秦山核電主泵去污工藝闡述及改進

王 鵬 周辰昊

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電站反應堆主冷卻劑循環泵（以下簡稱“主泵”）水力組件是主泵設備輻射劑量率最高的部件，由于長期運行在高溫、高壓、高輻射的主系統冷卻介質中，其表面不可避免地附著了一層由金屬氧化物和其他雜質組成的活化腐蝕產物。其形成的輻射劑量率往往超過100 mSv/h。由于核電站一般在每8～10年會對主泵進行一次全面的解體檢查，其中就包括劑量率最高的主泵水力組件，為控制檢修人員受照射劑量，降低主泵檢修的集體劑量，會對主泵水力組件進行去污。而目前在核電系統中主要使用的去污方式有化學—超聲去污、化學去污，也有部分機組使用單純超聲去污。田灣核電站就進行過超聲去污、化學去污、化學—超聲去污，并進行了比較，可以明顯發現化學—超聲去污效果最好，化學去污效果只微弱低于化學—超聲去污，而單純超聲去污的效果最差。考慮主要原因是超聲去污只是去除表面松散污染，無法達到化學去污的剝離金屬氧化層，去除活化腐蝕產物的效果。

本文依據秦山核電一廠118大修主泵水力組件的去污工作，對化學—超聲去污工藝流程進行全流程研究，對化學—超聲去污工作中一些關鍵細節進行分析。

1 去污系統

1.1 設備介紹

反應堆冷卻劑泵內構件的去污系統由秦山核電有限公司設計，包括以下組件：

集成的主泵超聲波去污箱。

50 m/h的循環水泵，以及串聯的50 kW電加熱器，為去污箱保證水循環以及維持溫度。

兩個容量為1.5 m化學去污劑補給罐。采用注入補給罐中的蒸汽加熱，為去污箱提供溶解好的化學試劑。

一個溶劑加熱水箱，容積約為2.5 m。熱水箱采用蒸汽加熱，為去污箱提供加熱后的除鹽水。

一個冷水儲水箱，容積約為13 m，負責為加熱水箱、補給罐補充除鹽水。

帶有再循環泵和加熱器的去污箱在插入內構件的情況下容積為2.5 m，并和熱水箱一樣通過墻壁與其他組件隔開。所有組件都采用不銹鋼硬管連接。

1.2 設備改進

根據主泵去污系統在2005年R8大修中提出的建議進行改造。

1.2.1 取樣管線位置遷移

原有取樣管線取樣時，循環水泵必須停運，通過重力使去污液流進取樣管線。在循環水泵與電加熱器之間加裝新的取樣管線，改進后在不關閉循環泵的情況下可進行取樣。

1.2.2 加裝排水窺視鏡

在去污箱排水管上安裝窺視鏡，以方便判斷確認去污箱排空。

1.2.3 去污箱安裝環形噴水

在去污箱進水管（來自溶劑加熱箱）上增加環形噴水，以便化學試劑在去污過程中噴射主泵水力組件法蘭下表面。以達到對法蘭下表面的去污。但在后期實踐過程中發現，環形噴水管應加裝在循環水進水管上，以達到原設想的去污循環過程中會主泵法蘭下表面去污的效果。

1.2.4 循環進水管向下延伸

循環進水管（來自溶劑循環泵）向去污箱底部延伸并在側邊開數個出水口，使溶液以一定的壓力噴射到水力組件側邊，同時增加去污裝置內溶液的流動，使反應更加充分。

2 去污工藝

2.1 工藝選擇

秦山核電站一廠共有兩臺德國KSB公司的主泵，曾進行過兩次主泵水力組件去污，按照一廠現有的主泵去污設備，使用NP CORD去污工藝，該工藝非常適合用于溶解和去除壓水堆主回路在運行過程中形成的氧化膜。

2.2 去污流程

NP CORD是一種稀釋化學去污工藝，主要包含高錳酸鉀、硝酸、草酸，在預氧化和去污過程中濃度約為2 000 ppm。該工藝的設計目的是在應用過程中，在溶液中保留所有化學過程產生的陽離子以及溶解的腐蝕物。該工藝的控制溫度為93℃±2℃。一個工藝循環由兩個過程組成，即預氧化，以及還原去污過程。為達到理想的劑量率水平，通常需要進行三個工藝循環。每次去污循環結束后，去污系統將被排干，污水會被收集到中間廢物儲存罐，然后使用去離子水沖洗去污設備。如果去離子水傳導率下降到小于80 s/cm，則認為兩個循環間的清洗完成。最后去污循環結束后（通常為第三個循環），排空去污廢液，加入過氧化氫進行鈍化處理，當傳導率達到一個電廠可接受的水平時，即可終止清洗，如圖1所示。

