刘主根，李良涛，孙显海

(辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116300)

1 问题概述

国内某核电站一期工程除盐除氧水供给系统(以下称REA)水箱于2012年投用，在机组运行期间，多次发生REA水箱溶解氧不合格情况。主要为除盐除氧水箱在静止备用或使用过程中，溶解氧快速增长甚至超化学技术规范限值要求(<100 μg/kg)，而进行换水处理的异常事件。仅2018年，9REA001BA(REA水箱) 就发生14次溶解氧不合格情况(见图1)，调研国内外其他核电机组也存在类似情况。

图1 某电站除盐除氧水箱溶解氧超限值统计

通过对2018年11月—2018年12月期间，REA水箱溶解氧与液位的变化趋势分析(如图2)，发现该水箱在备用情况下，液位保持不变，溶解氧由40 μg/kg上升到65 μg/kg以上；在水箱使用期间，随着液位下降，溶解氧继续上升至80 μg/kg以上，而电导率无明显变化。对比其他基地的REA水箱溶解氧情况，溶解氧在制水后均维持在65 μg/kg以下，由此判断，REA水箱的溶解氧存在不明原因的异常增长情况。

图2 REA溶解氧与液位变化趋势

2 REA水箱相关问题

2.1 REA系统

国内某核电站一期工程共4台机组，双机组共用2个REA水箱(9REA001/002BA)，1个水箱对2台机组供水，另1个水箱充水或置于备用状态(见图3)。2个水箱共有600 m3(2×300 m3)的有效可用容积，保证了1台机组在寿期末从冷停堆状态提升至满功率状态，或2台机组同时从热停堆(在氙峰值时)再启动提升至满功率所需的除氧水量。箱内最高工作温度为50 ℃，最高工作绝对压力为1.05×105Pa。水箱的正常水源是硼回收系统(TEP)回收的一回路水(经过蒸馏过程)，而初次充水或异常情况下的应急充水由核岛除盐水分配系统(SED)的水经过辅助给水系统(ASG)的除氧器处理后供给。

图3 REA系统部分流程

2.2 运行技术规范对REA水箱的要求

运行技术规范定义了6种运行模式，即反应堆功率运行模式(RP)、蒸器发生器冷却正常停堆模式(NS/SG)、冷却正常停堆模式(NS/RRA)、维修停堆模式(MCS)、换料停堆模式(RCS)、反应堆完全卸料模式(RCD)。运行技术规范对REA水箱的要求如下。

a.水装量(总容积)要求。即RP模式下，在线到机组上的REA水箱的水装量(总容积)必须大于100 m3，如果REA水箱会影响到2台机组，则水装量(总容积)必须大于180 m3。

b.在RP、NS/SG、NS/RRA模式下，机组的防腐蚀控制(水质)要求，其中最重要的项目之一是对REA水箱氧含量的要求，其氧含量限值为<100 μg/kg。如果1个水箱的氧含量>100 μg/kg，使用另一水箱补水，并尽快采取措施恢复水质在限值内。如果2个水箱的氧含量均不合格，则：当100 μg/kg≤氧含量<1000 μg/kg时，允许使用24 h；当超过24 h或氧含量≥1000 μg/kg时，维持2台机组功率稳定，水箱逐个换水，尽快恢复水质在限值内，同时应确保安全所需的最小容量。

2.3 REA水箱溶解氧含量高对机组的影响

a.一回路管道、设备及燃料包壳腐蚀风险增大。如果REA水箱溶解氧含量高，机组补入氧含量高的水，增大了一回路管道和燃料包壳腐蚀[1]的风险。

b.废水产量增大。如果REA水箱溶解氧含量高，频繁采用换水的方式来保证机组供水水质，则导致废水产量增加，增加三废负担。

c.对机组日常的生产活动产生影响。如果2个REA水箱溶解氧均超标，由于换水的过程必须满足技术规范对REA最小水装量的要求，且机组不允许进行负荷跟踪运行。如果在机组启动期间，则会影响关键路径。

