后處理廠溶劑再生系統始發事件的FMEA評價

后處理廠溶劑再生系統始發事件的FMEA評價

呂丹1，李銳柔2，張春龍1，劉運陶1,*，張敏1，童節娟3，趙軍3

(1.環境保護部 核與輻射安全中心，北京100082；2.中國核電工程有限公司，北京100840；

3.清華大學 核能與新能源技術研究院，北京100084)

摘要：識別始發事件是事故分析的基礎。目前后處理廠對始發事件的識別尚未形成通用方法。本文以后處理廠共去污分離循環的溶劑再生系統為研究示范對象，采用失效模式和影響分析(FMEA)的工程評價方法識別和篩選始發事件。分析結果表明，該系統始發事件的類型主要包括：包容放射性物料的邊界(設備、管道、閥門)破損泄漏；酸、堿洗槽界面測量儀表失效；各貯槽和洗滌槽液位測量儀表失效；污溶劑接受槽有機相出口計量泵軸封泄漏。經與美國后處理廠安全分析報告和國外后處理事故實例比較，FMEA方法分析結果對于設備失效所致的事故具有良好的包絡性和適用性。因此，該方法可作為選取始發事件的參考方法，并可推廣應用到后處理廠的其他工藝流程系統。

關鍵詞：后處理；溶劑再生；始發事件；分析

中圖分類號：TL24 文獻標志碼：A

收稿日期：2014-08-04;修回日期：2014-10-08

作者簡介：呂丹(1985—)，女，湖北武漢人，工程師，碩士，化學工程與技術專業

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2106

*通信作者：劉運陶，E-mail: lyenergetic@sohu.com

Initial Event Evaluation of Solvent Regeneration System

in Reprocessing Plant by FMEA

LV Dan1, LI Rui-rou2, ZHANG Chun-long1, LIU Yun-tao1,*,

ZHANG Min1, TONG Jie-juan3, ZHAO Jun3

(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China;

3.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The identification of initial events is the basis of accident analysis. Currently, in the accident analysis of nuclear fuel reprocessing plants, the general method for initial event identification still has not been established. Taking solvent regeneration system of decontamination cycle in the reprocessing plant as the research example, the engineering reliability evaluation method of the failure modes and effects analysis (FMEA) was applied to the identification and screening of initial events. The analysis results show that the types of initial events mainly consist of the leakage from the breakage of the boundary of radioactive material confinements (including equipment, pipes and valves), the failure of interface measuring instruments of acid or alkaline washing mixed-settler, the failure of liquid level measuring instruments of each storage tank or washing mixed-settler, as well as the shaft sealing leakage of the organic phase export metering pump for contaminated solvent reception tank. With the comparison of the reprocessing plant safety analysis reports of the United States and the actual accident examples of foreign reprocessing plants, the analysis results of FMEA method show good coverage and practicability to the accidents caused by equipment failure. Therefore, the FMEA method can be used as a reference method for initial events selection, and can be popularized to other process systems of reprocessing plants.

Key words：reprocessing; solvent regeneration; initial event; analysis

核燃料后處理是實現核燃料循環再利用的重要環節。目前國際上后處理廠普遍采用濕法Purex流程，該流程使用有機溶劑(30%磷酸三丁酯-煤油)對鈾、钚進行萃取、純化。為實現廢物最小化，提高有機溶劑的使用效率，后處理廠主工藝流程中設計了相應的溶劑再生系統，對溶劑進行回收再利用。

我國后處理廠溶劑再生系統的事故分析依據《乏燃料后處理廠潛在事故的假設》[1](HAF J0051)開展，根據始發事件的后果大小，將其分為輕微事故、小事故、大事故、設計基準事故和嚴重事故等5個類別，再重點針對設計基準事故和嚴重事故開展事故分析。對于始發事件的選取，目前主要參考美國?？怂珊巳剂蠌S和巴威爾核燃料廠安全分析報告[2-3]確定，尚未形成通用的識別方法。

