REA水箱溶解氧不合格原因分析與處理

劉主根，李良濤，孫顯海

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116300)

1 問題概述

國(guó)內(nèi)某核電站一期工程除鹽除氧水供給系統(tǒng)(以下稱REA)水箱于2012年投用，在機(jī)組運(yùn)行期間，多次發(fā)生REA水箱溶解氧不合格情況。主要為除鹽除氧水箱在靜止備用或使用過程中，溶解氧快速增長(zhǎng)甚至超化學(xué)技術(shù)規(guī)范限值要求(<100 μg/kg)，而進(jìn)行換水處理的異常事件。僅2018年，9REA001BA(REA水箱) 就發(fā)生14次溶解氧不合格情況(見圖1)，調(diào)研國(guó)內(nèi)外其他核電機(jī)組也存在類似情況。

圖1 某電站除鹽除氧水箱溶解氧超限值統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)2018年11月—2018年12月期間，REA水箱溶解氧與液位的變化趨勢(shì)分析(如圖2)，發(fā)現(xiàn)該水箱在備用情況下，液位保持不變，溶解氧由40 μg/kg上升到65 μg/kg以上；在水箱使用期間，隨著液位下降，溶解氧繼續(xù)上升至80 μg/kg以上，而電導(dǎo)率無明顯變化。對(duì)比其他基地的REA水箱溶解氧情況，溶解氧在制水后均維持在65 μg/kg以下，由此判斷，REA水箱的溶解氧存在不明原因的異常增長(zhǎng)情況。

圖2 REA溶解氧與液位變化趨勢(shì)

2 REA水箱相關(guān)問題

2.1 REA系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)某核電站一期工程共4臺(tái)機(jī)組，雙機(jī)組共用2個(gè)REA水箱(9REA001/002BA)，1個(gè)水箱對(duì)2臺(tái)機(jī)組供水，另1個(gè)水箱充水或置于備用狀態(tài)(見圖3)。2個(gè)水箱共有600 m3(2×300 m3)的有效可用容積，保證了1臺(tái)機(jī)組在壽期末從冷停堆狀態(tài)提升至滿功率狀態(tài)，或2臺(tái)機(jī)組同時(shí)從熱停堆(在氙峰值時(shí))再啟動(dòng)提升至滿功率所需的除氧水量。箱內(nèi)最高工作溫度為50 ℃，最高工作絕對(duì)壓力為1.05×105Pa。水箱的正常水源是硼回收系統(tǒng)(TEP)回收的一回路水(經(jīng)過蒸餾過程)，而初次充水或異常情況下的應(yīng)急充水由核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED)的水經(jīng)過輔助給水系統(tǒng)(ASG)的除氧器處理后供給。

圖3 REA系統(tǒng)部分流程

2.2 運(yùn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)REA水箱的要求

運(yùn)行技術(shù)規(guī)范定義了6種運(yùn)行模式，即反應(yīng)堆功率運(yùn)行模式(RP)、蒸器發(fā)生器冷卻正常停堆模式(NS/SG)、冷卻正常停堆模式(NS/RRA)、維修停堆模式(MCS)、換料停堆模式(RCS)、反應(yīng)堆完全卸料模式(RCD)。運(yùn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)REA水箱的要求如下。

a.水裝量(總?cè)莘e)要求。即RP模式下，在線到機(jī)組上的REA水箱的水裝量(總?cè)莘e)必須大于100 m3，如果REA水箱會(huì)影響到2臺(tái)機(jī)組，則水裝量(總?cè)莘e)必須大于180 m3。

b.在RP、NS/SG、NS/RRA模式下，機(jī)組的防腐蝕控制(水質(zhì))要求，其中最重要的項(xiàng)目之一是對(duì)REA水箱氧含量的要求，其氧含量限值為<100 μg/kg。如果1個(gè)水箱的氧含量>100 μg/kg，使用另一水箱補(bǔ)水，并盡快采取措施恢復(fù)水質(zhì)在限值內(nèi)。如果2個(gè)水箱的氧含量均不合格，則：當(dāng)100 μg/kg≤氧含量<1000 μg/kg時(shí)，允許使用24 h；當(dāng)超過24 h或氧含量≥1000 μg/kg時(shí)，維持2臺(tái)機(jī)組功率穩(wěn)定，水箱逐個(gè)換水，盡快恢復(fù)水質(zhì)在限值內(nèi)，同時(shí)應(yīng)確保安全所需的最小容量。

