核電廠泵房海水系統問題分析與改進

程方超

(中國中原對外工程有限公司，北京 100044)

巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3核電廠是由中國中原對外工程有限公司施工總承包的“華龍一號”海外首堆工程，采用中國核工業集團有限公司(簡稱“中核集團”)自主研發的“百萬千瓦級中國先進壓水堆核電技術” ACP1000堆型。泵房(PS)海水系統包括循環水過濾系統(WCF)、重要廠用水系統(WES)及循環水系統(WCW)。WCF系統的功能是對海水進行過濾預處理，由4臺反沖洗水泵、2臺鼓形濾網、4套閘門、4套格柵及格柵除污機、4套加氯裝置及配套管道系統組成。WES系統的功能是將核島設備冷卻水系統(WCC)收集的熱負荷輸送至大海，用海水來冷卻WCC/WES板式熱交換器，由4臺重要廠用水泵及配套管道系統組成。WCW系統的功能是為常規島(CB)凝汽器水室及輔助冷卻水系統(WUC)提供冷卻水，在泵房區域，WCW系統包括2臺循環水泵、配套水氣油系統管道及土建進水流道。

海水通過取水明渠、粗格柵、取水閘門、取水隧洞、PS前池及閘門、細格柵及格柵除污機、鼓形濾網完成過濾及加藥后，濾后的海水分成兩路，一路經WCW泵加壓后由循環水進水管溝(GC)向常規島凝汽器和WUC系統提供必需的冷卻水，冷卻后排水通過循環水排水管溝(GD)排入跌落井(KC)；另一路經WES泵加壓后,沿重要廠用水進水管道(GA)進入核島燃料廠房(NF)，經貝類捕集器后進入WCC/WES板式熱交換器，帶走WCC系統收集的熱負荷，排水通過重要廠用水排水管道(GB)排入跌落井。WCW排水與WES排水在跌落井匯合后，經排水隧洞、排水閘門井及排水箱涵最終排入大海。海水進水流程如圖1所示。

圖1 海水進水流程圖Fig.1 The flow chart of the seawater inflow

1 泵房海水系統的重要性

泵房海水系統是核島及常規島冷卻水的最終源頭，是核電廠安全運行的必要條件。核島及常規島各類設備在安裝、調試運行期間，需要大量冷卻水持續不斷的換熱，帶走設備余熱，避免電機過熱、系統超溫而發生故障。核電廠通風/冷凍水系統的冷卻器也需要通過冷卻水帶走系統熱負荷，為配電間、電氣儀表間、主控室等區域提供良好的工作運行環境。如泵房WES系統故障，核島WCC系統將失去冷卻水，WCC系統水溫將迅速升高，導致核島主泵、安注泵、安噴泵等中壓設備無法得到冷卻；核島電氣間、配電間等失去冷風，造成通風散熱不良，環境溫度升高，導致電氣元件及電氣線路短路或故障；如泵房WCW系統故障，常規島WUC系統不可用，造成常規島閉式冷卻水系統(WCI)缺少冷卻，水溫快速上升，常規島凝結水泵、給水泵組、輔助給水泵等設備電機因缺少冷卻而停運，造成二回路給水系統故障，迫使核電廠停運，將給核電廠帶來巨大的損失。因此，泵房海水系統在核電廠建安及調試運行各個階段承擔著非常重要的角色，其安裝質量及運行問題應予以高度重視。

2 泵房海水系統問題分析及改進

卡拉奇核電廠K-2機組泵房WES、WCF、WCW系統在安裝調試及運行期間，因物項到貨質量、臨時措施故障、施工邏輯問題發生了多起質量及安全事件，給泵房安裝工作增加了諸多難題，導致K-2機組泵房進水節點滯后7個月，嚴重影響了泵房的施工進度。

2.1 WES系統襯膠管道法蘭螺栓孔安裝偏差

2019年1月10日，2PS泵房WES系統管道安裝時，WES泵出口管線引出后，在與上部襯膠三通和彎頭組件法蘭連接時，發現螺栓孔位置不對應，WES管道無法貫通，測量發現襯膠三通和彎頭組件與下方立管螺栓孔角度偏差約6°25′43″(見圖2、圖3)。發現問題后，現場立即對問題原因進行分析排查，泵房WES泵出口管道為襯膠管道，由國內制造廠按照設計圖紙組對、焊接并襯膠后運輸到場，非現場施工。因此，確認法蘭螺栓孔偏差的根本原因為襯膠管道預制偏差。