另外，通过对水箱换水降低溶解氧的方式仅仅为临时措施，彻底解决还须检修设备，相关设备的检修对电厂生产活动的影响较大，从电厂经济利益角度考虑是不可接受的。

2.4 9REA001/002BA的结构及密封原理

为了防止REA水箱的水与空气接触而被氧化，REA001/002BA设计采用胶囊覆盖浮顶水箱，即浮顶罐。REA001/002BA的结构如图4所示，它主要由圆柱形平底容器、胶囊、浮顶、限位开关、鹅颈弯管及阀门组成。浮顶通过胶囊与罐体连接，而胶囊的四周在罐体中部与罐壁铆接固定。胶囊两端分别固定在罐壁内侧中部和浮顶的边缘，胶囊上充有除盐水作为胶囊上下运动的润滑剂并确保其密封性，避免胶囊之间干摩擦，其密闭的浮顶可以随着液体的液位变化而自由上下移动。浮顶上鹅颈弯管通大气，以防罐子因浮顶被卡住时承受过大的负压，另外其突出的高度也使浮顶可以浮在水面上。

图4 浮顶罐结构

3 水箱溶解氧异常原因分析

从REA除盐除氧水系统的设计、制造、安装、运行、维修等方面分析，可能导致REA水箱溶解氧不合格的可能因素主要有以下几个方面：测量误差；环境温度影响；补水系统引入；设计缺陷；介质与空气直接接触；系统缺陷；在运行过程中引入；维修、定期试验引入。其可能影响因素对比分析见表1[2-4]。

表1 水箱溶解氧升高影响因素分析

续表

4 详细分析及验证

4.1 测量影响

a.便携溶解氧表故障，导致测量结果不准：便携氧表选型为OBISHPHERE 厂家的成熟产品，各基地在未安装在线溶解氧表前，均采用该产品，仪表成熟稳定。另外，仪表本身有定期标定，当出现测量结果异常时，采用多台仪表交叉验证的方式进行对比，测量结果一致。故该可能因素排除。[5-7]

b.样水缺乏代表性，样品的取样在就地水箱出口的取样管线上，且规定要求测量30 min以上，故影响因素可以排除。

4.2 环境温度影响

根据理论，温度越低，水中溶解氧浓度越高。该公司地处北方，相对南方机组环境气温较低，由于REA水箱所在房间空间大，房间温度受环境温度影响较大，历史测量有记录的最低水温约15 ℃，对水箱的除氧水中的溶解氧含量影响较大(见图5)。

图5 REA水箱溶解氧与环境温度变化趋势

4.3 补给水影响

a.补水系统异常(以下称ASG)。ASG制水水质化验合格后才能传水至REA水箱，传水过程中有氧表连续监测，制水过程如有异常，将造成氧的质量比大幅增加。该故障现象与9REA001/002BA制水后，水体静置或用水时氧含量出现上涨的现象不符，故该故障因素排除。

b.TEP系统水回收。TEP 系统中含有氚，目前采取的运行方式为该系统的水不回收，对REA水箱氚的分析测量结果表明该系统不含有氚，故该影响因素排除。

4.4 水箱设计影响

水箱溢流口、鹅颈弯管与大气直接接触，空气中的溶解氧持续溶入，在机组用水的搅混作用、环境温度的变化影响下，溶解氧持续升高。各基地也有水箱溶解氧随着放置时间延长而上涨现象，甚至出现超标情况。理论计算，如果0.1 m3的空气进入，就会导致溶解氧超过100 μg/kg的情况发生。

假设水箱溶解氧目前为100 μg/kg,水箱体积300 m3，则有V体积的空气溶入。

V=300×100 ×106÷1.43÷0.19=0.1 m3

4.5 系统缺陷影响

a.REA水箱背压水不足，导致胶囊鼓包吸气，浮顶倾斜，存在富氧气空间。

如图6所示，胶囊上充有SED除盐水(背压水)作为胶囊上下运动的润滑剂，并确保其密封性，避免胶囊之间干摩擦，其密闭的浮顶可以随着液体的液位变化而自由上下移动。背压水经过长期蒸发，可能存在不足， 产生浮顶倾斜，胶囊鼓包。在制水过程中，水位与浮顶上升速率不同，导致出现气空间，导致高氧水盲区出现，此故障类型也为偶发故障。

