管道在線超聲去污技術在某核電站的初步應用研究

宋云龍，趙延鵬，王亮，曲冰

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連，116300)

核電機組在正常運行過程中，堆芯產生的活化腐蝕產物會隨著冷卻劑遷移至一回路相關系統，并通過離子交換(可溶物)、結晶(可溶物)、沉降(可溶物)、沉積(微粒)等形式形成沉積物附著在設備、管道、閥門內表面或通過離子交換(可溶物)進入其氧化層[1]，活化腐蝕產物沉積較多的位置設備接觸劑量率、房間環境劑量率均會明顯高于沉積較少的區域。

以國內某CPR1000堆型機組為例，日常運行期間在輻射控制區綠區、黃區等人員可直接通行區域，每臺機組約有25～30個輻射熱點(接觸劑量率≥1 mSv/h)，大修期間核島廠房約有20～40個熱點。根據經驗，這些輻射熱點的接觸劑量率通常在1～20 mSv/h之間，個別輻射熱點可達100～200 mSv/h。除了形成輻射熱點，在某些放射性系統管道系統還會形成熱管段，熱管段往往是活化腐蝕產物沉積較為集中的管道，其接觸劑量率通常在1～3 mSv/h。

管道輻射熱點以及熱管段是現場外照射風險管控的重要對象，通常核電站會根據ALARA原則選擇最優的手段去處理輻射熱點以及熱管段，這些手段包括隔離警示、搭設屏蔽、去污。其中去污技術主要有：管道沖洗(包括管道重力排水沖洗、管道系統運行泵沖洗)、水及壓縮空氣吹洗、系統或管道化學清洗。其中最便捷、應用最多的是管道沖洗，但是管道沖洗的去污效果往往隨機性較強，特別是重力排水沖洗時，由于水流的速度、壓力有限，很難將沉積的放射性物質剝落。為了提升管道沖洗去污效果，國內部分核電站開始嘗試引入在線超聲去污設備，這種設備可安裝在管道外側，通過將超聲振動傳遞至管道內，使內壁沉積物剝落，從而提升管道沖洗的去污效果。

管道在線超聲去污技術主要利用了超聲波的空化效應和剪切效應[2]。該技術通過將固定尺寸的夾具安裝在管道外壁，根據超聲波的透射原理，夾具上的傳導部件采用與管道抗阻率接近的金屬材質，先將超聲波透射至管道內部，然后再利用管道與管道內介質抗阻率相差較大的特性產生空化效應，空穴破裂產生的強大沖擊力對管道內壁的沉積物、氧化膜等產生剝離作用。同時，超聲波在沉積物和管壁上產生剪切效應，由于吸收和傳播速度不同，從而產生速度差，在沉積物與管壁界面上形成相對剪切力，導致沉積物產生疲勞而松脫。這樣，不需要對系統或管道進行開口作業就可實現管道內去污，可在系統正常運行時使用。目前，該技術已在化工、石油、熱電等不涉及放射性的行業廣泛應用，主要用于管道、換熱器等除垢和防積垢。

1 設備開發

由于核電站應用場景的特殊性，管道在線超聲去污設備開發需首要考慮其安全性，在保證不影響管道及其相連設備質量的前提下盡可能提高去污性能，同時還需考慮ALARA方面的因素，主要有以下功能、參數需在設備開發時予以關注。

1.1 夾具快速安裝

設備使用過程中夾具安裝人員承擔的受照劑量占整個工作集體劑量的絕大部分，為此需設計專門的夾具，將空間寬敞位置的安裝時間盡量控制在5～10 s內，空間狹小位置則需提前演練盡量減少安裝時間，最大限度地降低安裝人員的受照劑量。

1.2 夾具尺寸

夾具是超聲波傳導的重要部件，其精度將直接影響超聲波傳導效果，超聲波傳導效果差將導致設備發熱甚至損壞。所以夾具要與對應尺寸的管道足夠貼合，由于現場管道存在一定的偏差，必要時可在傳導位置增加合適的墊材，以確保傳導效果。

經統計，輻射熱點主要集中在反應堆冷卻劑系統(RCP)、化學和容積控制系統(RCV)、核島疏水排氣系統(RPE)、硼回收系統(TEP)、核取樣系統(REN)、廢液處理系統(TEU)、放射性廢水回收系統(SRE)等系統的管道中，具備沖洗條件且可使用夾具的管道約占總數的1/2，這些管道的外徑主要集中在21.34 ～114.3 mm，壁厚為2～6 mm。