圖2 WES三通安裝偏差位置Fig.2 The deviation location of WES tee installation

圖3 WES彎頭安裝偏差位置Fig.3 The deviation location of WES elbow installation

在查閱設計圖紙及現場核實后發現：WES襯膠彎頭和三通法蘭均為28孔，相鄰兩個螺栓孔之間角度約12°51＇26″，WES泵出口管道為45°水平安裝(見圖4)，WES泵出口法蘭螺栓孔跨中布置，到貨的WES襯膠三通、彎頭法蘭螺栓孔同樣跨中布置。

《工業金屬管道工程施工規范》[6]第7.3.3條規定：“法蘭螺栓孔應跨中布置(見圖5)”，跨中布置在管道安裝中有以下好處：1)方便安裝，利于扳手緊固操作；2)統一標準，利于設計；3)跨中布置時，螺栓受力均勻，可延長使用壽命；4)當系統管道介質發生泄漏時，不會使介質(特別是腐蝕性介質)直接流到螺栓上，避免對螺栓造成損害，影響螺栓強度。

圖4 法蘭螺栓孔跨中布置Fig.4 The mid-span layout of the flange bolt hole

圖5 WES泵出口管道45°安裝Fig.5 45° installation of the WES pump outlet pipe

雖然預制的WES管道法蘭螺栓孔遵循一般要求進行跨中布置，但因WES泵為出口45°水平安裝，導致襯膠三通和彎頭組件與下方WES立管螺栓孔出現安裝偏差，無法連接。在國內預制場預制時，制造廠忽略了泵出口管道偏轉45°安裝的圖紙信息，最終造成彎頭及三通螺栓孔位置偏差問題。

K-2機組泵房進水節點在即，而WES系統管道無法貫通，且出現偏差的WES襯膠管件現場不具備返工條件，最終結合現場工期綜合分析后決定：對已到貨的2PS問題法蘭焊口切割調整后，由現場焊接并完成焊口檢測工作后返運回國，由制造廠重新襯膠后返運到場，該偏差問題最終導致WES系統安裝工期延誤3個月。襯膠三通法蘭和彎頭法蘭修改后的情況如圖6、圖7所示。

圖6 三通法蘭修改后Fig.6 The modified three-way flange

圖7 彎頭法蘭修改Fig.7 The modified elbow flange

后續改進措施：

1)國內制造廠在進行預制開工前，應加強內部圖紙會審工作，注意核查圖面的信息，避免遺漏重要內容，從而造成預制偏差；

2)針對運輸周期長，受條件制約無法現場處理的關鍵設備及重要物項，在制造期間，應在廠內進行預組裝，組裝后尺寸及時反饋項目，與現場做好交流溝通?，F場最終核實無誤后，再包裝運輸，避免返廠處理造成工期、費用損失；

3)制造廠質檢人員及駐廠監造人員應嚴格履行職責，加強對重要部位、關鍵環節的檢查，熟悉對透徹了解圖紙，確保檢查無死角，不遺漏。

2.2 WES系統軸封水管道銹蝕

2020年3月2日，在進行WES調試試驗時，發現WES泵軸封水流量不穩定，在現場排查時，發現2PS泵房-5 m層管廊飲用水系統(WPW)不銹鋼管道多處生銹，部分部位已銹穿并出現漏水情況(見圖8、圖9)。WPW系統為WES泵提供軸封水，WPW軸封水主要起到降溫、潤滑和密封作用，WES泵為填料密封，在正常運行時，泵軸與密封間因持續運行會摩擦升溫，需不斷進行降溫，以避免填料密封處溫度過高，同時帶壓的軸封水能夠有效地將海水密封于WES泵體內部，而不發生海水外泄。WPW管道生銹原因經排查分析，認為存在兩種可能：管材問題及管道內介質問題(見圖8、圖9)。

圖8 WPW管道生銹情況 Fig.8 The rust of the WPW pipe

圖9 WPW管道生銹情況Fig.9 The rust of the WPW pipe

為確認問題原因，現場對生銹管道材質進行了光譜分析，確認管道材質與設計文件要求材質一致為304不銹鋼，管材無質量問題，排除管材不達標原因。

WPW系統設計水源為海水淡化廠來水，經綜合技術廊道(GT)管線供給下游用戶，屬于巴方施工子項。因正式海水淡化廠(DS)遲遲未開工，導致現場生產用水短缺，WES泵軸封水無法保證連續供應，嚴重影響WES系統調試運行。為解決水源問題，現場建造了臨時水池(D-1號至5號)供給生產生活用水。為確定管道內水質情況，對泵房WPW系統管道末端進行取樣化驗時，發現取樣水中氯化物含量達到286 mg/L，高于《生活飲用水衛生標準》的250 mg/L上限要求[5]，確認WPW管道內水質不達標。為避免取樣數據不具備代表性，從2020年4月7日至5月7日，現場先后分4次對D-3號/4號臨時水池及WPW系統疏水管道末端6處位置進行取樣。結果顯示，水中氯化物含量均超標(見圖10)，無法滿足生活飲用水需求。

