核電廠反應堆硼和水補給系統水箱氧含量異常原因分析及處理

曹玉生，姚琦，蔡清強

(1.中廣核陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941； 2.廣州發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，中廣核陽江核電有限公司核電機組投入商業運行，至2017年7月，除鹽除氧水貯存箱REA(反應堆硼和水補給系統)001/002BA共出現15次除鹽除氧水氧含量不合格事件，REA水箱氧含量超標，含氧水進入核電站一回路冷卻劑。因一回路是氫環境，氧的引入會導致一回路氫氧混合發生爆炸，還會造成一回路發生氧化反應，加快對系統的腐蝕，增加一回路管道和燃料包殼腐蝕破損的風險，威脅核電站反應堆三道屏障的完整性，縮短機組壽命，對后續的機組安全評估也是一個考驗。

《中廣核陽江核電有限公司#3，#4機組化學與放射化學技術規范》[1]對REA水箱在不同運行模式下各化學參數均有明確要求。在反應堆功率運行模式、蒸汽發生器冷卻正常停堆模式下對氧含量有嚴格要求，余熱排出冷卻正常停堆模式、維修停堆模式、換料停堆模式、反應堆安全卸料模式下對REA水箱水質無要求。期望REA系統含氧量<0.10 mg/kg。如果一個水箱的含氧量>0.11 mg/kg，使用另一水箱補水，并盡快采取措施恢復水質在限值內。如果2個水箱氧不合格：當含氧量為0.10～1.00 mg/kg時，允許使用24 h；當超過24 h或含氧量>1.00 mg/kg時，維持2臺機組功率穩定，逐個水箱換水，并盡快采取措施恢復水質在限值內，同時確保安全所需的最小水容量。日常工作中化學人員會在REA001/002BA初次補滿水時取樣化驗含氧量，隨著REA001/002BA水位的下降，出現低水位時，重新充滿水后需取樣化驗含氧量；同時，每周3次對REA系統進行取樣化驗含氧量。

2 異常原因分析及處理

中廣核陽江核電有限公司每2臺機組共用2個除鹽除氧水貯存箱(REA001/002BA)[2]，正常運行時一個水箱向2臺機組供水，另一個水箱處于補水或備用狀態。水箱的正常補水是由核島除鹽水分配系統(SED)的水經過輔助給水系統(ASG)的除氧器處理后供給。

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

2.1 制水回路設備異常分析及處理

當REA001/002BA液位低時，將啟動除氣器ASG001DZ為其制備除鹽除氧水，制水前需要按程序要求對ASG001DZ水質進行分析，確認pH值和電導率合格(因ASG001DZ同時肩負給ASG001BA制水的任務，公用管道會有氨和聯氨污染)后才啟動ASG001DZ為REA制水。ASG001DZ啟動后會及時分析氧含量，氧含量合格才能供給REA除鹽水箱。

導致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ASG160VD至下游ASG172/173VD之間的管段)里的充水排氣不充分，導致氧含量上升。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關閉，只有密閉管道內有空氣進入，滲漏點水才能流出。處理方法： REA水位下降后，通過ASG給REA水罐制水，將氧含量高的水打入REA罐內，通過罐內頂部鵝頸管排掉氣體。

(3)給罐子充水的SED補水管線異常。一般REA143VD與REA003VD 同時內漏，可以跟蹤SED補水管線上流量表REA002QD的變化，判斷是否有SED水進入REA系統中，如果REA001BA氧含量持續上漲，此時可以確認2個閥門同時內漏。但REA143/003/004VD都是常關的，同時內漏的可能性低。

2.2 REA水箱房間設備異常分析及處理

REA水箱房間主要設備為REA001/002BA除鹽水箱和相連的部分管道閥門等，下面重點從浮頂膠囊、浮頂背壓水方面進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，水箱采用浮動頂蓋，頂蓋的周邊通過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，在薄膜與箱壁內側之間空隙用SED水填充，以達到潤滑和密封的目的。浮頂上設有一根與大氣連通的細管，用于充水時排出頂蓋的周邊和箱壁中部的氣體，同時還在罐子的中間部位引出排氣管，用于充水時排水和避免頂蓋傾斜，如圖1所示。

圖1 浮頂罐結構

2.2.2 浮頂設計理念

從圖2可以看出，REA浮頂看上去像一個大的廣口瓶。浮頂質量為2 346.6 kg,底部浮筒直徑為5 780 mm，中間內凹，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、環管排氣等部件。根據阿基米德定律，不考慮膠囊與水的密度差，浮頂浸沒在REA水中的深度等同于吃水深度，約為116 mm；同時，這個深度(扣除了錐體內凹部分)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。