美國最新監管要求[4-7]提出對整個后處理設施的潛在危害進行識別，篩選出需關注的危害，并進一步進行事故分析。在民用化工行業中，作為常規的可靠性分析方法[8-9]，失效模式和影響分析(FMEA)工程評價方法已在梳理和識別潛在危害方面得到成熟、廣泛的應用。本文擬采用該方法對后處理廠共去污分離循環的溶劑再生系統進行始發事件的識別和篩選，并與國外類似系統的始發事件進行比較。

1溶劑再生系統工藝流程概述

溶劑再生系統主要包括堿洗滌和酸洗滌兩個工藝環節。

堿洗滌工藝流程為：污溶劑接受槽V1接受污溶劑后，用空氣提升送至堿洗槽，輸送過程中經套管加熱器加熱至適宜溫度。堿洗槽為多級混合澄清槽，Na2CO3溶液和NaOH溶液從有機相出口級加入，污溶劑從水相出口級加入，兩相逆流接觸，以去除溶劑中的降解產物及殘留的鈾、钚和大部分裂片元素。

酸洗滌工藝流程為：堿洗后的有機相經空氣提升送入污溶劑接受槽V2，V2內的污溶劑經計量泵送至過濾器過濾，以去除固體顆粒。過濾后的污溶劑進入污溶劑接受槽V3，在V3內冷卻到一定溫度以下，經空氣提升送入酸洗槽。酸洗槽中加入HNO3，兩相逆流接觸。酸洗后的有機相經空氣提升進入再生溶劑貯槽，調制合格配比后，經空氣提升送至相應設備用作萃取劑。

溶劑再生系統工藝流程如圖1所示，主要工藝設備列于表1。

2FMEA工程評價方法

FMEA工程評價方法要求系統化地分析目標設施的各種系統和主要設備，查找其中可能直接或間接(與其他失效組合后)導致危險源釋放的失效模式(如運行失效、誤動作、斷裂、泄漏等)[8-9]。

FMEA方法主要包括故障模式分析、故障原因分析、故障影響分析、故障檢測方法分析與補償措施分析等步驟。在危險源識別過程中，關注故障模式、故障原因和故障影響分析。

分析設備或設備單元的故障影響時，分局部影響、高一層次影響和最終影響3個等級。其中，局部影響指對設備所在系統產生的影響；高一層次影響指對設施運行產生的影響；最終影響指對環境和人員的影響。

圖1　溶劑再生系統工藝流程示意圖 Fig.1　Schematic diagram of solvent regeneration system process

設備名稱設備類型介質類型是否負載放射性污溶劑接受槽V1貯槽污溶劑是堿洗槽混合澄清槽污溶劑、洗滌堿液(Na2CO3、NaOH)是廢堿接受槽貯槽廢堿液(Na2CO3、NaOH)是污溶劑接受槽V2貯槽堿洗后有機溶劑是計量泵泵堿洗后有機溶劑是過濾器過濾器堿洗后有機溶劑是污溶劑接受槽V3貯槽過濾后有機溶劑是酸洗槽混合澄清槽洗滌酸液(HNO3)是再生溶劑貯槽貯槽再生溶劑是廢酸接受槽貯槽廢酸液(HNO3)是碳酸鈉貯槽貯槽Na2CO3溶液否氫氧化鈉貯槽貯槽NaOH溶液否硝酸貯槽貯槽HNO3溶液否

3結果與討論

3.1FMEA工程評價

對溶劑再生系統進行FMEA工程評價，評價要素包括故障模式、可能原因、故障影響分析(含局部影響、高一層次影響和最終影響)、放射性危害和工業安全危害。評價結果列于表2。

由于系統中料液分布于多個設備，為簡化討論，多個不同始發事件發生后，若導致的響應和后果均類似，則將其歸為同一類始發事件，如貯槽的破裂泄漏和管道的破裂泄漏合并為同一類故障模式(表2中序號1)。

