秦山核電主泵去污工藝闡述及改進(jìn)

王 鵬 周辰昊

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

核電站反應(yīng)堆主冷卻劑循環(huán)泵（以下簡稱“主泵”）水力組件是主泵設(shè)備輻射劑量率最高的部件，由于長期運(yùn)行在高溫、高壓、高輻射的主系統(tǒng)冷卻介質(zhì)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(zhì)組成的活化腐蝕產(chǎn)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(jìn)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(jìn)行去污。而目前在核電系統(tǒng)中主要使用的去污方式有化學(xué)—超聲去污、化學(xué)去污，也有部分機(jī)組使用單純超聲去污。田灣核電站就進(jìn)行過超聲去污、化學(xué)去污、化學(xué)—超聲去污，并進(jìn)行了比較，可以明顯發(fā)現(xiàn)化學(xué)—超聲去污效果最好，化學(xué)去污效果只微弱低于化學(xué)—超聲去污，而單純超聲去污的效果最差?？紤]主要原因是超聲去污只是去除表面松散污染，無法達(dá)到化學(xué)去污的剝離金屬氧化層，去除活化腐蝕產(chǎn)物的效果。

本文依據(jù)秦山核電一廠118大修主泵水力組件的去污工作，對化學(xué)—超聲去污工藝流程進(jìn)行全流程研究，對化學(xué)—超聲去污工作中一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。

1 去污系統(tǒng)

1.1 設(shè)備介紹

反應(yīng)堆冷卻劑泵內(nèi)構(gòu)件的去污系統(tǒng)由秦山核電有限公司設(shè)計，包括以下組件：

集成的主泵超聲波去污箱。

50 m/h的循環(huán)水泵，以及串聯(lián)的50 kW電加熱器，為去污箱保證水循環(huán)以及維持溫度。

兩個容量為1.5 m化學(xué)去污劑補(bǔ)給罐。采用注入補(bǔ)給罐中的蒸汽加熱，為去污箱提供溶解好的化學(xué)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(fù)責(zé)為加熱水箱、補(bǔ)給罐補(bǔ)充除鹽水。

帶有再循環(huán)泵和加熱器的去污箱在插入內(nèi)構(gòu)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(shè)備改進(jìn)

根據(jù)主泵去污系統(tǒng)在2005年R8大修中提出的建議進(jìn)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(huán)水泵必須停運(yùn)，通過重力使去污液流進(jìn)取樣管線。在循環(huán)水泵與電加熱器之間加裝新的取樣管線，改進(jìn)后在不關(guān)閉循環(huán)泵的情況下可進(jìn)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(rèn)去污箱排空。

1.2.3 去污箱安裝環(huán)形噴水

在去污箱進(jìn)水管（來自溶劑加熱箱）上增加環(huán)形噴水，以便化學(xué)試劑在去污過程中噴射主泵水力組件法蘭下表面。以達(dá)到對法蘭下表面的去污。但在后期實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)形噴水管應(yīng)加裝在循環(huán)水進(jìn)水管上，以達(dá)到原設(shè)想的去污循環(huán)過程中會主泵法蘭下表面去污的效果。

1.2.4 循環(huán)進(jìn)水管向下延伸

循環(huán)進(jìn)水管（來自溶劑循環(huán)泵）向去污箱底部延伸并在側(cè)邊開數(shù)個出水口，使溶液以一定的壓力噴射到水力組件側(cè)邊，同時增加去污裝置內(nèi)溶液的流動，使反應(yīng)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(jìn)行過兩次主泵水力組件去污，按照一廠現(xiàn)有的主泵去污設(shè)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(yùn)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(xué)去污工藝，主要包含高錳酸鉀、硝酸、草酸，在預(yù)氧化和去污過程中濃度約為2 000 ppm。該工藝的設(shè)計目的是在應(yīng)用過程中，在溶液中保留所有化學(xué)過程產(chǎn)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(huán)由兩個過程組成，即預(yù)氧化，以及還原去污過程。為達(dá)到理想的劑量率水平，通常需要進(jìn)行三個工藝循環(huán)。每次去污循環(huán)結(jié)束后，去污系統(tǒng)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(shè)備。如果去離子水傳導(dǎo)率下降到小于80 s/cm，則認(rèn)為兩個循環(huán)間的清洗完成。最后去污循環(huán)結(jié)束后（通常為第三個循環(huán)），排空去污廢液，加入過氧化氫進(jìn)行鈍化處理，當(dāng)傳導(dǎo)率達(dá)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(tǒng)流程