2.3 REA水箱溶解氧含量高對(duì)機(jī)組的影響

a.一回路管道、設(shè)備及燃料包殼腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增大。如果REA水箱溶解氧含量高，機(jī)組補(bǔ)入氧含量高的水，增大了一回路管道和燃料包殼腐蝕[1]的風(fēng)險(xiǎn)。

b.廢水產(chǎn)量增大。如果REA水箱溶解氧含量高，頻繁采用換水的方式來保證機(jī)組供水水質(zhì)，則導(dǎo)致廢水產(chǎn)量增加，增加三廢負(fù)擔(dān)。

c.對(duì)機(jī)組日常的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生影響。如果2個(gè)REA水箱溶解氧均超標(biāo)，由于換水的過程必須滿足技術(shù)規(guī)范對(duì)REA最小水裝量的要求，且機(jī)組不允許進(jìn)行負(fù)荷跟蹤運(yùn)行。如果在機(jī)組啟動(dòng)期間，則會(huì)影響關(guān)鍵路徑。

另外，通過對(duì)水箱換水降低溶解氧的方式僅僅為臨時(shí)措施，徹底解決還須檢修設(shè)備，相關(guān)設(shè)備的檢修對(duì)電廠生產(chǎn)活動(dòng)的影響較大，從電廠經(jīng)濟(jì)利益角度考慮是不可接受的。

2.4 9REA001/002BA的結(jié)構(gòu)及密封原理

為了防止REA水箱的水與空氣接觸而被氧化，REA001/002BA設(shè)計(jì)采用膠囊覆蓋浮頂水箱，即浮頂罐。REA001/002BA的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它主要由圓柱形平底容器、膠囊、浮頂、限位開關(guān)、鵝頸彎管及閥門組成。浮頂通過膠囊與罐體連接，而膠囊的四周在罐體中部與罐壁鉚接固定。膠囊兩端分別固定在罐壁內(nèi)側(cè)中部和浮頂?shù)倪吘?，膠囊上充有除鹽水作為膠囊上下運(yùn)動(dòng)的潤(rùn)滑劑并確保其密封性，避免膠囊之間干摩擦，其密閉的浮頂可以隨著液體的液位變化而自由上下移動(dòng)。浮頂上鵝頸彎管通大氣，以防罐子因浮頂被卡住時(shí)承受過大的負(fù)壓，另外其突出的高度也使浮頂可以浮在水面上。

圖4 浮頂罐結(jié)構(gòu)

3 水箱溶解氧異常原因分析

從REA除鹽除氧水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維修等方面分析，可能導(dǎo)致REA水箱溶解氧不合格的可能因素主要有以下幾個(gè)方面：測(cè)量誤差；環(huán)境溫度影響；補(bǔ)水系統(tǒng)引入；設(shè)計(jì)缺陷；介質(zhì)與空氣直接接觸；系統(tǒng)缺陷；在運(yùn)行過程中引入；維修、定期試驗(yàn)引入。其可能影響因素對(duì)比分析見表1[2-4]。

表1 水箱溶解氧升高影響因素分析

續(xù)表

4 詳細(xì)分析及驗(yàn)證

4.1 測(cè)量影響

a.便攜溶解氧表故障，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)：便攜氧表選型為OBISHPHERE 廠家的成熟產(chǎn)品，各基地在未安裝在線溶解氧表前，均采用該產(chǎn)品，儀表成熟穩(wěn)定。另外，儀表本身有定期標(biāo)定，當(dāng)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果異常時(shí)，采用多臺(tái)儀表交叉驗(yàn)證的方式進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果一致。故該可能因素排除。[5-7]

b.樣水缺乏代表性，樣品的取樣在就地水箱出口的取樣管線上，且規(guī)定要求測(cè)量30 min以上，故影響因素可以排除。

4.2 環(huán)境溫度影響

根據(jù)理論，溫度越低，水中溶解氧濃度越高。該公司地處北方，相對(duì)南方機(jī)組環(huán)境氣溫較低，由于REA水箱所在房間空間大，房間溫度受環(huán)境溫度影響較大，歷史測(cè)量有記錄的最低水溫約15 ℃，對(duì)水箱的除氧水中的溶解氧含量影響較大(見圖5)。

