核電廠薄壁大直徑貯水容器負壓變形事件經驗反饋

焦 峰，趙丹妮，禇倩倩，楊未東，孫國臣

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.國家核安全局核電安全監管司，北京 100034)

核電廠薄壁大直徑貯水容器負壓變形事件經驗反饋

焦 峰1，趙丹妮1，禇倩倩1，楊未東1，孫國臣2，*

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082；2.國家核安全局核電安全監管司，北京 100034)

核電廠薄壁大直徑貯水容器儲備了大量核電廠生產工藝用水，為各個相關系統提供水源或冷源，其中一些貯水容器是核電廠的安全功能的重要組成部分，貯水容器的水裝量及水質對核電廠的安全運行至關重要。國內核電廠近期發生了數起貯水容器負壓變形事件，這些事件多是由于水箱在排水過程中進氣不足而產生負壓超出水箱設計承受能力，同時因對水箱的負壓保護失效，最終導致水箱局部變形。本文介紹了核電廠的主要貯水容器，分析了貯水容器負壓變形事件的原因，建議核電廠營運單位保證相關貯水容器負壓保護設施的設計、安裝正確，加強對貯水容器移交時呼吸閥/孔的檢查，減少呼吸閥/孔人為封堵的情況，防異物封堵呼吸閥/孔時使用通氣性好的材料，合理安排貯水容器排水工作，制定排水工作程序，加強對相關經驗信息的反饋。

薄壁大直徑貯水容器；負壓變形；經驗反饋

近期國內某核電廠大修期間出現了輔助給水箱呼吸管線被防異物布袋封堵，在進行輔助給水箱排水作業時，因進氣能力不足，內部負壓過大，導致輔助給水箱發生彈塑性變形的事件。通過對歷史相關事件的信息分析，發現在國內核電廠類似的貯水容器負壓變形事件曾多次發生。

一些核電廠貯水容器是核電廠安全功能的重要組成部分，貯水容器的水裝量及水質對核電廠安全運行至關重要[1-3]。此外，核電廠薄壁大直徑貯水容器受損變形后受場地、材料、焊接和探傷限制，維修處理難度較大。為了防止類似事件反復發生，本文分析了近年來貯水容器負壓變形事件及原因，總結了預防此類事件發生的經驗教訓。

1 核電廠主要薄壁大直徑貯水容器介紹

1.1 輔助給水箱

輔助給水箱是具有一定水質要求的永久性貯水箱，二代改進型核電機組的輔助給水箱位于核電廠連接廠房內，采取現場預制的方式制造，設計承受安全停堆地震(Safe Shut down Earthquake,簡稱SSE)。

輔助給水系統的主要功能是作為當蒸汽發生器失去主給水供應時的備用系統。輔助給水箱為輔助給水系統中的一個貯水裝置，內裝有除鹽除氧水，水箱上部充有氮氣，壓力保持在略高于大氣壓的水平，以防止空氣進入導致水中含氧量增加。在所有運行工況下，輔助給水箱都與輔助給水泵相連，構成短期的水儲備量，供給蒸汽發生器。水箱用一只呼吸閥提供高壓保護和低壓保護，該呼吸閥既可以用于充灌水箱時背壓控制閥失效情況下進行超壓保護，也可在水箱放水時氮氣減壓閥失效的情況下進行負壓保護。輔助給水箱具有薄壁、尺寸大、焊接接頭種類多、接管數量多等特點[4]。

輔助給水箱為大直徑-壁厚比立式儲液容器，由封頭、筒體、封底、筒體加強環、接管及梯子和平臺等附件組成。容器通過封底上的地腳螺栓固定在基礎地面上。輔助給水箱具體結構如圖1所示。筒體由五層(不同厚度的)筒體段焊接而成，由下至上筒體名義厚度分別為16 mm、12 mm、10 mm、8 mm、8 mm，筒體外徑為9700 mm。由下至上各層的高度分別為3000 mm、3000 mm、3000 mm、3000 mm 和2600 mm，水箱中部設加強環。輔助給水箱總容積為1126 m3，液位標高為14.52 m。容器筒體與封頭、封底材料為20HR-B(對應RCC-M 中的P265GH)[5]。容器的主體材料力學性能參數見表1。