2.3 化學(xué)成分和加藥流程

NP CORD?工藝需要以下濃度的化學(xué)品：

預(yù)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(yīng)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(yù)氧化

對于壓水堆中的氧化層，鉻元素往往是三價鉻狀態(tài)。這種鉻是非常難以溶解的，因此在化學(xué)去污的預(yù)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(jìn)行氧化反應(yīng)的過程如下：

CrO+KMnO→KCrO+MnO+HO

以上反應(yīng)僅能夠氧化表層的鉻，該反應(yīng)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(jìn)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(dāng)于760 ppm）；

將預(yù)氧化溶液注入至去污系統(tǒng)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(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式：

2KMnO+8HCO→2MnCO+KCO+8HO+10CO+8HO

隨著還原過程的進(jìn)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(guān)閉加熱器；

緩慢加入（防止泵產(chǎn)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(tǒng)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(jìn)行三個去污循環(huán)，每個循環(huán)內(nèi)分為三個過程，氧化、還原、沖洗。第三循環(huán)在還原結(jié)束后還需進(jìn)行鈍化之后再進(jìn)行沖洗（見圖2）。

楊小水從此跟水結(jié)了仇——也不光是水，凡是與水相關(guān)的，她都不喜歡。楊小水還特意給常江舉了個例子，大水過去幾年以后，有一天村里放電影，《大河奔流》。一開始，全場沒有一點(diǎn)聲響，熒幕上都是水，揪人心啊。好在那只是片頭，接下來船上三個人的命運(yùn)轉(zhuǎn)移了觀眾的注意力。電影演到十多分鐘，花園口被國民黨炸開，水洶涌而出。又過了幾分鐘，熒幕上突然出現(xiàn)水頭沖擊大樹、追趕人群的畫面。偏偏風(fēng)又作勢，把熒幕又吹得鼓起來，電影上的水就像是立體畫面一樣，兜頭而來。誰家的小孩被嚇哭了，接下來幾個大人也哭起來，整個場地里的人都開始哭。號啕大哭。那個悲慘啊，連莫名其妙的放映員眼睛也濕了。電影沒法再演下去……

圖2 主泵水力組件去污工作流程

預(yù)氧化反應(yīng)：超聲波去污裝置液位至80 cm、水溫80℃以上，在試劑制備槽內(nèi)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(nèi)，將超聲波去污裝置液位升至120 cm。開啟超聲波、循環(huán)泵，30 min后關(guān)閉超聲波取樣，超聲波每次開啟、關(guān)閉各30 min，化學(xué)取樣每次間隔1 h（分析項目：PH、電導(dǎo)率、Mn、Fe、Cr、總γ），待分析結(jié)果合格后進(jìn)行下一過程。

還原/去污反應(yīng)：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(nèi)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(nèi)，將超聲波去污裝置液位升至120 cm。開啟超聲波、循環(huán)泵，30 min后關(guān)閉超聲波取樣，超聲波每次開啟、關(guān)閉各30 min，化學(xué)取樣每次間隔1 h（分析項目：Fe、Cr、CHO、總γ），待分析結(jié)果合格后進(jìn)行下一過程。