圖10 WPW水質取樣分析數據表Fig.10 The data sheet of the WPW water quality sampling and analysis

不銹鋼管道應嚴格控制氯離子含量，氯離子對于不銹鋼管道而言危害極大，氯離子具有離子半徑小、穿透能力強，并且能夠被金屬表面較強吸附的特點，氯離子將破壞不銹鋼表面的鈍化膜，形成點蝕現象，氯離子含量越高，點蝕面積及深度擴散的速度越快，直至管道穿孔造成管道漏水。因此確認WES系統軸封水管道銹蝕的根本原因為WPW軸封水氯離子含量超標。

為解決銹蝕問題，經評估分析，現場進行了以下改進：1)盡快完成正式海水淡化廠的投用，在過渡期間，加強臨時水池水質監測，定期進行取樣分析，避免再次出現超標水質；2)通過對材料的性能對比分析，選用316不銹鋼管道替換掉原設計要求的304不銹鋼管道，使WPW軸封水管道耐蝕性更強；3)考慮到WPW軸封水對WES泵運行的重要影響，增加了除鹽水(WND)應急軸封水管線。在軸封水喪失時，采用核島除鹽水水源應急供應軸封水，確保WES泵穩定運行。

后續改進措施：

1)督促巴方盡快完成海水淡化廠，早日投入正式工程，避免臨時系統水質不穩定給WPW管道及系統運行造成隱患；

2)在設計初始階段，針對系統要求低，但對設備及系統功能影響大的系統，適當考慮提升管道材質等級，增加系統可靠性，避免發生問題后的返工損失；

3)在后續泵房施工中，應避免臨時設施的啟用，優化施工邏輯，認真梳理施工順序，給水等對系統影響較大的前置條件應先行施工。

2.3 WCW泵電機冷卻水流量不足

2020年3月10日，在進行2WCW001PO循環水泵啟動前檢查時，發現循泵電機冷卻水(屬于常規島閉式冷卻水系統WCI)流量指示器2WCW103SD主控報警，冷卻水流量不滿足啟泵要求，2WCW103SD在小于72 m3/h(正常流量90 m3/h的80%)報警。就地觀察發現，2WCW103SD指針在70～86 m3/h頻繁跳動，循泵不具備啟動條件。經對問題進行認真分析，現場認為流量不足有以下3個原因：1)2WCW103SD流量計不準，示數錯誤；2)常規島WCI泵出口流量不滿足設計要求；3)系統管道內存在氣體，排氣不充分。

為查找具體原因，徹底解決問題，現場將2WCW103SD流量計拆除，采用K-3機組同規格流量計替換安裝后再次驗證，發現新安裝流量計指針仍頻繁跳動，主控報警問題仍未改善。驗證結果表明，流量計測量數據準確，排除設備故障原因。

查閱WCI系統手冊，WCI泵設計流量4000 m3/h，單臺機組泵房冷卻水量為263 m3/h，每臺機組兩臺循泵，每臺循泵WCI流量為131.5 m3/h。因此，只需測量泵房WCI主管流量數值是否滿足單臺循泵流量要求，即可排查設計是否有偏差?，F場啟動WCI泵，將泵房A/B列循泵各閥門調整至正常運行狀態，采用便攜式超聲波流量計現場測量，A/B列WCI主管冷卻水量在125～133 m3/h(見圖11)，A/B列循泵WCI流量滿足設計條件，排除WCI泵出口流量不足原因。

圖11 WCI主管超聲波流量計測量數據Fig.11 The measurement data of the WCI controlled ultrasonic flowmeter