圖1 輔助給水箱結構示意圖Fig.1 Structure of the ASG water tank

材料屈服強度Sy·MPa-1抗拉強度Su·MPa-1許用應力S·MPa-120HR-B229.6410102.5

1.2 反應堆換料腔和乏燃料水池的冷卻和處理系統換料水箱

反應堆換料腔和乏燃料水池的冷卻和處理系統換料水箱(以下簡稱換料水箱)在機組出現失水事故的情況下為反應堆提供應急水源。M310核電廠典型換料水箱的水位信號及對應的水位定值和貯水量見表2。反應堆換料時，換料水箱可實現反應堆水池的充水和排水[6]。二代改進型核電機組的換料水箱貯水量可以滿足設計基準事故時安全注入和安全殼噴淋以及換料水池注水的需要。換料水箱四周用鋼筋混凝土墻包圍，該墻能在發生事故的情況下包容水箱的水。換料水箱頂部設有放氣管，其尺寸按疏水量設計，保證安全注入系統的兩臺高壓安注泵，二臺低壓安注泵，二臺安全殼噴淋循環泵同時工作時的用水需求。在水箱上部設有溢流管，其尺寸設計能排出一個反應堆硼和水補給系統泵補水時的額定流量[7，8]。

表2 M310機組換料水箱主要參數

1.3 核島/常規島除鹽水分配系統廠區貯存箱

對于二代改進型核電機組，除鹽水生產系統生產出的除鹽水分別向核島除鹽水分配系統(簡稱SED)和常規島除鹽水分配系統(簡稱SER)供水。SED和SER的除鹽水箱內設有水位傳感器做監測和控制之用。水箱進水管為鵝頸狀，鵝頸頂帶有真空破壞管。為了防止水箱超壓或出現真空，頂部設有放氣管。當水箱內水位達到高水位時，通過溢流管將水排至電廠污水系統(簡稱SEO)。除鹽水生產站設有防止除鹽水箱反向排空的保護裝置。除鹽水箱外壁刷油漆，內壁刷符合要求的涂料[9]。SED/SER除鹽水箱主要參數見表3、表4。

表3 核島除鹽水分配系統水箱主要參數

表4 常規島除鹽水分配系統水箱主要參數

1.4 硼回收系統中間貯存箱

二代改進型核電機組的硼回收系統共有3個中間貯存箱，設備安全等級NC，質保等級Q3，清潔度等級A1，結構材料為不銹鋼，非抗震。3個中間貯存箱為兩個系列共用，能為一回路冷卻劑提供足夠的貯存容量。中間貯存箱用于貯存除氣裝置生產的脫氣廢水，以便蒸發裝置批量運行，它也可以貯存硼和水補給系統送來的需進行蒸發再處理的補給水。必要時，可貯存核島除鹽水分配系統的除鹽水，再由蒸發裝置生產脫氣除鹽水。箱頂通過核島排氣疏水系統和廢氣處理系統含氧廢氣分離系統相連，保持負壓并連續更新箱內氣體[10，11]。

表5 M310機組硼回收系統中間貯存箱主要參數

核電廠常見薄壁大直徑貯水容器直徑及有效容積比較見表6。

表6 M310核電廠常見薄壁大直徑貯水容器典型參數

2 國內核電廠發生的貯水容器負壓變形事件

2.1 嶺澳核電廠常規島除鹽水分配系統水箱(L0SER401BA)排水導致水箱頂部嚴重凹陷變形

2004年9月嶺澳核電廠實施常規島除鹽水分配系統水箱(L0SER402BA)防腐施工。由于L0SER402BA內部打磨產生粉塵污染其他水箱而導致水質不合格，為避免再次污染，核電廠對常規島除鹽水分配系統水箱(L0SER401BA)、核島除鹽水分配系統水箱(L0SED401/402BA)的頂部呼吸孔進行了臨時封堵。10月24日，L0SER401BA進行溢流和排水操作時，出現頂部嚴重凹陷變形。

事件造成L0SER401BA靠近YA廠房側上部圍板邊緣變形比較嚴重，焊縫有一個約200×10 mm不規則裂縫；另外水箱變形造成兩個控制液位計不可用，產生錯誤信號；該事件可能影響機組供水和供水水質，影響核電廠正常運行。

事件主要原因：

(1)設備狀態變更未按核電廠程序流程進行管理

在生產部化學環保處(簡稱OPC)與技術部土建處(簡稱TCW)雙方人員討論封堵常規島除鹽水分配系統水箱和核島除鹽水分配系統水箱(L0SER401BA)呼吸孔時，都未認識到這屬于臨時特殊裝置(Temporary Special Device,簡稱TSD)的管理范疇，沒有執行核電廠的TSD管理流程。

