壓水堆核電廠水池邊防異物風險分析及水下異物打撈方案

林益銷，王天蔚，陳堅剛，吳舜華，郭兆寶，田永亮

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 引言

核電廠大修或日常期間，水池區域可能會產生異物，會嚴重影響機組正常運行。由于核電廠結構復雜，又兼具了輻射、水下、高溫、高壓等特點，給水下異物打撈工作帶來了極大的困難。為此，核電廠需要開發一套成熟的防異物措施以及水下異物打撈方案。

本文分析了壓水堆核電廠日常運行或換料大修期間存在的異物落入水池的風險和可以采取的防異物措施，以及在堆芯水池、構件池、乏燃料水池、裝載井等滿水狀況下，發現異物后打撈異物的方法。

1 異物風險分析

1.1 反應堆廠房堆芯水池異物風險(大修)

大修期間，異物落入堆芯水池的風險主要來自于壓力容器開蓋，上部堆內構件吊裝和裝卸料期間。

壓力容器開蓋螺栓拉伸期間，近10人在水池底部作業，會用到螺栓拉伸機等大量專業工具，存在較大的異物遺留風險。

上部堆內構件吊裝期間，作業人員需將三角吊具與上部堆內構件通過連接螺母嚙合鎖住。此時，作業人員需爬上吊具作業平臺進行作業，異物風險不僅來自于吊具本身的零部件(螺栓、螺母連接件等)，還來自于作業人員的隨身物品(筆、工具、衣物等)。

裝卸料期間，包括光槍的安裝、卸料演練、卸料、裝料演練、裝料以及光槍的拆除等，大量的作業人員需要在水池邊走動，并且用到工器具進行作業。作業期間，裝卸料機在水池上方移動上百次，由于時間跨度長，人員流動大，異物風險主要來自于裝卸料機、作業工具、作業人員隨身異物等。

1.2 燃料廠房乏燃料水池異物風險(日常)

新燃料接收期間，異物可能來自于：1)新燃料生產和運輸前準備過程中產生的碎片；2)新燃料運輸容器中的塑料袋和避震海綿產生的碎片；3)濕式儲存的新燃料入水時，人橋吊車司機和抓具操作員隨身攜帶的物品及個人防護用品等。

機組日常運行和裝卸料期間，乏燃料水池邊存在著大量作業，各種透明的塑料制品，常用的工器具(螺栓、螺母等)，以及人員隨身物品(紙、筆等)和個人防護用品都可能產生異物，墻體漆皮剝落也是水池異物產生的一大原因。

2 異物種類分析

發現水池中存在異物后，首先要對異物進行全面的分析，才可以制定相應的打撈異物的方法。

2.1 異物的材料

按照異物的材料可以將異物分為金屬異物、磁性異物、易碎異物，進而進一步確認打撈的方法。異物的材料主要通過望遠鏡或者水下攝像裝置的觀察來判斷，也可通過判斷異物的來源去判斷異物的材料。水池異物來源可分為三部分：水池邊設備本身的零部件、維修時用于維修的零部件、工作人員隨身用品和個人防護用品或用于捆綁的綁扎帶、膠帶等。若異物為金屬材料，可采用重錘、磁力吸取或氣動夾鉗進行打撈，若異物為其他不具有磁性的材料，可采用重錘、氣動夾鉗或水下真空裝置進行打撈。

2.2 異物的大小

對異物的大小進行判斷。若異物尺寸較小，可用重錘、磁力吸取進行打撈作業；若異物尺寸大于10 mm，可用水下異物打撈工具的氣動鉗子進行打撈；若異物為塵埃或絮狀物時(≥25 μm)，可用水下真空裝置吸取。

