核電廠反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng)水箱氧含量異常原因分析及處理

曹玉生，姚琦，蔡清強(qiáng)

(1.中廣核陽(yáng)江核電有限公司，廣東 陽(yáng)江 529941； 2.廣州發(fā)展分布式能源站管理有限公司， 廣州 511458)

1 REA001/002BA氧含量異常事件

2013年7月，中廣核陽(yáng)江核電有限公司核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，至2017年7月，除鹽除氧水貯存箱REA(反應(yīng)堆硼和水補(bǔ)給系統(tǒng))001/002BA共出現(xiàn)15次除鹽除氧水氧含量不合格事件，REA水箱氧含量超標(biāo)，含氧水進(jìn)入核電站一回路冷卻劑。因一回路是氫環(huán)境，氧的引入會(huì)導(dǎo)致一回路氫氧混合發(fā)生爆炸，還會(huì)造成一回路發(fā)生氧化反應(yīng)，加快對(duì)系統(tǒng)的腐蝕，增加一回路管道和燃料包殼腐蝕破損的風(fēng)險(xiǎn)，威脅核電站反應(yīng)堆三道屏障的完整性，縮短機(jī)組壽命，對(duì)后續(xù)的機(jī)組安全評(píng)估也是一個(gè)考驗(yàn)。

《中廣核陽(yáng)江核電有限公司#3，#4機(jī)組化學(xué)與放射化學(xué)技術(shù)規(guī)范》[1]對(duì)REA水箱在不同運(yùn)行模式下各化學(xué)參數(shù)均有明確要求。在反應(yīng)堆功率運(yùn)行模式、蒸汽發(fā)生器冷卻正常停堆模式下對(duì)氧含量有嚴(yán)格要求，余熱排出冷卻正常停堆模式、維修停堆模式、換料停堆模式、反應(yīng)堆安全卸料模式下對(duì)REA水箱水質(zhì)無(wú)要求。期望REA系統(tǒng)含氧量<0.10 mg/kg。如果一個(gè)水箱的含氧量>0.11 mg/kg，使用另一水箱補(bǔ)水，并盡快采取措施恢復(fù)水質(zhì)在限值內(nèi)。如果2個(gè)水箱氧不合格：當(dāng)含氧量為0.10～1.00 mg/kg時(shí)，允許使用24 h；當(dāng)超過(guò)24 h或含氧量>1.00 mg/kg時(shí)，維持2臺(tái)機(jī)組功率穩(wěn)定，逐個(gè)水箱換水，并盡快采取措施恢復(fù)水質(zhì)在限值內(nèi)，同時(shí)確保安全所需的最小水容量。日常工作中化學(xué)人員會(huì)在REA001/002BA初次補(bǔ)滿水時(shí)取樣化驗(yàn)含氧量，隨著REA001/002BA水位的下降，出現(xiàn)低水位時(shí)，重新充滿水后需取樣化驗(yàn)含氧量；同時(shí)，每周3次對(duì)REA系統(tǒng)進(jìn)行取樣化驗(yàn)含氧量。

2 異常原因分析及處理

中廣核陽(yáng)江核電有限公司每2臺(tái)機(jī)組共用2個(gè)除鹽除氧水貯存箱(REA001/002BA)[2]，正常運(yùn)行時(shí)一個(gè)水箱向2臺(tái)機(jī)組供水，另一個(gè)水箱處于補(bǔ)水或備用狀態(tài)。水箱的正常補(bǔ)水是由核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED)的水經(jīng)過(guò)輔助給水系統(tǒng)(ASG)的除氧器處理后供給。

從REA001/002BA的系統(tǒng)組成和功能上進(jìn)行充分考慮分析，一般引起氧含量升高的客觀因素主要分為4部分：制水回路設(shè)備異常、REA水箱房間設(shè)備異常、泵房間管道和閥門(mén)異常及REA取樣間設(shè)備異常。