2WCW103SD經核實為靶式流量計，靶式流量計的工作原理為：當介質在測量管道中流動時，介質自身的動能通過阻流件(靶)而產生壓差，并對靶板有一個作用力，靶板所受的作用力，經剛性連接的測桿傳至電容力傳感器，電容力傳感器產生的電壓信號經放大、轉化及計算機處理后，即可得到相應的瞬時流量(見圖12)。靶式流量計測量精度較高，在測量液體介質時，要求管道內部為滿管狀態，當系統管道流動介質非滿管，存在較多氣體時，流經靶式流量計的流量將不均勻，阻流件產生的作用力變化大，從而導致測量數據不穩定。經對WCI系統流程圖核查后，現場打開WCI系統各處排氣閥排氣，排氣完成后，主控報警消失，2WCW103SD就地數值處于76～95 m3/h(見圖13)，大于低報值72 m3/h，電機冷卻水流量滿足要求，符合啟泵要求。

圖12 靶式流量計示意圖Fig.12 Schematic of the target flowmeter

圖13 2WCW103SD流量計Fig.13 The 2WCW103SD flowmeter

在WCI系統各排氣點排氣后，循泵電機冷卻水雖滿足啟泵條件，但就地觀察2WCW103SD指針仍頻繁跳動，分析認為WCI系統中仍存在氣體。在進一步檢查泵房循泵設備及本體冷卻水管道時，發現在循泵電機兩側冷卻器處存在兩個排氣螺塞(見圖14、圖15)，螺塞位置廠家銘牌明確說明：使用前請務必打開螺塞排氣，待水放滿后擰緊。

圖15 循泵電機冷卻器排氣螺塞Fig.15 The exhaust plug for the cooler of the circulation pump motor

經排查核實，在循泵電機完工報告、試車方案等各類文件中，均未對電機冷卻器排氣螺塞進行描述，在循泵試車檢查時，因排氣螺塞位置較，現場疏于檢查，未發現排氣螺塞的銘牌說明，造成循泵啟泵前未對該螺塞進行排氣，導致管道內氣體積聚于電機冷卻器區域，造成流量計指針跳動，主控報警。在拆除該處螺塞排氣一段時間后，2WCW103SD指針穩定，就地數值為97 m3/h，大于設計值90 m3/h要求，循泵遠程操作，最終完成試車工作。因此，經最終驗證確認：電機冷卻器螺塞未排氣，WCI系統管道存在氣體是WCW泵電機冷卻水流量不足的根本原因，在對WCI系統充分排氣后，冷卻水流量不足問題得到有效解決。

后續改進措施：

1)設備制造商在編制設備竣工資料時，應對設備安裝、運行維護的各項注意事項進行明確說明，針對設備各部位信息進行逐一說明，避免關鍵信息編制疏漏；

2)施工、質控、調試等人員在進行設備及系統安裝、調試時，應全面檢查并掌握設備及系統各部件的功能及使用要求，參照設計手冊及廠家資料，完善系統施工文件，竣工文件技術要求不明確處應及時澄清，避免影響現場施工；

3)在流量計設計選型時，宜優化系統布置，更改流量計安裝位置，避免流量計安裝于易受干擾的測量區域。

2.4 WCF系統鼓網驅動電機間水淹事件

2020年3月15日，2PS泵房A列2WCW001PO單體試車時，當循泵啟動半小時后，A列鼓網驅動電機間被水淹沒且海水水位持續上升。發現問題后，主控室立即遠程停止運行WCW泵及WCF泵，試車工作被迫中斷。經測量，最終水位上升400 mm，低于鼓網電機標高，未對鼓網電機間內設備造成損害(見圖16)。經現場排查，水淹事件的根本原因為PS泵房南側撈渣坑內設置的臨時排水泵被海生物、垃圾堵塞，造成排水泵運行故障，泵房鼓網反沖洗水無法排出。

圖16 A列鼓網電機間被水淹沒Fig.16 The flooded motor of the row A drum net

泵房WCF系統鼓網主要功能為過濾海水，確保泵房海水系統WCW/WES系統水中無雜物，海水中3 mm以上的海生物、垃圾等都能夠被鼓網網片攔截，經撈污斗收集后的海生物、垃圾被設置于鼓網上方WCF沖洗水(見圖17)沖刷后排至鼓網兩側土建暗渠，沖洗水攜著垃圾及海生物沿暗渠排至泵房南側撈渣坑，經撈渣框撈污后排至WSS電廠污水系統。撈渣坑的主要功能是收集泵房WCF反沖洗排水及泵房WSS系統排水，過濾排水中撈出的海生物及垃圾，是泵房WES泵、WCW泵連續運行的重要保障。撈渣坑屬于巴方施工的Ⅱ類子項，但因巴方長期未施工，導致海水系統無法長期運行，嚴重影響泵房調試及核島送冷風、冷試等節點工作。為保證泵房排水可用，現場決定采取建造臨時撈渣坑，在坑內設置臨時排水泵，將泵房排水抽回至泵房前池的臨時措施，安排人員24 h值班。如臨時泵停運撈渣坑排水不暢，鼓網電機間水位上漲時，及時啟動備用泵或告知主控停止海水系統運行，避免鼓網電機間水淹事件發生。