圖1 主泵水力組件去污系統流程

2.3 化學成分和加藥流程

NP CORD?工藝需要以下濃度的化學品：

預氧化過程：630 mg/L濃度的高錳酸鉀（KMnO）和760 mg/L濃度的硝酸（HNO65%）

還原反應過程/去污：4 600 mg/L濃度的草酸二水合物（CHO*2HO）

鈍化處理：3 ml/L濃度的過氧化氫30%（HO）

2.3.1 預氧化

對于壓水堆中的氧化層，鉻元素往往是三價鉻狀態。這種鉻是非常難以溶解的，因此在化學去污的預氧化過程中將其氧化為可溶的鉻酸鹽（鉻+6）。使用酸性高錳酸鹽來對鉻進行氧化反應的過程如下：

CrO+KMnO→KCrO+MnO+HO

以上反應僅能夠氧化表層的鉻，該反應無法滲透到表層以下。因此，為了能夠最大限度地去污，需要進行多次鉻溶解過程。

加藥操作如下：

將一定量的去離子水加入配置罐中（約100升以溶解KMnO4）

將水加熱至大約70℃并保溫；

按要求的量加入高錳酸鉀（650 g/m）；

啟動攪拌泵，攪拌高錳酸鉀溶液，至少30 min；

停止加溫；

再將要求所需的硝酸添加到配置罐中（相當于760 ppm）；

將預氧化溶液注入至去污系統中，并用去離子水沖洗配制罐。

2.3.2 還原/去污

將高錳酸鉀還原為錳的方法是添加草酸，以下為與高錳酸鉀反應的化學反應式：

2KMnO+8HCO→2MnCO+KCO+8HO+10CO+8HO

隨著還原過程的進行，草酸將通過形成以下草酸化合物來溶解腐蝕物：

鐵：[Fe（CO）]和鉻：[Cr（CO）]

加藥操作如下：

將水加熱至約70℃并保溫；

按要求的量加入草酸（4，6 kg/m）；

啟動攪拌泵，攪拌草酸溶液，至少30 min；

在加藥前約10 min關閉加熱器；

緩慢加入（防止泵產生氣蝕）草酸溶液，并用去離子水通過高壓水槍沖洗配制罐。

2.3.3 鈍化處理

按量注入過氧化氫（3 L/m）到去污系統中（過氧化氫只在去污工作的最后階段被注入）

3 去污操作

3.1 主泵水力部件去污操作流程

每一臺水力部件去污都需進行三個去污循環，每個循環內分為三個過程，氧化、還原、沖洗。第三循環在還原結束后還需進行鈍化之后再進行沖洗（見圖2）。

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圖2 主泵水力組件去污工作流程

預氧化反應：超聲波去污裝置液位至80 cm、水溫80℃以上，在試劑制備槽內配置高錳酸鉀溶液（加入2.5 kg高錳酸鉀）與硝酸溶液（加入濃度為65%的硝酸試劑3 kg），并將配置好的高錳酸鉀與硝酸混合溶液添加至超聲波去污裝置內，將超聲波去污裝置液位升至120 cm。開啟超聲波、循環泵，30 min后關閉超聲波取樣，超聲波每次開啟、關閉各30 min，化學取樣每次間隔1 h（分析項目：PH、電導率、Mn、Fe、Cr、總γ），待分析結果合格后進行下一過程。

還原/去污反應：將超聲波去污裝置水位排水至80 cm，溫度保持在90℃以上，在制備槽內配置草酸溶液（加入14 kg草酸），并將配置好的草酸溶液添加至超聲波去污裝置內，將超聲波去污裝置液位升至120 cm。開啟超聲波、循環泵，30 min后關閉超聲波取樣，超聲波每次開啟、關閉各30 min，化學取樣每次間隔1 h（分析項目：Fe、Cr、CHO、總γ），待分析結果合格后進行下一過程。

鈍化（只第三去污循環）：將超聲波去污裝置水位排水至80 cm，溫度保持在90℃以上，在制備槽內配置雙氧水溶液（加入了15 kg雙氧水），并將配置好的雙氧水溶液添加至超聲波去污裝置內，將超聲波去污裝置液位升至120 cm，浸泡30 min后，排水，取樣分析（分析項目：電導率、Fe、Cr、CHO、總γ），然后進行沖洗。注意，鈍化后第一次沖洗使用熱水效果更好。

沖洗：將超聲波去污裝置內的去污水排空，重新注入除鹽水至液位120 cm，開啟超聲波、循環泵30 min后關閉超聲波取樣，分析測量電導率。第一循環、第二循環電導率需降至80 μs/cm以下后沖洗結束，可以開始下一循環。第三循環電導率需降至8 μs/cm以下后沖洗結束，去污完成。

