Exploration on Promoting the Localization and Intelligent Development of Welding in Nuclear Industry

国外核电焊接领域发展较早，重视程度高，已经形成了完整的产业链，工程建设中参考标准体系完备。我国核电从秦山起步，经过二代加核电的批量建设、运行，三代核电消化引进吸收，焊接水平取得了长足的进步，常规焊材、焊机等产品实现了国内生产，一批可靠的供应商逐步发展壮大。为了适应核电焊接环境苛刻，可靠性要求高的特点，核电主设备智能焊接装置、焊接成果自动诊断等需求日益增多，整个行业向着智能化的方向快速发展。然而从整体来看，产业发展与国外相比仍存在着大而不强的问题，焊材、焊接设备、检测手段三个细分领域中高技术附加值产品和服务被国外垄断。

受制于基础材料研发欠缺，同时产品开发大都基于订单，基础数据积累不连续，导致产品稳定性不足。目前国内焊材厂家仅在常规岛及BOP系统中参与供货，大量焊材仍然依赖于进口，尤其是用于核安全设备的核级焊材，被国际寡头垄断，价格是国内常规焊材的数倍，同时供货、服务周期无法保障。我国各堆型核电站采用进口焊材情况见表1。

核电站设备制造和建设安装中常用的焊接方法是非熔化极惰性气体保护焊和焊条电弧焊，通常情况焊接的工作条件十分苛刻，对质量和进度要求较高，而目前国内仍采用手工焊为主的施工方式，对技术人员的水平依赖性高，效率低下，目前仅在关键部件的焊接上采用自动化焊接，比例不足1%，自动焊接机器人装备大多来自于进口，主要有美国WELD LAGIC，德国ORBIMATIC，日本ANCHI等品牌。目前，焊接机器人因其高效、持续性好等明显优势，使得焊接自动化、智能化已经成为行业发展的必然趋势，但是由于受制于缺少核心部件制造技术和控制系统的核心技术，我国焊接机器人尚处于起步阶段，与国际市场成熟产品仍有较大差距。

核电站因为自身属性特点，使得核电设备长期处于高温、高压、中子辐射状态下运转，容易导致设备疲劳、脆化、裂缝等缺陷，对于核电焊缝的检测和评估，就成为一项重要的工作。为了减少人员的受辐射时间，解决现场空间狭小问题，自动化、远程化焊缝检测装置应运而生，同时通过视觉采集技术实现焊接图像的可视化、可追溯化，智能分析焊接参数和效果。在此领域国外发展较早，日本奥林巴斯公司研发的PipeWizard爬行器、丹麦FORCE公司研制的AGS爬行器、美国Worthington Industries公司研发的焊缝跟踪设备都在核电厂取得了良好的应用。国内得益于人工智能技术的发展，产品研发生产也取得了长足的进步。

当前，我国已经进入三代核电全面建设，四代先进核电堆型加速研发的阶段。国家能源局在针对我国自主研发核电“华龙一号”的批复中要求，充分利用我国目前的核电装备制造业体系，支持关键设备、零部件和材料的国产化工作^［2］，690U形管、核级电缆、焊材等关键材料的国产化比例不能低于85%^［3］，这为焊接工作国产化提供了广阔的应用场景和市场空间。以焊材为例，一台百万千万级机组，主设备制造和安装需要核级焊材约500 t，其中高端镍基合金、不锈钢、低合金钢焊材占70%，单台机组核级焊材成本约3 000万元，另外用于海水循环系统的奥氏体不锈钢焊材每台机组也能创造近千万的经济效益，而焊接机器人及自动化检测装备，已有的应用场景每台设备进口价格都在数百万量级，随着人工成本的提高以及质量稳定性的要求，智能化应用场景会越来越多，因此焊接领域国产化、智能化工作具有广阔的市场空间和社会效益。

推进核电焊接国产化、智能化的工作符合国家推进“工业制造2025造接工业强基工程”的导向，焊材是典型的关键基础材料，自动焊接装置及智能化检测装置也是典型的产业技术基础，工信部在《关于加快推进工业强基的指导意见》中指出，提高国防军工、新能源、重大装备、电子等领域专用材料自给保障能力，提升制备技术水平^［4］。在《上海市工业强基工程实施方案（2017—2020）》中提出了“重点领域补短板”“强链补链一条龙行动”以及“产业技术基础立柱架梁行动”，并在2018年将核电焊接列为上海市工业强基专项重点方向。政府的政策引导支持为核电焊接领域国产化、智能化的发展提供了良好的支撑。