(2)風險分析不到位

為防止常規島除鹽水分配系統水箱(L0SER402BA)防腐工作影響水質，在人為封堵了常規島除鹽水分配系統水箱和核島除鹽水分配系統水箱的呼吸孔后，OPC人員認為可以利用溢流管臨時兼作呼吸孔使用，但未考慮到若在溢流的同時水箱排水會使溢流管無法起到呼吸孔的功能。

(3)未編寫專門工作文件

由于風險分析不到位，OPC對呼吸孔封堵后可能對系統運行產生的影響估計不足，沒有認識到常規島除鹽水分配系統水箱液位很高的情況下可能造成溢流管淹沒，從而形成水封產生負壓的風險，因而沒有編寫專門的臨時運行指令，也沒有對原排水指令進行修改。

(4)核島除鹽水分配系統水箱(L0SED401BA)發生局部輕微變形時未能查清原因

2004年10月4日，防腐施工人員發現核島除鹽水分配系統水箱(L0SED401BA)頂部有兩個部位有較輕下陷現象?；瘜W人員確認并在10月8日在科處內匯報了情況，處長要求進行原因分析和現場調查，但未能確認形成真空是核島除鹽水分配系統水箱變形的原因。

(5)特殊高風險作業安排在周末

(6)防塵措施不完善

此次常規島除鹽水分配系統水箱(SER402BA)施工前期，采用頂部呼吸孔送風，底部大功率風機強制排風，風管罩在水槽上排入大氣，整個施工附近區域較多粉塵。在發生水質污染后，雙方討論改進了通風措施：將排風管引入水中，施工現場區域灰塵有一定改善。

2.2 秦山第二核電廠3號機組硼回收系統中間貯存箱(TEP004BA)變形

秦山第二核電廠3號機組中間貯存箱TEP002BA由聯營公司設備處委托中國核工業第五建設有限公司(以下簡稱五公司)進行制作，2008年4月18日，經聯營公司組織驗收合格后交中國核工業二三建設有限公司(以下簡稱二三公司)進行安裝。2010年3月3日，二三公司將硼回收系統(簡稱TEP)向調試處臨時移交，由調試處開展相關調試項目。

在TEP臨時移交后，由聯營公司調試處執行TP8TEP11規程。調試人員為了校驗中間貯存箱液位通/斷信號(TEP306SN)的高液位報警信號(10.5 m)，用循環泵(TEP007PO)以100 t·h-1的流量從中間貯存箱(TEP002BA)向中間貯存箱(TEP004BA)充水。當TEP004BA液位充至10.78 m(302MN顯示)，TEP306SN高液位報警未觸發，由調試處人員處理后報警觸發。

調試人員為了校驗TEP306SN報警消失定值，將閥門TEP110VP/112VP打開一個小開度，將TEP004BA的水排向TEP002BA。當TEP004BA的液位降至9.98 m關閉TEP110VP/112VP，但高液位報警未消失。經分析以后判斷為TEP306SN故障或中間貯存箱液位測量信號(TEP302MN)不準，故調試人員決定繼續排水重新校核TEP302MN，以便確認故障的儀表。

調試人員開啟閥門TEP110VP/112VP，將水由TEP004BA排至TEP002BA。當時TEP002BA液位2.45 m，TEP004BA液位9.98 m，TEP004BA在排水過程中垮塌。

事件發生后聯營公司調試試驗人員關閉了排水閥TEP112VP，并打開TEP277VA使TEP004BA對空。聯營公司調試試驗人員對TEP004BA進行了排水操作，防止事件進一步發展。事件造成中間貯存箱TEP004BA上部變形損壞，TEP004BA設備不可用，調試相關工作終止。

事件主要原因：

(1)二三公司、監理公司在TEP004BA移交前檢查時，未發現TEP004BA上部呼吸口被膠布封堵。

(2)二三公司將TEP向調試處臨時移交時，未拆除呼吸口上封堵的膠布，TEP004BA上部呼吸口被膠布封堵，排水時無法與大氣進行換氣，喪失其功能。

(3)調試人員在進行排水操作前檢查時，未發現TEP004BA上部呼吸口被膠布封堵。

(4)TEP004BA溢流管口在約10.8 m位置，而溢流管下部出口在地坑底部被積水淹沒，在TEP004BA排水時溢流管內形成了水封，無法替代完成呼吸功能。

(5)TEP004BA周圍腳手架搭設不完整，人員無法近距離對TEP004BA上部呼吸口等部位進行檢查。

2.3 紅沿河核電廠2號機組輔助給水箱(2ASG001BA)負壓造成水箱變形

2013年3月1日，紅沿河核電廠2號機組輔助給水系統(2ASG)調試人員到2W272房間實施輔助給水箱(2ASG001BA)排水在線檢查時，發現2ASG001BA上半部外壁扭曲變形。經現場檢查，下半部未見變形，上半部第3、4、5層板和頂蓋變形嚴重，最大凹陷位于水箱的東北方向，深度約有2 m，頂部向東北方向傾斜大約20°，部分管線及支架受拉變形。