2.1 制水回路設(shè)備異常分析及處理

當(dāng)REA001/002BA液位低時(shí)，將啟動(dòng)除氣器ASG001DZ為其制備除鹽除氧水，制水前需要按程序要求對(duì)ASG001DZ水質(zhì)進(jìn)行分析，確認(rèn)pH值和電導(dǎo)率合格(因ASG001DZ同時(shí)肩負(fù)給ASG001BA制水的任務(wù)，公用管道會(huì)有氨和聯(lián)氨污染)后才啟動(dòng)ASG001DZ為REA制水。ASG001DZ啟動(dòng)后會(huì)及時(shí)分析氧含量，氧含量合格才能供給REA除鹽水箱。

導(dǎo)致ASG001DZ制水不合格有以下幾種情況。

(1)ASG001DZ隔離排空后，部分死管段(主要指閥門(mén)ASG160VD至下游ASG172/173VD之間的管段)里的充水排氣不充分，導(dǎo)致氧含量上升。處理方法：改善充水排氣置換方法，部分死管段采取REA倒沖洗置換措施，使氧含量與罐子里水氧含量接近，還可以直接啟動(dòng)除氣器。

(2)ASG至REA供水管段有外漏，檢查ASG至REA供水管段法蘭、疏水閥是否有泄漏。正常情況下供水管管段兩端閥門(mén)關(guān)閉，只有密閉管道內(nèi)有空氣進(jìn)入，滲漏點(diǎn)水才能流出。處理方法： REA水位下降后，通過(guò)ASG給REA水罐制水，將氧含量高的水打入REA罐內(nèi)，通過(guò)罐內(nèi)頂部鵝頸管排掉氣體。

(3)給罐子充水的SED補(bǔ)水管線異常。一般REA143VD與REA003VD 同時(shí)內(nèi)漏，可以跟蹤SED補(bǔ)水管線上流量表REA002QD的變化，判斷是否有SED水進(jìn)入REA系統(tǒng)中，如果REA001BA氧含量持續(xù)上漲，此時(shí)可以確認(rèn)2個(gè)閥門(mén)同時(shí)內(nèi)漏。但REA143/003/004VD都是常關(guān)的，同時(shí)內(nèi)漏的可能性低。

2.2 REA水箱房間設(shè)備異常分析及處理

REA水箱房間主要設(shè)備為REA001/002BA除鹽水箱和相連的部分管道閥門(mén)等，下面重點(diǎn)從浮頂膠囊、浮頂背壓水方面進(jìn)行氧含量異常的原因分析和處理。

2.2.1 浮頂罐工作原理

為了防止水箱的水與空氣接觸而被氧化，水箱采用浮動(dòng)頂蓋，頂蓋的周邊通過(guò)橡膠薄膜與箱體連接，薄膜的周邊在箱體的中部與箱壁固定連接，在薄膜與箱壁內(nèi)側(cè)之間空隙用SED水填充，以達(dá)到潤(rùn)滑和密封的目的。浮頂上設(shè)有一根與大氣連通的細(xì)管，用于充水時(shí)排出頂蓋的周邊和箱壁中部的氣體，同時(shí)還在罐子的中間部位引出排氣管，用于充水時(shí)排水和避免頂蓋傾斜，如圖1所示。

圖1 浮頂罐結(jié)構(gòu)

2.2.2 浮頂設(shè)計(jì)理念

從圖2可以看出，REA浮頂看上去像一個(gè)大的廣口瓶。浮頂質(zhì)量為2 346.6 kg,底部浮筒直徑為5 780 mm，中間內(nèi)凹，安裝有排氣管，便于排氣。膠囊與浮頂下部浮筒頂部相連，浮頂分為上下浮筒、連接斜面、鵝頸管、環(huán)管排氣等部件。根據(jù)阿基米德定律，不考慮膠囊與水的密度差，浮頂浸沒(méi)在REA水中的深度等同于吃水深度，約為116 mm；同時(shí)，這個(gè)深度(扣除了錐體內(nèi)凹部分)也受浮頂上是否有背壓水的影響，所以浮頂所受浮力與吃水深度和背壓水的多少有關(guān)。