随着我国工业水平的发展，国内已经培育出了一批在焊接领域有所建树的高校、科研院所和生产企业，上海交通大学、哈尔滨工业大学、江苏科技大学、上海工程技术大学等都长期参与焊接技术的研究，大西洋焊材、天津金桥、天津大桥等企业是国内著名的焊材生产商，上海沪工、成都焊研威达等公司致力于开发特种自动焊接装置，哈尔滨焊接研究院在镍基合金和专用焊机领域均有较好的业绩。核电焊接领域国产化的系统性研究起源于AP1000技术的消化引进吸收，以及国家重大专项CAP1400的设计和建设，大西洋焊材针对AP1000钢制安全壳的焊材通过了ASME审查并实现供货，上海电力修造厂有限公司的“核级镍基焊接材料国产化研发及实验平台”通过了验收^［5］，国核运行公司完成了“核岛关键部件自动检测维修设备和技术研发平台”建设。这些成果都为进一步发展积累了宝贵的经验。

上海核电产业基础良好，产业链完备，科研机构、装备制造企业林立，多次承担国家级攻关任务，在核电焊接领域，具有多家技术积累丰富，具备攻关能力的单位^［6］，见表2，因此采用技术与产业协调、成果和应用互动、信息与技术有效融合的核电焊接“一条龙”模式，最大限度发挥优势，具有重要的意义。

同时，以上企业在核电焊接领域中，是一种研发、生产、应用、验证产业链上下游共生关系，因此结合各自的业务特点和优势，提出了核电领域高效可靠焊接技术、焊材、工艺、检测、应用“一条龙”的整体提升方案，针对行业发展过程中难点并加以聚焦，重点攻关以下几个方面：

1）焊材：奥氏体不锈钢、镍基合金焊、高强度安全壳配套焊丝。

2）焊接装备：核电管道TIG焊接机器人、耐蚀层机器人高效气保焊焊接、电构件双丝MIG^［7］。

3）检测装置：管道环焊缝超声自动检测机器人及系统，实现焊缝质量远程自动检测，实现应力检测与模拟计算一体化。

推进过程由行业主管部门协调，牵头单位总负责，整合资源，形成合力。

1）建立上下游紧密合作、分工明确、利益共享的产业组织新模式，形成有效协调的产业链^［8］，依托产业联盟、项目共同体的机制保障，实现人才、信息、技术的共享，产品开发全过程对接，全流程参与，以问题为导向，以最终客户需求为研发目标，使得基础研究与最终应用紧密结合，实现应用带动研发，研发优化应用的良性循环，保障科研成果的有效转化。

2）鼓励基础研究，搭建验证平台。通过与上海交通大学、上海应用物理研究所、上海核工程研究设计院等科研院所的合作，从机理研究出发，做到完全自主可控，掌握自主知识产权。同时搭建验证平台，依托第三方服务机构，对科研成果进行验证，形成从原理到产品再到认证的闭环，为用户的国产化替代工作提供强有力的保障。

3）发挥产业链协同的优势，提高系统集成能力。通过先进的焊接装置，实现先进焊接技术的应用，还能够提供可视化的验证结果并进行分析，为用户提供一站式的解决方案，使得核电焊接领域进一步代表“上海制造”、“上海服务”，成为“上海核电”品牌效应的有力支撑，同时利用“一条龙”产业链的作用，带动一批相关产业的发展，还可以推动核电技术成果向非核市场的转化应用，填补相关空白。

4）借力产业政策扶持。目前为了解决核电领域的“卡脖子”技术，各大业主集团纷纷梳理问题清单，谋划替代方案和支持政策。在上海市层面，积极寻求产业政策支持，既解决核电业主的工作困扰，也通过补足核电基础能力，进一步做强上海核电产业^［9］。

我国核电发展面临难得的历史机遇，推进核电安全稳步的发展，最终实现走出去的目标，离不开自主创新能力的提升及瓶颈问题的突破。由此，在核电焊接领域创新性的提出产业链上下游补链“一条龙”的模式，由中核五公司牵头，联合上海电气核电设备有限公司、上海大西洋焊接材料有限责任公司、宝钢特钢有限公司、中国电建集团上海能源装备有限公司等优势单位，依托上海应用物理研究所、上海交通大学、上海电机学院、上海工程技术大学、江苏科技大学、西华大学等单位的科研能力，从8个方向对核电焊接领域的卡脖子问题进行为期两年的全方位的攻关。补链“一条龙”联合攻关行动是政、产、学、研、用五位一体推进产业发展模式的具体实践，为提高核电领域工业基础能力，促进核电自主创新发展做出了探索，贡献了力量^［10］。