圖5 REA水箱溶解氧與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)

4.3 補(bǔ)給水影響

a.補(bǔ)水系統(tǒng)異常(以下稱ASG)。ASG制水水質(zhì)化驗(yàn)合格后才能傳水至REA水箱，傳水過程中有氧表連續(xù)監(jiān)測(cè)，制水過程如有異常，將造成氧的質(zhì)量比大幅增加。該故障現(xiàn)象與9REA001/002BA制水后，水體靜置或用水時(shí)氧含量出現(xiàn)上漲的現(xiàn)象不符，故該故障因素排除。

b.TEP系統(tǒng)水回收。TEP 系統(tǒng)中含有氚，目前采取的運(yùn)行方式為該系統(tǒng)的水不回收，對(duì)REA水箱氚的分析測(cè)量結(jié)果表明該系統(tǒng)不含有氚，故該影響因素排除。

4.4 水箱設(shè)計(jì)影響

水箱溢流口、鵝頸彎管與大氣直接接觸，空氣中的溶解氧持續(xù)溶入，在機(jī)組用水的攪混作用、環(huán)境溫度的變化影響下，溶解氧持續(xù)升高。各基地也有水箱溶解氧隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)而上漲現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)超標(biāo)情況。理論計(jì)算，如果0.1 m3的空氣進(jìn)入，就會(huì)導(dǎo)致溶解氧超過100 μg/kg的情況發(fā)生。

假設(shè)水箱溶解氧目前為100 μg/kg,水箱體積300 m3，則有V體積的空氣溶入。

V=300×100 ×106÷1.43÷0.19=0.1 m3

4.5 系統(tǒng)缺陷影響

a.REA水箱背壓水不足，導(dǎo)致膠囊鼓包吸氣，浮頂傾斜，存在富氧氣空間。

如圖6所示，膠囊上充有SED除鹽水(背壓水)作為膠囊上下運(yùn)動(dòng)的潤(rùn)滑劑，并確保其密封性，避免膠囊之間干摩擦，其密閉的浮頂可以隨著液體的液位變化而自由上下移動(dòng)。背壓水經(jīng)過長(zhǎng)期蒸發(fā)，可能存在不足， 產(chǎn)生浮頂傾斜，膠囊鼓包。在制水過程中，水位與浮頂上升速率不同，導(dǎo)致出現(xiàn)氣空間，導(dǎo)致高氧水盲區(qū)出現(xiàn)，此故障類型也為偶發(fā)故障。

圖6 9REA001/002BA頂蓋水封

b.水箱浮頂內(nèi)壁內(nèi)凹空間隱蔽角落處的2個(gè)浮頂排氣孔(見圖7)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，未發(fā)現(xiàn)異常，該故障因素可排除。

圖7 浮頂排氣孔位置

c.REA水箱本體在膠囊、浮頂、壓板處的螺栓、連接處存在漏點(diǎn)，導(dǎo)致溶解氧進(jìn)入。產(chǎn)生該缺陷的主要原因其一為背壓水過量，導(dǎo)致膠囊拉力增加，在連接處出現(xiàn)縫隙，隨著機(jī)組用水、時(shí)間的增長(zhǎng)而導(dǎo)致溶解氧升高；其二為膠囊、浮頂、壓板、水箱本體現(xiàn)場(chǎng)制作、安裝工藝不好，圓度不連續(xù)，部分位置存在調(diào)整、打磨的情況，故存在縫隙；其三為在環(huán)境溫度變化的情況下，金屬壓板、膠囊、墊片的膨脹系數(shù)不同，溫度變化特性不同，導(dǎo)致系統(tǒng)原有缺陷擴(kuò)展，存在縫隙。