圖2 浮頂結(jié)構(gòu)

2.2.3 浮頂膠囊與背壓水的關(guān)系

浮頂在罐子底部時(shí)，背壓水與膠囊的關(guān)系如圖3所示，這時(shí)膠囊大部分露出，貼在罐子上，可形變膠囊的尺寸較小，受背壓水影響也最小，所以按程序和廠家管道等軸圖[3]的要求，在此時(shí)標(biāo)定背壓水。但運(yùn)行技術(shù)規(guī)范[4]要求，REA水裝量要大于180 t，還要考慮瞬態(tài)時(shí)另外一個(gè)罐子也不可用的情況，所以要求每個(gè)罐子液位均大于6.8 m，正常運(yùn)行期間很少到低低液位。

圖3 背壓水與膠囊關(guān)系

2.2.4 浮頂與膠囊異常導(dǎo)致氧含量上漲原因分析及處理

浮頂傾斜與膠囊異常是導(dǎo)致REA水箱氧含量異常的主要原因，主要從下面幾方面進(jìn)行分析。

(1)膠囊中部6.38 m處排氣閥REA093/094VD內(nèi)漏，可通過(guò)罐子水位高于此點(diǎn)0.50 m時(shí)閥門(mén)下游是否滲水以及水位低于此點(diǎn)0.50 m時(shí)膠囊部分是否貼壁、有鼓包來(lái)判斷。浮頂排氣管REA091/092/095/096VD內(nèi)漏，表現(xiàn)為REA泵不運(yùn)行時(shí)氧含量總體持續(xù)緩慢上漲，泵運(yùn)行時(shí)加速與空氣接觸的高含氧水與罐子里低含氧水進(jìn)行交換，氧含量相對(duì)上漲較快。處理措施：聯(lián)系專業(yè)人員用專用設(shè)備重新抽氣，或在低液位時(shí)用專用工具按壓鼓泡膠囊擠出空氣后，關(guān)閉閥門(mén)并安裝閥門(mén)下游堵頭。

(2)浮頂鵝頸管伸進(jìn)水里部分?jǐn)嗔选⒛z囊破裂、浮頂膠囊壓條螺栓處和膠囊與6.38 m罐壁相連接的螺栓處滲漏。此時(shí)罐內(nèi)的水直接與大氣接觸，氧含量上漲較快，泵運(yùn)行時(shí)氧含量上漲更快。依據(jù)溶解氧特性，在水溫和壓力不變的情況下，溶解氧自然擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)。處理措施：可遠(yuǎn)控可視探頭進(jìn)行探測(cè)，判斷是否斷裂或有缺陷，如確實(shí)存在問(wèn)題，就要找維修窗口更換維修浮頂鵝頸管、破裂的膠囊，或在線緊固螺栓。

2.3 泵房間管道和閥門(mén)異常分析及處理

REA水泵房間涉及4臺(tái)泵、泵再循環(huán)管線、供水管線和監(jiān)測(cè)管線的上游閥門(mén)等，泵房間管道和閥門(mén)等異常較常見(jiàn)。

2.3.1 泵入口和再循環(huán)管線異常及處理

泵機(jī)械密封和入口管線閥門(mén)、法蘭處滲漏，可臨時(shí)將氧表切至泵出口再循環(huán)管線取樣，跟蹤氧表讀數(shù)：如果讀數(shù)與之前比較接近，說(shuō)明泵和入口管線正常；如果讀數(shù)高于之前讀數(shù)0.01 mg/kg以上，說(shuō)明泵和入口管線有異常。處理方法：首先檢查泵運(yùn)行時(shí)機(jī)械密封是否有滲漏，其次檢查入口管線閥門(mén)、法蘭處是否有大的滲漏，如有滲漏，采取涂抹凡士林或用保鮮膜包裹等處理措施后跟蹤觀察。