1.3 遠程操作

將超聲波震盒安裝至管道后，所有設備的起停、設置均應在控制臺進行遠程操作，控制臺與作業點距離應在10 m以上。通常在輻射控制區相關廠房內，10 m以上的距離足夠找到低劑量率區域或者能夠搭設屏蔽的位置。

1.4 遠程監測

為了減少去污過程中的人工測量，以及便于實時評價去污效果以調整超聲參數設置，需增加遠程劑量率儀表實時測量的功能，如未開放廠房內無線網絡，可使用有線傳輸，設備應留有可擴展連接無線網絡的接口，后續可根據電站整體網絡改造情況將設備遠程劑量率監控設備升級為無線傳輸。

1.5 智能自動運行

可以通過控制臺軟件設置振盒啟動時間、運行時長、暫停時間、運行周期、振盒關閉時間等參數，人員可根據現場環境劑量率、噪音等情況躲避至其他安全區域，待設備自動運行完畢后前往查看運行記錄。

1.6 設備組成

根據功能需求，在線超聲去污設備應包括：動力發生器、換能器、管道夾具、γ劑量率測量儀、遠程控制臺及控制軟件。

動力發生器、換能器是產生超聲波的核心設備，其產生超聲波的頻率、最大功率等參數，將直接影響設備的技術安全性和去污性能。需要根據管道材質、管道外徑、管道壁厚等參數制作樣品管道，在試驗臺架通過試驗獲得最佳參數。

2 現場試驗

某核電站根據CPR1000堆型機組需求，開發了在線超聲去污設備(圖1)并開展了相關試驗，設備主要參數列于表1。

圖1 在線超聲去污設備

表1 在線超聲去污設備主要參數

2.1 安全性驗證試驗

在線超聲去污設備所應用的管道內部介質均帶有放射性，所以設備的技術安全性最為重要，設備的應用不能對管道氧化膜、基材、焊縫、支吊架、閥門等的性能產生影響。

該設備出廠前開展了安全性試驗評估，對試驗管道的基材和焊縫進行了顯微組織、維氏硬度、拉伸強度等檢查，評估無安全問題。

核電站在試用在線超聲去污設備前開展了安全性驗證試驗，加工了試驗用管道。在超聲去污試驗前后對試驗用管道進行探傷、超聲等無損檢測，經對比，超聲振動未對試驗用管道產生不良影響。

2.2 松散污染沉積管段試驗(60.3 mm管道)

2.2.1管道信息

試驗位置為熱機修車間設備拆卸和高壓水去污小室下游排水管線，該設備主要功能為通過使用高溫、高壓的熱水對受污染的設備進行噴射沖洗，也可用核島除鹽水分配系統(SED)的除鹽水對受污染設備進行沖洗，介質溫度通常不超過80 ℃，依靠重力排水。該管道外徑為60.33 mm，壁厚為3.91 mm。

2.2.2熱點信息

排水管線位置熱點是對燃料組件夾爪沖洗去污后產生，熱點主要為附著在燃料組件夾爪表面的活化腐蝕產物，被高壓水沖刷后呈顆粒態沉積在管道內壁上。管道上只有一個熱點，最大接觸劑量率為2.92 mSv/h。

2.2.3試驗結果

此位置熱點僅使用SED水重力沖洗無去污效果。在管道重力沖洗過程中配合使用在線超聲去污設備(功率為60 W)，按表2循環設置開展超聲震動后，此處熱點最大接觸劑量率由2.92 mSv/h逐步降至0.13 mSv/h，接觸劑量率降低了95.3%，去污效果明顯。

表2 設備拆卸和高壓水去污小室下游排水管線在線超聲去污試驗數據(60.3 mm管道，單熱點)

2.3 松散污染沉積管段試驗(88.9 mm管道)

2.3.1管道信息

試驗管段為放射性過濾器、除鹽床疏水母管，其前端為RCV系統除鹽床/過濾器疏水支管，后端為TEP系統除鹽床/過濾器疏水支管，來水溫度≤60 ℃，依靠重力排水。該管道管徑為88.9 mm，壁厚5.49 mm。

2.3.2熱點信息

該管道介質為放射性過濾器、除鹽床隔離后殘水，熱點主要來自于殘水中攜帶的殘渣、污垢、樹脂碎片等。管道上有多個熱點，最小熱點為3.81 mSv/h，最大熱點6.19 mSv/h。