3.2 去污效果分析

以主泵A為例，從圖3的去污過程中取樣總γ數據分析在每個循環的預氧化階段在主泵上的活化產物并沒有被剝離，而到了還原階段活化產物被大量剝離，造成去污溶液中γ急劇升高。而還原4 h后（9～11 h），總γ數值趨于水平，意味著去污溶液反應結束，需要開始進行第二循環去污。第二循環去污的還原階段總γ分析結果明顯低于第一循環，而第三循環的還原階段總γ分析結果顯示，化學反應過程中只有極少量的活化產物，說明主泵表面的去污已經完成。去污結果如圖圖4所示。

圖3 主泵A去污溶液總γ

圖4 主泵A水力組件去污前后劑量率對比

通過以上去污前后的測量數據比對，由表1知，去污系數最高達到1 850，平均去污系數高達883.2。去污后的接觸劑量率水平均低于2 mSv/h，甚至大部分測量點的接觸劑量率水平低于0.2 mSv/h，極大地降低了主泵的劑量率水平，為后續的主泵檢修創造了條件。

表1 主泵A水力組件去污系數

4 良好實踐及仍存在的問題

4.1 良好實踐

4.1.1 水溫加熱

在去污過程中，為保證去污效果，在氧化、還原過程中需使用熱水，為預防在去污過程中因注入冷水而導致水溫下降的情況發生，建議溶劑加熱箱內始終保持液位1 m的熱水，以備后續去污使用，縮短因加熱水而消耗的時間。

4.1.2 第一、第二循環最后一次沖洗后不排水

為提高工作效率，在第一、第二循環的最后一次沖洗使用熱水進行沖洗，在沖洗結束后，保留熱水，直接使用這些熱水進行下一循環的氧化反應。這樣既可以減少廢水產生量，又可以縮短去污時間。

4.1.3 排水時循環泵不關閉

在去污裝置排水過程中，不關閉循環泵，利用循環泵的壓力加快排水速度，縮短排水時間。去污裝置120 cm的液位，不開啟循環泵需60～70 min排空，開啟循環泵大約40～50 min排空。

4.2 仍存在的問題

4.2.1 主泵表面出現鈍化不均勻

在去污結束后發現，主泵葉輪表面鈍化不徹底，考慮到鈍化過程中循環水泵一直在工作，第三循環鈍化過程中，加入雙氧水后，循環5 min后，關閉循環水泵，以避免循環水泵沖擊導致主泵表面鈍化偏向一側。

4.2.2 噴水環在去污過程中未參與去污循環

在前期交流中，由于對系統不了解，錯誤地認為了溶劑加熱箱參與主泵去污循環，并按照外方專家的期望，加裝針對主泵法蘭面底部沖洗的噴水環。但是在去污開始前得到確認，溶劑加熱箱只負責補水，不參與去污循環。導致前期加裝的主泵法蘭面底部沖洗無法參與循環。建議將環形沖洗管進水端接至循環水泵出口端。

4.2.3 環形沖洗管出水口角度應有差異

環形沖洗管的出水口應有角度差異，現在的狀態是都斜向下噴射，外方專家的建議交叉布局，一半斜向上一半斜向下，這樣既可以提高主泵法蘭面底部沖洗，又可以降低溶液的液位，達到減少廢液的目的。

4.2.4 液位計更換及加裝

試劑制備箱液位計材料為PVC材質，不耐高溫，有發生軟化，且已經老化，溶液加熱過程中，液位計的PVC管受到高溫浸泡，存在變形、脫落風險。

廢液槽現有電子液位計，在廢液槽的頂端，查看不便需要搭建腳手架平臺，而且當每個循環結束將高溫廢水排放至廢液槽后疑似由于溫度的原因，電子液位計會失靈，無法顯示液位，建議改成機械式的液位計，可利用廢液槽原有閑置法蘭接口加裝機械式液位計。

4.2.5 改進去污溶液體積數據管理

目前，去污系統水表安裝在儲水箱的上游進水端，然后通過水泵送至其他水箱的管線上。為精確測定注水量（和排水量），最好額外在試劑制備罐的進口管線上，以及冷水儲水箱和熱水箱入口之間安裝水表。任何情況下都可以記錄水表讀數，以便估計所有的加水量，改進提升水數據管理。

5 結語

通過對主泵去污箱進行的一系列技改升級，使得主泵去污系數得到了明顯的提升，接觸劑量率水平有了一個數量級的下降，為后續主泵檢修及回裝工作，降低主泵檢修集體劑量、避免人員污染提供了極其良好的基礎。但是在實際去污過程中不光總結出很多良好實踐，還發現了許多需要改進的問題。鈍化過程中暴露的水循環問題、環形噴口未參與去污等。這些發現的問題為后續工作、系統升級提供了技術支持和改進方向，以期望在下次去污時，能夠達到更好的去污效果。