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从制造到智造 亚洲最大核燃料元件基地全面复工有秘诀
文章来源:中核集团 日期:2020年04月15日

  疫情期间,由于全国范围内的疫情防控和人口流动受限,许多传统生产线出现了“复工难”“用工难”的问题。相比之下,我国最大的压水堆核电燃料元件制造基地——中核建中,以最少的人力,2月初就全面实现复工复产,产能恢复率达100%。这种抗风险应变的能力,依赖于近年来,中核建中在核燃料元件制造技术上率先一步开启数字化、智能化的转型升级,在疫情面前,此刻的中核建中迸发出化危为机、逆势突破、稳步增长的强大制造力。截至目前,已实现了一季度全面达标达产。

  发挥优势,智能制造助力一季度达产达标

  一季度,中核建中生产的华龙一号等各类型的核燃料元件按计划圆满完成。UO2粉末生产201吨,UO2芯块生产180吨,燃料棒生产97000支,零部件生产517套,配套小零件130000余件,燃料组件生产381组,相关组件生产117组,并按计划7次向不同电站交付燃料组件484组,相关组件159组,实现了良好开局。

  在一组组数据的背后,我们看到的是中核建中“智能制造”的寻常画面,在干净明亮的核工厂内,激光导引式AGV转运机器人在智能系统调度下,鱼贯穿梭在各条忙碌的自动传输线间,实现了UO2芯块无人化高效转运;全自动双工位骨架点焊机的高精度直角坐标机器人有节奏地舞动着双臂,将一个个零部件焊接成坚固的“骨架”;空中高度柔性化的吊装、转运系统有条不紊地将一组组核燃料成品元件平稳吊运进组件库……偌大的生产车间,数百台先进的自动化、数字化设备以及高精度机器人正在生产线上有序忙碌,屈指可数的几名技术人员和岗位操作人员就游刃有余地完成了一个个重约700kg的燃料元件的制造任务。

  厂房内常年保持着无尘洁净车间的洁净度,采用先进的工程设计和工艺装备,根据辐射防护分区原则,厂房与室外、厂房内不同区域也保持相应的负压梯度,确保整个生产线具有合理的气流走向,厂房每天保持均匀的送排风,整个生产线送风量达到4.7万立方米/小时,生产线送排风采用先进的负压监控系统,对场所送排风进行实时监控并自动调节,达到了行业内领先水平。这也是在此次疫情期间大幅减少人员聚集、减少接触感染、确保空气干净流通的环境下正常进行生产工作的优势所在,既实现了疫情期间的精准防控,也实现了高效的生产运转。

  网络赋能,“云办公”拓展信息化场景应用

  中核建中紧密对接国家智能制造“两步走”发展战略,选择以数字化、智能化的手段实现产品质量、成本和生产效率的提升方式,适应新发展需要,并率先在燃料板块通过评定机构现场评定及两化融合管理体系评定工作委员会的审查取得了两化融合管理体系证书。

  信息化和工业化的深度融合,核心是信息化支撑。

  2003年开始,中核建中便试图开始摸索信息化应用。多年来,以信息化系统应用为基础,全面建立信息化场景应用。

  2012年,中核建中逐步导入推进生产制造执行系统(MES)、ERP、HSE等系统建设。MES系统中以生产任务单为核心,实现了车间生产作业过程管理。千里之外,这边轻点鼠标,生产现场设备运转情况、能耗、维保,产品检测质量、生产进度等各类情况尽在掌握。

  2019年,中核建中基于现有MES系统,配置了华龙一号核燃料元件系统功能开发上线、组织系统调优、数据库安全加固、网络架构优化等工作。每个产品都有条码,就像快递物流一样,什么时候到了哪里,全过程记录。通过生产报工、生产操作记录、数据自动采集等功能,实时记录与跟踪工序的执行情况、完成情况以及相关物料流转。这套基于新技术的企业信息化系统,让中核建中实现了华龙一号核燃料元件生产及管控过程的全覆盖,谱写了一曲壮丽凯歌。

  乘“智”而上,“机器换人”促进自动化升级

  中核建中核燃料元件生产线主要包括化工转化、芯块制备、零部件加工、燃料棒制造及组件组装等五大工序,既有流程型生产特点的UO2粉末化工转化车间,又有离散型生产特点的零部件加工车间。主厂房从设计理念到工程建设融入了当前世界核燃料元件产业发展的最新成果。

  一线生产操作者和管理人员对数字化、智能化车间带来的生产模式改变有着最直观的感受。

  UO2粉末生产的干法工艺铀化工生产线,犹如一个超级大脑,通过DCS控制系统、SIS安全控制系统等实现了数千个控制点的自动控制。3位操作人员在中控室实时监控,就可以全盘指挥生产线自动生产加工,工序完成后,产品会被自动传送到指定位置。原来年产200吨铀需要20个操作工,现在新型干法工艺自动线只需要3个人操作就可以完成。