事件發生后，電廠對2ASG狀態進行了全面檢查，發現連接2ASG001BA的對空管道(直徑為88.9 mm)末端被封頭焊死，連接在該管道上的呼吸閥(2ASG126VZ)應調試要求尚未安裝，而是采用對空管代替，但安裝完成后的對空管道末端用堵頭進行了封堵，導致2ASG001BA喪失了與大氣連通的主要通道。

事件主要原因：

(1)水箱在排水過程中進氣不足產生的負壓超出了水箱設計承受能力，同時因對水箱負壓的保護失效，導致水箱局部變形。

(2)紅沿河2號機施工圖與流程圖不一致，流程圖中管道應連通大氣，施工圖中卻設計為焊接的堵頭，導致水箱頂部與大氣未有效連通。

這個事件是因設計變更缺陷發生的一起典型事件，事件暴露出設計人員憑經驗工作、對相關文件評估不充分的情況。

2.4 秦山第二核電廠2號機組輔助給水箱(2ASG001BA)失穩癟塌事件

2016年2月12日，秦山第二核電廠2號機組進行211大修，維修三處執行輔助給水箱呼吸閥(2ASG126VZ)例行年檢工作，需要拆除該閥門并進行防異物封堵，考慮到容器存在負壓失穩的風險，在拆除呼吸閥2ASG126VZ后未使用膠帶，而是使用了防異物布袋進行封堵，以保持有一定通氣功能且不違反防異物管理要求。運行人員隨后對輔助給水箱(2ASG001BA)進行排水作業。

2ASG001BA從2月12日下午15:00開始疏水(從水箱底部疏水管道，靠自重排水)，持續到2月13日上午8:00，直到被發現失穩癟塌后停止，水位從8.52 m降至5.81 m。

經檢查，2ASG001BA水箱頂部1/3-2/3面積發生坍塌，其中一條拼接焊縫發生開裂，長度約為20 cm-30 cm。水箱有三處發生內癟，對應在筒體上部第二拼接層，發生變形的總長度為30%-40%周長，對應標高為9 m左右。

事件原因分析：

對整個輔助給水箱上部實施目視檢查，發現上封頭的局部及筒體側壁的局部存在不同程度變形；上封頭上接近頂部的變形鋼板的對接焊縫上存在1處貫穿性缺陷。變形呈不同程度凹癟狀，屬于薄壁容器因承受異常外部正壓載荷而發生屈曲的典型外貌特征；結合上述現場排水情況，判斷輔助給水箱殼體頂部局部機械變形的原因為呼吸閥所在位置的進氣能力不足，在容器排水過程容器內部負壓程度逐漸增加，當容器殼體承載達臨界載荷以上，發生彈塑性變形。

輔助給水箱排水透氣與水箱呼吸閥檢修兩項工作交叉進行，水箱在排水時失去進氣保護裝置。工作執行文件中僅有正常呼吸閥檢修工作，無水箱排水透氣工作執行文件。閥門檢修工作后，排水操作前，缺少對水箱透氣措施執行情況的現場獨立檢查確認。

現場工作人員沒有嚴格執行防異物管理規定，在電廠內部規程中明確規定對于呼吸閥防異物需要用硬質的鐵絲網，但是，工作人員使用了通氣性差的布袋，致使呼吸閥進氣能力不足，輔助給水箱出現局部機械變形。

3 貯水容器負壓變形事件原因分析

國內核電廠發生的四起薄壁大直徑貯水容器負壓變形事件總結見表7。

這四起事件均是在設備安裝調試時，由于水箱在排水過程中進氣不足而產生負壓超出水箱設計承受能力，同時因對水箱的負壓保護失效，最終導致水箱局部變形。部分核電廠存在呼吸閥/孔設計不當、負壓保護管線被焊死或由于運行/維修需要對其進行了封堵。工作人員在設備移交時未發現負壓保護裝置存在缺陷，在執行排水操作時也并未意識到負壓保護失效風險，未對相關設備進行排查。

