乏燃料贮存水池池内设备快速安装及检修方案设计

＊董文杰 欧阳再龙 史惠杰 秦永泉

（中国核电工程有限公司 北京 100840）

在乏燃料湿法贮存设施中，池水换热设备和离子交换设备是贮存水池的关键设备。池水换热设备承担着将乏燃料组件的衰变热通过池水带走，并在正常工况下维持乏燃料贮存水池的池水温度在安全范围内的功能。池水离子交换设备承担着利用离子交换树脂的离子交换能力对池水进行处理，有效去除池水中的铯和钴等放射性金属离子及氟、氯等加速不锈钢腐蚀的离子，保证池水放射性不超过限值，保障工作人员安全的功能[1]。

根据布置位置的不同，设备布置于乏燃料水池外或者水池内，分为池外方案和池内两种方案。池外方案是在乏燃料水池外进行冷却和净化，需要将池水输送至水池外进行冷却和离子交换，适合在堆乏燃料水池和普通容量离堆乏燃料水池。池外方案具有一定的局限性，池水输送至水池外有造成泄漏污染的风险[2]。同时随着乏燃料贮存水池容量越来越大，池外方案的设备尺寸和设备数量大大增加，带来设备制造、安装、固定、检修及更换困难等问题，因此，大容量乏燃料贮存水池一般采用池内冷却和离子交换方案。池外和池内两种方案的换热和离子交换设备的形式不同且池内方案在国内工程尚未应用，对此类设备的快速安装和检修研究较少，因此根据我国未来乏燃料湿法大容量贮存需求[3]，针对大容量乏燃料贮存水池池内冷却、离子交换方案的设备快速安装及检修方案设计进行研究。

1.设备快速安装方案设计

在池内冷却和离子交换的方案中，池水换热设备和池水离子交换设备均为模块化集成式设备，其中池水换热设备由泵体模块、换热功能模块和底座组成，池水离子交换设备由泵体模块、离子交换净化功能模块和底座组成。池水换热设备和池水离子交换设备形式类似，安装固定方式[4]相同。

底座位于设备的最下部，浸泡在池水内，两种设备功能模块换热功能模块和离子交换净化功能模块位于底座上部，亦浸泡在池水内，泵体模块位于功能模块上方，部分浸泡在池水中，泵体电机等带电部分位于池水外。设备整体安装在乏燃料水池内壁上，池壁设置滑轨对设备进行导向定位安装，水池墙壁上设置间距不同的三组设备支架、底部设置支架对设备进行固定，其中包括对功能模块以及泵体模块的固定。设备在设计中，充分考虑易于安装的设备方案。池水换热设备和池水离子交换设备安装固定图如图1、图2和图3所示。底部支撑支架、滑轨及池壁上的三组设备支架需要在水池建造过程中提前安装就位。

图1 设备安装固定图主视图

图2 设备安装固定图侧视图

图3 设备安装固定图俯视图

(1)底座快速安装

底座的安装需要在乏燃料水池建造完毕，尚未注水前进行。底座位于设备最下部，在水池墙壁上设置底部支撑支架和竖向滑轨，底座安装时在吊车的吊运下，通过竖向滑轨限位缓缓滑下，与底部支撑支架接触精确对位后，通过焊接将底座与底部支架固定，从而完成底座的快速安装。底座为非能动设备，只需一次安装固定，乏燃料水池投用后，在设施寿期内不需要检修和更换。

(2)设备功能模块快速安装

设备功能模块即池水换热设备的换热功能模块及池水离子交换设备离子交换净化功能模块。设备功能模块位于底座的上部，在水池墙壁上设置间距不同的三组悬臂支架用于支撑设备功能模块，其中两组支架位于水面下，此两组支架上设有圆柱销，一组支架位于水面最高液位以上，方便人员操作，此组支架上设有螺柱用于固定。同时在池壁上设置竖向滑轨，设备功能模块安装时在吊车的吊运下，通过竖向滑轨限位滑下，以保证设备安装精度。设备功能模块设有不同长度和角度的支耳，并对支耳进行打孔，支耳的长度、开孔位置及大小与水池墙壁悬臂设备支架上的圆柱销或螺柱相匹配。底座承担功能模块的竖向力。设备功能模块安装后，位于水面下的两组支耳与水面下悬臂支架上的圆柱销相匹配，支耳和圆柱销对设备功能模块进行周向固定。位于水面上的一组长支耳与水面以上一组悬臂支架上的螺柱相匹配，通过螺母将支耳与悬臂支架的螺柱拧紧，支耳和螺柱对功能模块起到周向固定的同时，在竖向上固定整个功能模块。整个安装过程通过吊车和人员简单操作可以快速实现。