一般來說，異物表面積越大，所受的阻力也就越大，進行打撈作業時需要撮箕或打撈網進行配合，防止打撈出的異物二次掉落。

2.3 異物的位置

對異物所處的位置進行分析，若處于孔洞邊界，制定打撈方案時，一定要考慮到二次跌落的風險，可采用撮箕、打撈網等進行輔助打撈；若處于孔洞中，可用水下真空裝置進行吸取。

3 水下攝像裝置的應用

制定打撈異物方案前，我們必須對異物進行充分的觀察，對其材料、大小、位置各方面都要有詳細的了解才可以制定相應的打撈方案。此時水下攝像裝置就給我們觀察分析異物提供了極大的幫助。

秦山核電采用的水下攝像裝置由攝像機本體、一體式控制機箱、水下電纜、水上電纜等組成，如圖1所示。

圖1 攝像機本體

使用水下攝像裝置前，應注意以下幾點：

1)檢查兩面端蓋的螺釘是否有松動現象，如有必須用專業工具擰緊再下水使用，防止異物掉落；檢查設備外觀有無劃痕，主要查看玻璃罩有無破損，如有必須更換后再下水使用。

2)設備使用前必須加氣，充氣量一般以狀態顯示屏上的氣壓值達到1.1～2.2 bar為準(氣壓不在此范圍時，控制機箱會發出聲光報警，提示應向主體內部充氣)。在加氣過程中如果發現氣壓始終不足，或有漏氣現象，則說明本體防水密封可能出現問題，禁止下水使用，請及時聯系廠家解決。

3)正式開始工作前，在控制器上按“上、下、左、右”方向鍵，觀察攝像機動作，測試攝像機云臺工作正常。

4)在控制器上按“光圈、焦距、變倍”調節鍵，觀察數據工控機上的實時圖像變化，測試攝像機的鏡頭工作正常。

5)在控制器上開啟攝像機照明開關，調節照明亮度按鈕，觀察攝像機照明燈的亮度變化，測試攝像機照明正常。

使用完畢后將水下攝像機拿出水池，檢查有無部件遺失。

4 異物打撈方法

4.1 磁力吸取打撈

首先，用望遠鏡或者水下攝像裝置進行觀察，對異物進行分析，若觀察到異物為體積較小的金屬異物，如螺栓、螺母、小零件等，可以被磁力吸取(一般鐵、鈷、鎳等物質以及它們的合金都能被磁鐵吸引)，則用磁鐵進行吸取打撈，磁鐵不宜過大，否則易吸附在隔架或者金屬設備上。此方法有著便捷且準確的優點。

4.2 重錘粘取打撈

通過觀察，對異物的形狀大小進行判斷。若異物尺寸較小，可用重錘(見圖2)粘取。主要方法是用膠帶反向包裹住重錘，將重錘放入水中，對準異物，利用膠帶的黏性將異物打撈出水面。

圖2 重錘

重錘有圓柱形重錘和圓錐形重錘，上部為綁扎環，用來捆綁牽引繩，圓錐形塞子(見圖3)主要用于塞住孔洞，塞子尺寸要略大于堆芯下柵格板流水孔。為了防止被粘起的異物二次跌落，采用撮箕和打撈網配合打撈。重錘打撈法擁有方便快捷的優點。

圖3 塞子

4.3 水池異物打撈專用工具打撈

水池異物打撈專用工具用于法蘭支撐面、反應堆壓力容器底部、乏燃料水池底部異物的吸取、打撈和收集。該方法的優點是可針對多種異物進行打撈，可靠性高，缺點是操作較為復雜，用到的設備較多。

水池異物打撈專用工具主要包括：水下氣動夾鉗、水下真空裝置(潛水泵、吸口管、接桿、收集管)、加長桿及支撐轉動機構、控制箱及手操盒、收集籃、堆芯重錘及塞子等。設備構成見圖4。