表7 國內核電廠貯水容器負壓變形事件統計

4 貯水容器負壓變形事件經驗反饋

薄壁大直徑貯水容器在排水過程中容易出現負壓變形的情況[12]，本文通過總結共性規律，建議核電廠營運單位從以下六個方面采取措施防止類似事件重復發生：

(1)保證相關貯水容器負壓保護裝置的設計、安裝正確。對將貯水容器負壓保護的相關管線焊死、沒有呼吸閥/孔設計的情況進行排查，加強相關設計過程控制及文件審查力度，確保設計文件的一致性和完整性。強化對相關設計變更的管理，確保原設計貯水容器負壓保護功能要求。

(2)加強對貯水容器移交時呼吸閥/孔的檢查。注意對貯水容器的呼吸閥/孔的檢查中由于位置等原因出現的漏檢或檢查不到位問題，通過檢查及時發現可能的封堵情況或設計缺陷，保證貯水容器通大氣保護功能有效。

(3)盡可能減少對呼吸閥/孔人為封堵的情況，如在運行、維修中確實需要對呼吸閥/孔封堵，須進行風險分析，使用通氣性好的材料(如鐵絲網)，充分考慮對呼吸閥/孔封堵后可能對系統運行產生的影響，制定相關的臨時控制措施。同時，要加強對臨時封堵措施的管控，相關工作完成后須及時拆除封堵。

(4)合理安排貯水容器排水工作。在呼吸閥/孔檢修、封堵或未安裝到位期間，不安排貯水容器的排水工作，避免在貯水容器缺少負壓保護的情況下，工作交叉進行引發貯水容器損壞的情況。此外，從以往事件的經驗可以看出，溢流管下部出口在排水時會被淹沒形成水封，無法起到呼吸孔的功能，因此應慎重考慮溢流管兼作為負壓保護的臨時設施。

(5)制定完善的貯水容器排水工作程序，對工作人員在進行貯水容器排水前的狀態檢查、排水速度控制等做出明確規定。

(6)加強對相關經驗信息的反饋，注重排查本電廠類似的貯水容器，若發現相關異常及時查明原因，切實落實相應的糾正措施[13，14]。

5 總結

核電廠內布置的貯水容器為各相關系統提供水源或冷源，其中一些貯水容器是核電廠安全功能的重要組成部分，貯水容器的水裝量及水質對核電廠的安全運行至關重要。國內核電廠發生了多起貯水容器排水過程中由于進氣不足，水箱負壓超出其設計承受能力，最終導致水箱局部變形的事件。本文對這些貯水容器負壓變形事件進行了分析，總結了類似事件中的經驗教訓。希望各核電廠營運單位及時吸取這些事件的經驗教訓，采取措施防止類似事件重發[15]。

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ExperienceFeedbackofWaterTankDeformationDuetoNegativePressureinNuclearPowerPlant

JIAO Feng1, ZHAO Danni1,CHU Qianqian1, YANG Weidong1,SUN Guochen2,*

(1.Nuclear and Radiation Safety Center, MEP, Beijing 100082, China；2.Nuclear Power Safety Regulation Department, MEP,Beijing 100034,CHina)

Thin wall large diameter water storage containers of nuclear power plant reserves lots of water, which provide water or cold source for the relevant system, some of the water storage containers are important part of the nuclear power plant safety functions, the water in the water storage container loading quantity and quality of the safe operation of nuclear power plants is very important. several water storage container pressure deformation events occurred recently in Chinese nuclear power plants. These water tank damage events were caused by the drainage process intake is insufficient and negative pressure beyond tank designed to withstand ability. At the same time, due to the negative pressure protection of water tank failure, eventually leading to the local deformation of the tank. Primary water storage containers of nuclear power plant are introduced in this paper, analysis the reason of negative pressure of a water storage container deformation events, and suggest that nuclear plants operators to ensure that relevant water storage container vacuum protection facilities design, are installed correctly, strengthening of water storage container transfer breathing valve / hole inspection, reduce the respiratory valve / hole plugged by human, use the material with good ventilation when the respiratory valve / hole plugged, reasonable arrangements for water storage container drainage work, develop drainage working procedure and reinforcing feedback to the relevant experience and information.

thin wall large diameter water storage container; negative pressure deformation; experience feedback

TL48

：C

：1672- 5360(2017)02- 0035- 07

2016- 08- 14

2016- 11- 23

國家科技重大專項，項目編號：2011ZX06002-010

焦峰(1985—)，男，山西高平人，工程師，碩士,熱能工程專業,現主要從事核電廠運行事件和安全重要物項修改審評工作