图6 9REA001/002BA顶盖水封

b.水箱浮顶内壁内凹空间隐蔽角落处的2个浮顶排气孔(见图7)，经现场排查，未发现异常，该故障因素可排除。

图7 浮顶排气孔位置

c.REA水箱本体在胶囊、浮顶、压板处的螺栓、连接处存在漏点，导致溶解氧进入。产生该缺陷的主要原因其一为背压水过量，导致胶囊拉力增加，在连接处出现缝隙，随着机组用水、时间的增长而导致溶解氧升高；其二为胶囊、浮顶、压板、水箱本体现场制作、安装工艺不好，圆度不连续，部分位置存在调整、打磨的情况，故存在缝隙；其三为在环境温度变化的情况下，金属压板、胶囊、垫片的膨胀系数不同，温度变化特性不同，导致系统原有缺陷扩展，存在缝隙。

d.罐子本体有漏点，空气会从漏点进入，与罐内介质接触，造成氧含量高，通过现场检查未发现漏点，该故障因素可排除。

e.胶囊本体存在漏点，或者材质存在问题，导致空气、富氧水进入。由于胶囊与桶壁之间有润滑水，如果该处泄漏，则漏入的为富氧的SED水，进入后导致电导率也会产生大幅变化，实际溶解氧升高，电导率未发生明显变化，故胶囊本体存在漏点的能性较低。

f.局部真空吸入空气。REA水箱在小流量管线循环时，泵入口管道会形成局部微负压，若泵入口管线上的边界阀、法兰、就地取样管线存在漏点，空气会吸入再循环管线，回到REA水箱，导致浮顶罐中的存水氧质量比高。

4.6 结果验证

通过对以上可能原因的分析，采取了以下控制与处理方案，验证处理效果。

a.日常运行、维护方式的管理优化。在REA泵启动期间禁止取样，防止负压吸入空气；增加在线溶解氧表、电导表监测，实现对水箱的连续监测与测量；水箱维修、检查大纲优化至冬季，确保维修、检查质量；水箱密封水每季度检查一次，每年调整、补充一次； 补水后、排水前，对浮顶排气口不定期抽气处理。

b.采取纠正性维修活动，提高系统严密性。将部分管线的球阀改造为密封性更好的隔膜阀；对水箱出口管线(包括就地测氧管线)相关阀门、法兰等进行密封处理；浮顶、胶囊、压板连接处螺栓紧固、中部连接处密封处理。采取以上控制、处理措施后，特别是对水箱浮顶、胶囊、压板连接处螺栓紧固、中部连接处密封处理后，水箱溶解氧的质量比基本维持在40 μg/kg以下(见图8)。

图8 处理前后溶解氧变化趋势对比

由此分析，REA水箱溶解氧高的异常增长原因：浮顶、胶囊、压板螺栓连接处密封不严，水箱使用过程中浮顶上下运动，负压吸入空气导致。促成原因为水箱鹅颈管、溢流口对空，氧气溶解进入；环境温度降低，氧气溶解度变大，水箱水中溶解氧量增多。

5 结语

本文从该核电站除盐除氧水箱溶解氧不合格故障现象着手，分析并解决REA水箱溶解氧异常增长的问题。而实际不同电站、不同机组，水箱溶解氧不合格的现象不同，并非单一原因导致，而是多种因素叠加产生。在某一时间段，某一因素占主导。如冬季环境温度低，氧气在水中的溶解度高，导致水中溶解氧增高，如果再叠加水箱固有缺陷后，水箱溶解氧上升较快，甚至出现超出标准要求的情况。故在水箱溶解氧异常超标的情况下，需要从多个方面进行原因分析，锁定故障点，快速解决问题。