圖17 鼓網外側WCF反沖洗噴嘴Fig.17 The WCF backwash nozzle outside the drum net

在K-2機組WES系統運行期間，臨時撈渣坑排水正常，未出現堵塞問題，但在循泵試車時，存在大量海生物及垃圾堵塞排水泵，導致排水不可用，造成鼓網電機間水淹事件。為排查原因，經對比WES泵與WCW泵參數發現，WES泵名義流量為3800 m3/h，WCW泵名義流量為125 100 m3/h，兩者流量差距懸殊。WES系統在運行期間，因系統流量小，泵房格柵前后液位基本無變化，泵房前池及進水流道中海生物、垃圾僅有少量隨水流進入鼓網撈污斗，而在WCW泵啟動時，因流量巨大，格柵前后液位出現明顯變化，可達到約1.3～1.6 m，液位下降明顯，PS前池中的海生物、垃圾等被循泵吸入鼓網撈污斗，最終被排至撈渣坑從而造成臨時泵堵塞，排水不暢引起鼓網電機間水位上漲。WCW泵啟動前、后液位差分別示于圖18、圖19。

圖18 WCW泵啟動前格柵液位差Fig.18 The grid liquid level difference before the startup of the WCW pump

圖19 WCW泵啟動后格柵液位差Fig.19 The grid liquid level difference after the startup of the WCW pump

為確保WCW泵運行期間撈渣坑排水正常，現場認為避免海生物及垃圾進入臨時撈渣坑是解決問題的關鍵。經核對圖紙，現場查看WCF反沖洗水排放路徑，確定在鼓網電機間排水溝，撈渣坑前檢查井內設置臨時過濾設施，循泵運行期間由人工清理，避免海生物及垃圾進入撈渣坑造成潛水泵堵塞。同時，針對臨時撈渣坑，分出攔污區和過濾區，中間設置過濾網，將臨時潛水泵均放置于過濾區，人員定期清理攔污區內雜物(見圖20、圖21)。通過以上措施，雖有效地避免了撈渣坑排水不暢問題，暫時保證了WCW泵的運行，但造成了人力物力的大量投入。

圖20 泵房排水示意圖Fig.20 The schematic of pump room drainage

圖21 鼓網電機間臨時過濾設施Fig.21 The temporary filtering facility between drum net motors

后續改進措施：

1)督促巴方盡快完成撈渣坑及WSS排水正式工程，在海外機組及后續項目施工時，應認真梳理施工邏輯，優化施工工序，保證排水配套設施的優先施工，避免臨時工程的啟用；

2)針對WCW泵吸水量大，海生物及垃圾易進入鼓網排入撈渣坑的情況，后續K-3機組及同類項目應關注WCW泵首次試車期間的除污撈渣問題，做好安全風險預案。

3 結論

通過對卡拉奇K-2機組泵房海水系統問題的分析，K-3機組泵房充分吸收經驗教訓，未再次發生同類問題，施工進度及安裝質量均得到了極大的改善。同時，針對后續海外工程和同類核電項目，歸納總結后，可以得出以下結論：

1)針對需進行特殊工藝操作(襯塑、襯膠等)，項目所在地不具備返修條件的物項，應嚴格保證制造質量，尤其對運輸周期長的海外核電項目，關鍵設備及重要系統物項在制造完成后，應在預制廠內進行必要的組裝，并與現場做好雙向溝通，由現場核實無誤后再打包發運，避免返廠處理耽誤工期；

2)在設計階段，對核電廠影響程度大、功能性要求高(供氣、水、汽)的系統及其材料，應適當提升性能及材料等級，設計增加系統冗余及備用措施，確保系統可靠性；

3)在后續海外機組及項目施工中，對重要子項/系統影響較大的前置條件，應優化施工邏輯，統籌安排，優先施工投用，避免采用臨時措施。對于海外工程，應做好合同分交工作，認真評估承包商資質及技術能力，擇優選擇。

核電“走出去”已成為我國的重要戰略，“華龍一號”作為開拓海外市場的“國家名片”，是促進我國核能產業自身發展，世界核能產業創新發展的重要途徑。希望本文能夠為后續海外及同類核電泵房海水系統施工起到良好的借鑒參考作用。