  芯块专用容器是钼舟,每个钼舟上都有一个二维码标签,系统自动扫描读取钼舟上的二维码,即可实现舟库物料存储和AGV物料转运的信息采集和跟踪。AGV机器人有序来回,将芯块成型、高温烧结、芯块磨削等工序间制成品转运至各条生产线,每次可搬运近100kg的两舟芯块。

  核燃料元件零部件制造具有工序繁多、劳动强度大、质量管控风险高等特点,是典型的离散型生产制造模式。除确保及时送料外,还需保证生产制造的成套性。零部件卧式加工中心柔性加工线(LPS),能实现加工程序、加工信息、设备状态信息的相互实时传递,在单元内完成零部件的高效加工,实现柔性化生产。由于智能化程度高,兼容性好,可适应多种类型的精密零部件快速切换和缩短新产品导入周期,并具备自动对刀、自动找正、刀具测量、加工完成后自动工件清洗的功能。以前用的数控机床,每台加工中心都需要专人操作,现在只需1人就可控制4台设备。

  中核建中科研团队自2016年将3D打印技术引入到华龙一号核燃料元件零部件的研制中,目前已实现满足机械性能的下管座、下管座防异物板、控制棒组件连接柄等多种零部件试验件的加工生产。采用常规机械加工防异物板时,最快也需要48小时的加工时间,但采用3D打印技术,加工用时仅需24小时,大大提升了加工效率,甚至可以满足小至几微米级别精度的零部件制造。

  燃料棒生产线更是智能制造的集大成者。原来,上、下端塞焊接前需要人工擦拭,消耗人力还效率低下,采用自动擦拭装置后,管口可以在焊接前自动擦拭,完全节省了人力成本。USW压力电阻焊装置,实现了燃料棒压塞、焊接一步工序完成,燃料棒生产工艺一下子精简优化了3个大步骤,焊接效率还提高至原有的1.5倍。焊接光学尺寸检查相比于原有的通规检查,让焊缝尺寸和焊缝图像可以直观显示,而且测量精度高达微米级,让每一个小缺陷都无处可逃。原来燃料棒是132支放在一个槽里称重,现在实现了全自动单支测长称重,对燃料棒产品质量达到了精准控制。整个智能化的燃料棒生产线上的自动化设备和数字化仓库,犹如十八罗汉在自己的岗位上各显神通,然而,他们还是需要一个大脑的统一调度和指挥,这才不会群龙无首、各自为政。这个大脑就是上位数据管理系统,大脑通过每个工序的固定式条形读码器,实现了数据信息的采集跟踪,通过燃料棒传输线上的上位管理系统与公司核燃料制造信息系统数据通讯,燃料棒生产数据的信息跟踪统计和质量管控让一切尽在掌握。

  AI人工智能燃料棒外观辅助检测技术,将操作人员从海量燃料棒外观检测的疲劳中解脱岀来。通过自动图像获取、AI自动评判和标识、提示,实现核燃料棒外观缺陷精度达微米级的自动检测,使检验精确度和效率得到极大提高,同时确保了燃料棒外观检验质量和堆内运行的高可靠性。

  展望未来,谋定而动实现建中“智造”倍道兼行

  核燃料元件制造产业是具有流程型和离散型制造特征的综合性制造产业,生产线涉及大量专用非标研制设备,装备的自动化、信息化和智能化改造技术含量高,智能化转型升级对中核建中来说,是一个漫长且激动人心的路程。

  中核建中将依据中国制造2025和“两化融合”的发展思路,结合公司“以点带面,全面延伸”的实施策略,在已经初步形成数字化制造的基础上,扩展数字化制造的应用范围。

  当前,公司零部件智能车间、芯块智能管理系统、生产互联互通建设改造、智能仓库及物流建设等智能化项目正在稳步推进,智能制造应用范围正在逐步扩大。

  高场新基地建设规划已经徐徐展开,项目将按照“智能升级、创新发展”的思路,充分利用云计算、大数据、人机智能交互、大数据、物联网等新一代信息物理技术,高标准、高水平设计,2025年初步建成全流程、全体系的核燃料元件智能制造生产线,实现核燃料元件工艺仿真优化、生产过程智能控制、状态信息实时监测的智能制造。另外,还将开展三维在线学习、VR技术应用、虚拟操作培训、检修维护、车间模拟演练等运维支持系统,实现虚拟完美模型与精益产品制造深度融合的个性化生产体系,最终将高场厂区建成国际一流的核燃料元件智能化工厂。

  中核建中坚定不移走以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展之路,建中智造正在这条道路上提速升级。未来,中核建中必将在新时代转型升级高质量发展的征程中创造一个又一个惊喜,为推动我国核燃料元件从制造大国走向制造强国贡献建中智慧。(焦媛、杨焕明、罗伟、王斌、文然、陈凯、马宁、姬生星、韩乙颖)

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