d.罐子本體有漏點(diǎn)，空氣會(huì)從漏點(diǎn)進(jìn)入，與罐內(nèi)介質(zhì)接觸，造成氧含量高，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，該故障因素可排除。

e.膠囊本體存在漏點(diǎn)，或者材質(zhì)存在問題，導(dǎo)致空氣、富氧水進(jìn)入。由于膠囊與桶壁之間有潤(rùn)滑水，如果該處泄漏，則漏入的為富氧的SED水，進(jìn)入后導(dǎo)致電導(dǎo)率也會(huì)產(chǎn)生大幅變化，實(shí)際溶解氧升高，電導(dǎo)率未發(fā)生明顯變化，故膠囊本體存在漏點(diǎn)的能性較低。

f.局部真空吸入空氣。REA水箱在小流量管線循環(huán)時(shí)，泵入口管道會(huì)形成局部微負(fù)壓，若泵入口管線上的邊界閥、法蘭、就地取樣管線存在漏點(diǎn)，空氣會(huì)吸入再循環(huán)管線，回到REA水箱，導(dǎo)致浮頂罐中的存水氧質(zhì)量比高。

4.6 結(jié)果驗(yàn)證

通過對(duì)以上可能原因的分析，采取了以下控制與處理方案，驗(yàn)證處理效果。

a.日常運(yùn)行、維護(hù)方式的管理優(yōu)化。在REA泵啟動(dòng)期間禁止取樣，防止負(fù)壓吸入空氣；增加在線溶解氧表、電導(dǎo)表監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱的連續(xù)監(jiān)測(cè)與測(cè)量；水箱維修、檢查大綱優(yōu)化至冬季，確保維修、檢查質(zhì)量；水箱密封水每季度檢查一次，每年調(diào)整、補(bǔ)充一次； 補(bǔ)水后、排水前，對(duì)浮頂排氣口不定期抽氣處理。

b.采取糾正性維修活動(dòng)，提高系統(tǒng)嚴(yán)密性。將部分管線的球閥改造為密封性更好的隔膜閥；對(duì)水箱出口管線(包括就地測(cè)氧管線)相關(guān)閥門、法蘭等進(jìn)行密封處理；浮頂、膠囊、壓板連接處螺栓緊固、中部連接處密封處理。采取以上控制、處理措施后，特別是對(duì)水箱浮頂、膠囊、壓板連接處螺栓緊固、中部連接處密封處理后，水箱溶解氧的質(zhì)量比基本維持在40 μg/kg以下(見圖8)。

圖8 處理前后溶解氧變化趨勢(shì)對(duì)比

由此分析，REA水箱溶解氧高的異常增長(zhǎng)原因：浮頂、膠囊、壓板螺栓連接處密封不嚴(yán)，水箱使用過程中浮頂上下運(yùn)動(dòng)，負(fù)壓吸入空氣導(dǎo)致。促成原因?yàn)樗澌Z頸管、溢流口對(duì)空，氧氣溶解進(jìn)入；環(huán)境溫度降低，氧氣溶解度變大，水箱水中溶解氧量增多。

5 結(jié)語

本文從該核電站除鹽除氧水箱溶解氧不合格故障現(xiàn)象著手，分析并解決REA水箱溶解氧異常增長(zhǎng)的問題。而實(shí)際不同電站、不同機(jī)組，水箱溶解氧不合格的現(xiàn)象不同，并非單一原因?qū)е?，而是多種因素疊加產(chǎn)生。在某一時(shí)間段，某一因素占主導(dǎo)。如冬季環(huán)境溫度低，氧氣在水中的溶解度高，導(dǎo)致水中溶解氧增高，如果再疊加水箱固有缺陷后，水箱溶解氧上升較快，甚至出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。故在水箱溶解氧異常超標(biāo)的情況下，需要從多個(gè)方面進(jìn)行原因分析，鎖定故障點(diǎn)，快速解決問題。