圖4 水池異物打撈專用工具構成示意圖

4.3.1 水下真空裝置

水下真空裝置主要由潛水泵、接桿等部件組成，收集管和潛水泵通過快換接頭進行連接，內襯濾網。收集管與濾網之間會形成異物抽吸的儲存空間。濾網過濾精度有三種規格：25 μm、100 μm、1.2 mm。精度為25 μm的濾網適用于打撈小至0.025 mm的絮狀物或者塵埃，精度為1.2 mm的濾網適用于打撈尺寸≤38 mm的異物，精度為100 μm的濾網適用于打撈前述兩者之間的異物。圖5為水下真空裝置。

圖5 水下真空裝置

水下真空裝置潛水泵正向運轉時，提供吸力，會在泵體內負壓，通過吸口管可將管口的異物連同液體一起吸入裝置內，收集在濾網內部。

水下真空裝置潛水泵反向運轉時，水流方向改變，異物反向排出裝置，可存于收集籃中。

控制箱提供6個正轉速度和6個反轉速度，可控制潛水泵正反向旋轉并調節轉速高低，以改變水流方向及流速。控制箱配有30 m電源電纜，15 m手操盒控制電纜，30 m潛水泵防水電纜，使潛水泵可在距離電源約60 m的地方運行。

4.3.2 氣動夾鉗

氣動夾鉗可用于夾取水下真空裝置不容易打撈的長桿件和其他便于夾取的異物。結構如圖6所示。

圖6 氣動夾鉗

水下氣動夾鉗主要由氣缸、上下夾鉗、控制氣閥及管、加長桿、缸鉗連接件、鉤索等部分組成。氣源壓力0.6 MPa。夾鉗的氣缸活塞桿和活動桿相連，夾鉗的開合由氣缸伸縮來帶動，從而實現了對水下異物的夾取。當鉗夾夾住異物時，如果沒有給出松開夾鉗指令，鉗夾不會自行松開異物。

夾鉗配合異物打撈專用工具完成水下卸掉吸口管、濾網及濾網罩的組合體的工作。在其他狀態時還可打撈部分水下真空裝置無法吸取的異物(如細長的鐵絲等)。

氣動夾鉗需與加長桿配套使用。

5 異物打撈案例分析

乏燃料轉運前，對乏燃料進行目視檢查后，發現8組乏燃料組件上管座存在白色異物。如圖7所示。

圖7 異物

通過水下攝像裝置，可觀察到該組件上管座區域存在兩塊白色異物。從圖片中對異物進行材料、大小、位置三方面的分析。

從異物的外觀可以初步判斷，該異物為廠房頂部或墻體的漆皮掉落，大小約為5 cm×5 cm，位置位于乏燃料組件的上管座位置。所以選擇采用水池異物打撈專用工具中的水下真空裝置進行異物打撈。

根據目標物體選擇合適的濾網，并安裝好收集管。較大異物用過濾精度為1.2 mm濾網收集管(抽吸口為直口)，粉塵狀異物使用25 μm濾網收集管(抽吸口為斜口)。考慮到漆皮被泵吸取后容易變成粉末，所以采用精度更高的濾網。

按需連接加長桿。加長桿的上部通過橫桿，固定在橋上支撐轉動機構的轉動夾持座上，用夾持座上的搭扣鎖住；同時用絞盤的掛鉤繩索組合分別鉤住將加長桿的相應孔。

將吸塵裝置插入水中，在設備剛浸入水時，用手操盒控制，做一個短時間的低速正反轉運行試驗。無異常后，“運行開關”置于停止位。

圖8和圖9為水下真空裝置組裝和入水的照片。

將水下真空裝置緩慢下移至指套管保護管上部附近。通過絞盤、支撐轉動機構、換料機的移動使收集管口對準目標區域或異物。是否移動至目標位置，可通過水下監視系統的顯示屏或者望遠鏡觀察。

