一期、海陽3、4號機組和石島灣示范工程等提供止回閥、截止閥和爆破閥等，可生產(chǎn)的閥門類型達20大類、500多個型號；3）紐威股份：與中廣核合作，承接陽江、防城港、臺山核電站的閘閥、截止閥和止回閥訂單，技術(shù)背景雄厚。

    五、主泵

    在一回路系統(tǒng)中，主泵用于驅(qū)動冷卻劑在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，連續(xù)不斷地把堆芯中產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二回路給水。主泵是核電運轉(zhuǎn)控制水循環(huán)的關(guān)鍵，也是核島主設(shè)備里唯一轉(zhuǎn)動的設(shè)備，設(shè)計難度最大、周期最長的一級設(shè)備。因此，主泵就像是核島的“心臟”，至關(guān)重要。目前存在軸封泵和屏蔽泵兩種主流技術(shù)路線，難度集中在水力設(shè)計和長期運行穩(wěn)定性的考核。

    以往核電主泵一直被國外壟斷，目前世界上具有設(shè)計制造核主泵能力的廠商主要有美國西屋/EMD、日本三菱、法國法瑪通/熱蒙、德國KSB、奧地利Andritz、俄羅斯ASE/烏克蘭SUMY和美國Flowserve。

    通過不懈努力，核電主泵正在逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。2005年，東方電氣集團和法國阿?，m集團合資成立東方阿海琺核泵有限公司，引入法國100D軸封式主泵，用于國內(nèi)CPR項目；2008年，沈鼓集團、哈電集團引入AP1000屏蔽泵技術(shù)，主要用于國內(nèi)AP、CAP項目；2008年6月，上海電氣集團與德國KSB成立合資公司。目前我國已經(jīng)擁有M310主泵的自主知識產(chǎn)權(quán)。

    國內(nèi)主泵市場競爭情況

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    六、堆內(nèi)構(gòu)件

    反應(yīng)堆核心設(shè)備，承擔重要功能：1）精確定位和支承核燃料組件，正確引導反應(yīng)堆控制棒進行核反應(yīng)啟動、停止和功率調(diào)整；2）為反應(yīng)堆溫度測量、中子通量測量提供正確通道，建立反應(yīng)堆合理的水流通道；3）有效屏蔽堆芯內(nèi)迸發(fā)出來的中子和γ射線對外界材料的輻照損傷，極大地延長了壓力容器的使用壽命。

    堆內(nèi)構(gòu)件具有零件種類數(shù)量多、結(jié)構(gòu)形式復雜、尺寸精度要求高、焊接變形控制難度大等特點，是集精密加工、精密焊接、精密裝配、精密檢測于一體的大型復雜設(shè)備。“華龍一號”堆內(nèi)構(gòu)件高度達11.03米，最大直徑4.18米，重約160噸，由236類、13487個零件組成。

    根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，“華龍一號”堆內(nèi)構(gòu)件滿足國內(nèi)和國際最先進的核電法規(guī)標準，具備完整自主知識產(chǎn)權(quán)。2017年東方電氣一舉中標四臺“華龍一號”核電機組堆內(nèi)構(gòu)件項目。2018年上海電氣完成了全球首臺“華龍一號”福清5號和海外首臺卡拉奇2號的堆內(nèi)構(gòu)件交付工作，進一步鞏固了該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。
國內(nèi)核電站堆內(nèi)構(gòu)件市場競爭格局

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    七、控制棒驅(qū)動機構(gòu)

    直接影響反應(yīng)堆正常運行及安全性能?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)是堆芯組件的關(guān)鍵元件，位于反應(yīng)堆壓力容器頂蓋內(nèi)，與控制棒組件連接，通過以一定次序?qū)θ齻€電磁線圈通電，實現(xiàn)控制棒組件的插入和提升，從而控制堆芯平均溫度，以達到反應(yīng)堆安全啟動，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率和停堆的目的。

    精密性高，穩(wěn)定性強?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)承擔著反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能。由于其運行工況惡劣性、機械配合運行的精密性和機電配合的復雜性，之前僅有美國、法國等少數(shù)幾個國家掌握設(shè)計與制造關(guān)鍵技術(shù)。

    2001年，中國核動力院針對秦山二期核電站設(shè)計出ML-A型控制棒驅(qū)動機構(gòu)。隨后，可應(yīng)用于二代加的ML-B型問世，但所使用的驅(qū)動桿、鉤爪組件等18種1362個零件仍需進口。2015年，中廣核掌握了適用于12英尺和14英尺燃料組件的控制棒驅(qū)動機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了該設(shè)備在百萬千瓦機組的完全自主化和國產(chǎn)化。

    上海電氣進入市場較早，為大部分二代堆型供貨，并聯(lián)合上海核工院率先實現(xiàn)AP1000控制棒驅(qū)動機構(gòu)的制造。東方電氣自2007年開始著手研發(fā)，2012年與中廣核合作為紅沿河一期等供貨。浙富控股進入市場較晚，其ML-B型三代壓水堆核電控制棒驅(qū)動機構(gòu)擁有發(fā)明專利。

控制棒驅(qū)動機構(gòu)制造商與設(shè)計院合作模式

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    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國核電設(shè)備行業(yè)市場運行潛力及競爭格局預(yù)測報告》