鈍化（只第三去污循環(huán)）：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(nèi)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(nèi)，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(dǎo)率、Fe、Cr、CHO、總γ），然后進(jìn)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(nèi)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(huán)泵30 min后關(guān)閉超聲波取樣，分析測量電導(dǎo)率。第一循環(huán)、第二循環(huán)電導(dǎo)率需降至80 μs/cm以下后沖洗結(jié)束，可以開始下一循環(huán)。第三循環(huán)電導(dǎo)率需降至8 μs/cm以下后沖洗結(jié)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(shù)據(jù)分析在每個循環(huán)的預(yù)氧化階段在主泵上的活化產(chǎn)物并沒有被剝離，而到了還原階段活化產(chǎn)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(shù)值趨于水平，意味著去污溶液反應(yīng)結(jié)束，需要開始進(jìn)行第二循環(huán)去污。第二循環(huán)去污的還原階段總γ分析結(jié)果明顯低于第一循環(huán)，而第三循環(huán)的還原階段總γ分析結(jié)果顯示，化學(xué)反應(yīng)過程中只有極少量的活化產(chǎn)物，說明主泵表面的去污已經(jīng)完成。去污結(jié)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(shù)據(jù)比對，由表1知，去污系數(shù)最高達(dá)到1 850，平均去污系數(shù)高達(dá)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(diǎn)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(xù)的主泵檢修創(chuàng)造了條件。

表1 主泵A水力組件去污系數(shù)

4 良好實(shí)踐及仍存在的問題

4.1 良好實(shí)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(yù)防在去污過程中因注入冷水而導(dǎo)致水溫下降的情況發(fā)生，建議溶劑加熱箱內(nèi)始終保持液位1 m的熱水，以備后續(xù)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(huán)最后一次沖洗后不排水

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

4.1.3 排水時循環(huán)泵不關(guān)閉

在去污裝置排水過程中，不關(guān)閉循環(huán)泵，利用循環(huán)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(huán)泵需60～70 min排空，開啟循環(huán)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(xiàn)鈍化不均勻

在去污結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，主泵葉輪表面鈍化不徹底，考慮到鈍化過程中循環(huán)水泵一直在工作，第三循環(huán)鈍化過程中，加入雙氧水后，循環(huán)5 min后，關(guān)閉循環(huán)水泵，以避免循環(huán)水泵沖擊導(dǎo)致主泵表面鈍化偏向一側(cè)。

4.2.2 噴水環(huán)在去污過程中未參與去污循環(huán)

在前期交流中，由于對系統(tǒng)不了解，錯誤地認(rèn)為了溶劑加熱箱參與主泵去污循環(huán)，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(huán)。但是在去污開始前得到確認(rèn)，溶劑加熱箱只負(fù)責(zé)補(bǔ)水，不參與去污循環(huán)。導(dǎo)致前期加裝的主泵法蘭面底部沖洗無法參與循環(huán)。建議將環(huán)形沖洗管進(jìn)水端接至循環(huán)水泵出口端。

4.2.3 環(huán)形沖洗管出水口角度應(yīng)有差異

環(huán)形沖洗管的出水口應(yīng)有角度差異，現(xiàn)在的狀態(tài)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(dá)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(zhì)，不耐高溫，有發(fā)生軟化，且已經(jīng)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(fēng)險。

廢液槽現(xiàn)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(dāng)每個循環(huán)結(jié)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(jī)械式的液位計，可利用廢液槽原有閑置法蘭接口加裝機(jī)械式液位計。

4.2.5 改進(jìn)去污溶液體積數(shù)據(jù)管理

目前，去污系統(tǒng)水表安裝在儲水箱的上游進(jìn)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(jìn)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(shù)，以便估計所有的加水量，改進(jìn)提升水?dāng)?shù)據(jù)管理。

5 結(jié)語

通過對主泵去污箱進(jìn)行的一系列技改升級，使得主泵去污系數(shù)得到了明顯的提升，接觸劑量率水平有了一個數(shù)量級的下降，為后續(xù)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(chǔ)。但是在實(shí)際去污過程中不光總結(jié)出很多良好實(shí)踐，還發(fā)現(xiàn)了許多需要改進(jìn)的問題。鈍化過程中暴露的水循環(huán)問題、環(huán)形噴口未參與去污等。這些發(fā)現(xiàn)的問題為后續(xù)工作、系統(tǒng)升級提供了技術(shù)支持和改進(jìn)方向，以期望在下次去污時，能夠達(dá)到更好的去污效果。