3.2FMEA評價結果討論

核電廠對始發事件的定義為：始發事件對設施的運行產生了擾動，如果各安全系統不能成功運行，可能會導致堆芯損傷[10]。該定義引申到核燃料后處理廠中，可修改為：始發事件對設施的運行產生擾動，如果各種安全系統不能成功運行，可能會產生不期望的放射性釋放后果。此外，《民用核燃料循環設施安全規定》[11](HAF 301)要求不考慮核燃料循環設施的非輻射安全問題，除非由其可能引起輻射危害。因此，此處以會產生放射性危害作為始發事件的選取依據。

根據表2的評價結果，篩選出溶劑再生系統的始發事件，如表3所列。其中，類別1和類別4均屬于包容邊界泄漏，類別2和類別3均可能造成料液意外轉移。

表2　后處理廠溶劑再生系統FMEA工程評價

對于類別1和類別4的始發事件，從后果包容角度出發，在后續事故分析中可選取污溶劑最大可信泄漏疊加火災事故作為代表性事故進行分析。對于類別2和類別3始發事件，由于事故情景具有較大隨機性，事故后果難以估算，因此，目前常從設計、制造、定期試驗和質量保證等方面對相關儀表的可靠性予以盡可能的保證。隨著后續研究的深入，此類始發事件也可開展事故分析工作。

結合美國?？怂蓮S和巴威爾廠安全分析報告中溶劑再生系統所討論的事故[2-3]，對其事故起因和事故后果進行羅列，并與FMEA方法篩選的始發事件類別進行比較，結果列于表4。

表4結果顯示，在溶劑再生系統中，利用FMEA方法所篩選的始發事件類別可覆蓋美國?？怂蓮S和巴威爾廠安全分析所討論的相關事故。由此可見，FMEA方法所確定的始發事件范圍具有較好的包絡性。

根據國外后處理廠相關事故實例的描述[12]，對各相關事故的發生時間、地點、事故起因和事故后果進行提煉和羅列，并依據FMEA方法篩選的始發事件類別，對各事故實例的起因進行歸類，結果列于表5。

表3　后處理廠溶劑再生系統始發事件

表4　美國?？怂蓮S和巴威爾廠相關工藝系統所討論的事故與FMEA評價結果的比較

注：1) 事故發生后，考慮了部分工程措施的糾正或緩解作用

注：1) 大部分事故發生后，工程措施均起到有效的糾正或緩解作用

由表5可知，在溶劑再生系統中，除人因失誤直接造成的事故外，利用FMEA方法所篩選的始發事件類別可涵蓋國外后處理廠該系統中實際發生的其他所有相關事故。實際發生的事故起因主要為類別1(包容放射性物料的邊界(設備、管道、閥門)發生破損泄漏)。由此可見，FMEA評價方法對設施內設備故障造成的事故具有較好的適用性。

此外，溶劑再生系統的部分始發事件類別對后處理設施其他類似系統是通用的，如料液包容邊界破損導致料液泄漏、液位測量儀表失效導致貯槽類設備滿溢等。由此可推測，該方法可推廣至后處理廠的其他工藝系統，對于其他工藝系統梳理始發事件譜同樣具有借鑒或參考價值。

4結論

以后處理廠共去污分離循環的溶劑再生系統為研究對象，采用FMEA工程評價方法進行始發事件的識別和確認，分析確認的始發事件包括包容放射性物料的邊界(設備、管道、閥門)破損泄漏；酸、堿洗槽界面測量儀表失效；各貯槽和洗滌槽液位測量儀表失效；污溶劑接受槽有機相出口計量泵軸封泄漏。

經與美國后處理廠安全分析報告和國外后處理相關事故實例比較，FMEA工程評價方法所識別的始發事件類別對于設備故障導致的事故具有較好的包絡性和適用性。此方法可推廣至后處理廠的其他工藝流程系統，為始發事件的分析提供參考依據和基礎。

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