再循環(huán)管線有異常，關(guān)閉再循環(huán)管線進(jìn)入水罐的隔離閥，跟蹤氧表讀數(shù)：如果讀數(shù)與之前比較接近，說(shuō)明泵再循環(huán)管線正常；如果讀數(shù)低于之前讀數(shù)0.01 mg/kg以上，說(shuō)明泵再循環(huán)管線有異常。處理方法：檢查泵再循環(huán)管線閥門(mén)、法蘭處是否有大的滲漏，如果發(fā)現(xiàn)有滲漏，涂抹凡士林后跟蹤觀察。

2.3.2 REA系統(tǒng)隔離檢修后處理

REA泵解體維修解除隔離充水排氣時(shí)，用氧含量低的水置換隔離邊界內(nèi)氧含量高的水不充分。檢修泵投入運(yùn)行一段時(shí)間后，罐子氧含量緩慢上漲。處理方法：改進(jìn)泵檢修后充水排氣方法，開(kāi)啟泵出口排氣閥REA149/150VD，長(zhǎng)時(shí)間間斷大流量沖洗，直到氧含量接近罐子內(nèi)水的氧含量。為保證沖洗效果，對(duì)REA主管道沖洗約2 h后，再對(duì)氧表取樣管線大流量沖洗50 min，確保取樣準(zhǔn)確，最后接入在線氧表監(jiān)測(cè)。

2.4 REA取樣間設(shè)備異常分析及處理

REA取樣間僅涉及監(jiān)測(cè)REA001/002BA的取樣閥門(mén)REA260/264VD和監(jiān)測(cè)用的氧表REN101MG(核取樣系統(tǒng))測(cè)量回路。

2.4.1 在線氧表取樣代表性數(shù)據(jù)核算

由于測(cè)量管線較長(zhǎng)，有一定延遲性，為了保證REA001/002BA取樣的代表性，通過(guò)計(jì)算，在線氧表會(huì)在40.3 min后測(cè)量到氧含量的變化。

2.4.2 氧表取樣回路異常和處理

氧表取樣回路異常無(wú)外乎氧表異常和取樣管線法蘭、閥門(mén)、快速接頭、膠管滲漏等。一般可通過(guò)水罐就地取樣閥接移動(dòng)氧表與在線氧表參數(shù)對(duì)比進(jìn)行判斷：如果讀數(shù)接近，說(shuō)明取樣回路正常，罐子里水氧含量真實(shí)；如果讀數(shù)低于在線氧表0.01 mg/kg以上，說(shuō)明取樣管線回路有異常。主要分為下面幾種情況。

(1)對(duì)比在線氧表REN101MG與臨時(shí)接在REN101MG排水口的便攜式氧表，判斷氧表是否存在故障。

(2)在測(cè)氧點(diǎn)處接三通進(jìn)行比對(duì)，判斷切換操作、流通池、測(cè)量管線(1/4細(xì)管)是否存在故障。

(3)在水箱出口就地測(cè)氧點(diǎn)閥門(mén)REA117VD后接入臨時(shí)氧表進(jìn)行比對(duì)，判斷REA至REN取樣管線是否存在故障。

(4)檢查閥門(mén)在線狀態(tài)，要求REA113/119VD關(guān)閉，REN265VD或267VD全開(kāi)，判斷閥門(mén)在線狀態(tài)是否改變。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基本涵蓋了REA水箱氧含量異常原因的判斷方法，可以根據(jù)氧含量上漲的速率來(lái)初步判斷發(fā)生故障的位置。該系統(tǒng)在核電廠是相當(dāng)重要的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)備接口多，螺栓閥門(mén)不計(jì)其數(shù)，所以難以保證所有設(shè)備都能正常運(yùn)行。這就要求運(yùn)行人員加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的巡視，事先有條理地進(jìn)行預(yù)想；對(duì)涉及多個(gè)專業(yè)需聯(lián)合進(jìn)行處理的問(wèn)題，成立跨部門(mén)的項(xiàng)目組；對(duì)相應(yīng)的文件進(jìn)行固化，為后續(xù)處理類似問(wèn)題提供參考。