2.3.3試驗結果

該位置使用系統水沖洗無明顯效果。開展在線超聲去污時由于TEU系統水箱接收沖洗水空間有限，故采用了先在隔離滿水狀態進行超聲振動，然后再單獨沖洗的方式。根據初始熱點分布及振動過程中熱點變化情況在管道上選取了5個點(A1～A5)進行超聲去污(振動過程中熱點有分散、遷移的情況)。對5個振動作用位置(水平管道外壁底部)的接觸劑量率和管道附近兩個點的環境劑量率進行了監測，監測數據見表3、表4。

表3 各振動位置試驗數據(88.9 mm管道，5個熱點)

表4 環境劑量率監測數據

2.3.4結果分析

本次去污過程現象及結果表明，該管道沉積熱點經超聲振動后部分從管壁脫落隨沖洗水轉移，最終熱管段接觸劑量率降低、環境劑量率降低。該管段使用了功率為100 W超聲波發生器，說明該功率適用于管徑為88.9 mm、壁厚為5.49 mm的管道。同時在試驗過程中發現，熱點分散、遷移是隨著振動時間的推移逐步發生的，說明作用時間對超聲效果有影響。

2.4 低溫固定污染管道試驗

2.4.1管道信息

試驗位置為化學與容積控制系統下泄回路管段，該管段處于化學與容積控制系統2號換熱器下游，正常運行期間介質溫度≤35 ℃，介質流速最大1.25 m/s。管道外徑為88.9 mm，管道壁厚為5.49 mm。

2.4.2熱點類型

下泄管線在機組日常運行期間、大修下行氧化凈化期間和機組上行期間，會沉積較多放射性物質。試驗管道為豎直管道，其介質流速最大可達1.25 m/s，分析其主要為通過離子交換或結晶形式與氧化膜結合形成的固定污染。試驗前整個管段接觸劑量率>1 mSv/h，最大接觸劑量率為2.3 mSv/h。

2.4.3試驗結果

按照表5循環設置開展超聲振動后，振動位置接觸劑量率數據有一定波動。根據現場劑量率測量經驗，考慮測量儀表精度、人員測量誤差，該數值波動不代表實際劑量率發生明顯變化。

表5 化學與容積控制系統下泄回路管段在線超聲去污試驗數據

為了從微觀層面驗證在線超聲去污的效果，試驗通過帶有準直的γ譜儀對超聲振動位置管道進行了核素測量分析，對比發現振動點核素表面污染均有所降低(表6)。

表6 下泄回路管段在線超聲去污前后主要核素表面污染測量數據

2.4.4結果分析

通過分析數據可得知，該設備在固定污染沉積管道應用，對沉積核素具有一定的剝離效果，但由于多種因素其去污效果不足以降低該位置接觸劑量率。綜合考慮去污效率、工作許可證時間、去污人力等因素，未開展長時間試驗，判斷本次試驗所使用設備應用于此類型熱點綜合收益不高。

分析可能導致管道接觸劑量率變化不明顯的原因有：

(1)通過離子交換或結晶形式與氧化膜結合形成的固定污染較難通過本設備去除。

(2)整個管段為熱管段，對單個點(約48.04 cm2)進行超聲去污后，受去污點周邊熱點管段影響，其對降低接觸劑量率、環境劑量率的貢獻有限。

(3)受儀表功能限制，劑量率測量儀表無法實現準直測量，無法單獨準確測量去污點(約48.04 cm2)接觸劑量率。

(4)該管段介質流速最高可達1.25 m/s，流速越快空化效應效果越弱[3]，試驗期間流速約1 m/s，降低了設備的去污性能。受管道所在系統運行條件限制，暫未能在介質靜止狀態開展試驗。

3 結論

研究情況表明，在線超聲去污技術引入核電站需要做相應的功能改進，以滿足核電應用場景的需求。該技術對管道內松散污染有明顯去污效果，對通過離子交換或結晶形式與氧化膜結合形成的固定污染去污效果不明顯。該技術目前可應用于核電站核島氣與疏水系統、廢液處理系統、清洗去污系統等以松散污染為主的系統管道去污。在試驗過程中還發現，通過調整到合適的超聲波功率、在夾具與管道間增加銅皮優化貼合度、增加振動時間均對加速降低熱點劑量率有所幫助。根據設備原理及試驗結果分析，該技術除可配合管道沖洗去除熱點外，還可用于系統或管道化學去污，可提升局部化學去污反應速率及去污效果。