圖2 浮頂結構

2.2.3 浮頂膠囊與背壓水的關系

浮頂在罐子底部時，背壓水與膠囊的關系如圖3所示，這時膠囊大部分露出，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，在此時標定背壓水。但運行技術規范[4]要求，REA水裝量要大于180 t，還要考慮瞬態時另外一個罐子也不可用的情況，所以要求每個罐子液位均大于6.8 m，正常運行期間很少到低低液位。

圖3 背壓水與膠囊關系

2.2.4 浮頂與膠囊異常導致氧含量上漲原因分析及處理

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

(1)膠囊中部6.38 m處排氣閥REA093/094VD內漏，可通過罐子水位高于此點0.50 m時閥門下游是否滲水以及水位低于此點0.50 m時膠囊部分是否貼壁、有鼓包來判斷。浮頂排氣管REA091/092/095/096VD內漏，表現為REA泵不運行時氧含量總體持續緩慢上漲，泵運行時加速與空氣接觸的高含氧水與罐子里低含氧水進行交換，氧含量相對上漲較快。處理措施：聯系專業人員用專用設備重新抽氣，或在低液位時用專用工具按壓鼓泡膠囊擠出空氣后，關閉閥門并安裝閥門下游堵頭。

(2)浮頂鵝頸管伸進水里部分斷裂、膠囊破裂、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。此時罐內的水直接與大氣接觸，氧含量上漲較快，泵運行時氧含量上漲更快。依據溶解氧特性，在水溫和壓力不變的情況下，溶解氧自然擴散運動可以忽略不計。處理措施：可遠控可視探頭進行探測，判斷是否斷裂或有缺陷，如確實存在問題，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 泵房間管道和閥門異常分析及處理

REA水泵房間涉及4臺泵、泵再循環管線、供水管線和監測管線的上游閥門等，泵房間管道和閥門等異常較常見。

2.3.1 泵入口和再循環管線異常及處理

泵機械密封和入口管線閥門、法蘭處滲漏，可臨時將氧表切至泵出口再循環管線取樣，跟蹤氧表讀數：如果讀數與之前比較接近，說明泵和入口管線正常；如果讀數高于之前讀數0.01 mg/kg以上，說明泵和入口管線有異常。處理方法：首先檢查泵運行時機械密封是否有滲漏，其次檢查入口管線閥門、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。

再循環管線有異常，關閉再循環管線進入水罐的隔離閥，跟蹤氧表讀數：如果讀數與之前比較接近，說明泵再循環管線正常；如果讀數低于之前讀數0.01 mg/kg以上，說明泵再循環管線有異常。處理方法：檢查泵再循環管線閥門、法蘭處是否有大的滲漏，如果發現有滲漏，涂抹凡士林后跟蹤觀察。

2.3.2 REA系統隔離檢修后處理

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

2.4 REA取樣間設備異常分析及處理

REA取樣間僅涉及監測REA001/002BA的取樣閥門REA260/264VD和監測用的氧表REN101MG(核取樣系統)測量回路。

2.4.1 在線氧表取樣代表性數據核算

由于測量管線較長，有一定延遲性，為了保證REA001/002BA取樣的代表性，通過計算，在線氧表會在40.3 min后測量到氧含量的變化。

2.4.2 氧表取樣回路異常和處理

氧表取樣回路異常無外乎氧表異常和取樣管線法蘭、閥門、快速接頭、膠管滲漏等。一般可通過水罐就地取樣閥接移動氧表與在線氧表參數對比進行判斷：如果讀數接近，說明取樣回路正常，罐子里水氧含量真實；如果讀數低于在線氧表0.01 mg/kg以上，說明取樣管線回路有異常。主要分為下面幾種情況。

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

(2)在測氧點處接三通進行比對，判斷切換操作、流通池、測量管線(1/4細管)是否存在故障。

(3)在水箱出口就地測氧點閥門REA117VD后接入臨時氧表進行比對，判斷REA至REN取樣管線是否存在故障。

(4)檢查閥門在線狀態，要求REA113/119VD關閉，REN265VD或267VD全開，判斷閥門在線狀態是否改變。

3 結束語

本文基本涵蓋了REA水箱氧含量異常原因的判斷方法，可以根據氧含量上漲的速率來初步判斷發生故障的位置。該系統在核電廠是相當重要的系統，結構較為復雜，設備接口多，螺栓閥門不計其數，所以難以保證所有設備都能正常運行。這就要求運行人員加強對系統的巡視，事先有條理地進行預想；對涉及多個專業需聯合進行處理的問題，成立跨部門的項目組；對相應的文件進行固化，為后續處理類似問題提供參考。