一人握穩手柄，另一人將手操盒“運行開關”置為“工作”位，“轉速選擇開關”置于“4”檔，“流量方向開關”置于“抽吸”位。運行約10 s，待異物被吸入后(通過顯示屏觀察)，通過絞盤起吊水下真空裝置并橫移，將收集管口移至收集籃口上部。通過絞盤下移收集管插入籃口。關閉“運行開關”，確認電機停止工作，“流量方向開關”置于“停止”。必要時啟動潛水泵反向工作狀態，運行約10 s，待異物排出后，抽出收集管，移開水下真空裝置。

將水下真空裝置移至下個目標物，重復上述兩個步驟，直至全部異物被移入收集籃。打撈工作如圖10所示。

打撈結束后，乏燃料組件上管座異物消失，如圖11所示。

圖11 打撈結束后組件圖片

打撈工作完成后，將裝置收起升出水面。裝置升出水面時，應確認裝置的安全劑量。設備進入水下的部分，按照核電廠的規程，進行清潔，然后再進行拆卸。

6 防異物措施

6.1 大修水池防異物措施

1)檢查并確認輻射防護人員建立了20 m的防異物措施，并禁止與操作無關人員在水池邊進行作業或參觀；

2)檢查并確認所有人員佩戴的電子劑量計、熱釋光、眼鏡等物品固定牢靠，與操作無關的物件不許帶上操作臺；

3)設備檢修時應將裝卸料機開至安全區域，主管確認在設備上已鋪好防異物用的塑料布，檢修工具應用繩子系好并拴在工作人員手上，要求檢修人員對攜帶工具進行登記工作；

4)進入隔離區的所有物項和人員都必須進行防異物登記，無關人員和物項不準進入異物排除區域；

5)作業人員進入防異物區域之前，應該仔細檢查隨身攜帶的工器具、材料的完整性，是否存在損壞、松動的情況，確認表面有無粘污和易脫落的油漆[1]；

6)堆芯作業人員需對使用的工器具進行全面檢查，包括常用工具、專用工具、臨時裝置等，檢查內容包括零部件是否緊固、是否有油漆脫落、是否夾帶異物等，新設計制造的工具應檢查驗收合格證明[2]。

7)作業中使用的工器具、零部件和各種材料、拆下的緊固件等物品應該妥善放置，防止跌落。現場作業時產生的廢物和垃圾嚴禁隨意擺放，必須合理放置，分類擺放，工作結束后及時清理并且帶出現場；

8)消耗品管理是換料水池防異物區的管控難點。可考慮的措施如：防異物區域內輕易不要使用鋼絲刷(除獲指定領導的特別批準)；對于焊條、砂輪片，制定以舊換新制度確保消耗品控制[3]。

9)工作結束后，檢查工作人員個人防護用品是否保持原狀，并對防異物隔離區內的清潔情況進行全面檢查，保證工作區域的清潔，核對物項登記表中的工器具、材料等，避免遺漏在系統或設備內。

6.2 日常水池防異物措施

日常期間存在防異物風險的主要是燃料廠房，開展新燃料接收、乏燃料轉運或者涉及乏燃料水池邊的設備的維修等工作。

新燃料接收和乏燃料轉運工作開展前，規定進行防異物檢查，對作業用到的工器具進行全面檢查，觀察是否存在松動、掉漆等情況。

維修作業時，不能手握施工器具上下梯子，不允許在水池上方用手傳遞工具或物品，以免異物掉入水池。

其余防異物措施可參考6.1大修期間的防異物措施來實行。

7 結論

本文主要對壓水堆核電廠異物進入堆芯水池、構件池、乏燃料水池等區域進行了風險分析，闡述了針對不同異物，應該采取何種方案進行打撈。并且總結了目前池邊作業我們可以采取的防異物措施。異物進入水池對于核電廠的正常運行存在著極大的危害，我們還是要真正做到“預防為主”，做好防異物培訓，落實防異物措施，希望本文可以為國內外壓水堆核電廠水池邊防異物措施和水下異物打撈提供指導和借鑒。