池水换热设备是乏燃料湿法贮存设施中导出组件衰变热保证设施安全的关键设备，根据EJ/T 939-2014《核燃料后处理厂建（构）筑物、系统和部件的分级原则》[5]相关要求，池水换热设备的安全等级为RS-2，质保等级为QA2，属于放化安全级设备。此要求提高了对设备快速安装方案的要求。经过设备计算，设备滑轨与周向定位固定、竖向定位固定相结合，除了能快速安装固定，亦满足设备安全级的要求。

(3)泵体模块快速安装

泵体模块包含泵体和电机两部分。泵体模块位于设备功能模块的上部，在水池墙壁上设置一组悬臂设备支架用于支撑泵体模块，每个支架上设有螺柱，支架高于池水最高液面，方便安装时的人员操作以及后续的检修工作，同时在池壁上设置竖向滑轨，泵体模块安装时在吊车的吊运下，通过竖向滑轨限位滑下，与其下部的设备功能模块精确对位，并将其压紧，泵体模块设有支耳，对支耳进行打孔，支耳的长度、开孔位置及大小与悬臂支架上的螺柱相匹配。泵体模块安装完成后，通过螺母将泵体模块支耳与悬臂支架的螺柱拧紧，支耳和螺柱对泵体起到周向固定的同时，在竖向上固定泵体模块。待泵体安装完成后，最后通过吊车和人员将泵体的电机部分安装在泵体上部，完成整个设备安装。

从设备快速安装方案设计可以看出，乏燃料贮存水池池内设备通过模块化集成式设计，将泵体模块、设备功能模块和底座及相应的设备支耳与池壁上竖向限位滑轨、设备支架、圆柱销、螺柱精巧配合，使设备的主体部分快速周向固定和竖向固定，满足设备安全要求的同时，可以实现快速安装，是未来乏燃料贮存水池池内设备的发展方向之一。

2.设备检修方案设计

根据水池的容量和乏燃料组件释热量，池水换热设备和池水离子交换设备整体设备高度10m左右，根据前述介绍，池内设备已采用模块化集成式设计，若设计为一个整体设备，吊装及后续的检维修都是非常困难的。乏燃料贮存水池池内冷却、离子交换设备在设计上已经考虑非能动概念[6]，一般不需要对设备水下部分进行检修。在特殊情况下需要对设备检修时，由于池水的放射性，在模块化集成式设计的基础上，为满足对检修人员辐射防护要求，池水换热设备和池水离子交换设备的检修方案需要进行特殊考虑，采用设置设备检修更换室和检修机械手的间接检维修方式。主要措施为设置专用的设备检修更换系统，检修更换系统包括设备检修吊车、设备检修更换室、压空吹扫管道，清洗去污管道，排污管道。泵体模块设备检修示意图如图4，设备功能模块设备检修示意图如图5所示。在设备进行检修和更换时，由于水池内装有乏燃料组件且组件无法移动，因此乏燃料水池处于满水状态以保证屏蔽效果。泵体模块的支耳、相匹配的支架及电机等组件位于水面之上，设备功能模块上部一组支耳、相匹配的支架位于水面之上，设备功能模块下部两组支耳、相匹配的支架、底座在水下。通过吊车和检修人员可以打开位于水面之上的所有固定螺栓，开展设备的检修。

图4 泵体模块设备检修示意图

图5 设备功能模块设备检修示意图

(1)泵体模块检修

①泵体模块常规情况只检修电机部分。电机位于池水上部，不与池水接触，设备上方设置检修吊车，当泵体模块的电机出现过故障时，可通过检修吊车在检修人员辅助下进行直接操作，完成拆卸、检修及更换工作。

②当泵体模块中的泵体出现故障，需要进行检修时，检修人员取下泵体设备支耳上的螺母，通过检修吊车将泵体吊运至设备检修更换室，利用检修机械手，经清洗管道清洗去污、压空吹扫管道吹扫干燥后检修。当需要对泵体进行更换时，通过检修人员取下泵体设备支耳上的螺母，通过检修吊车将泵体吊运至设备检修更换室进行后续处理，将新泵体吊起按照泵体模块快速安装方案进行安装。具体操作流程如图4和图5所示，泵体模块水下部件检修或者需要整体更换时，检修人员拆卸泵体设备支耳上的固定螺母，通过检修吊车将泵体模块沿滑轨缓慢吊起，并吊运至设备检修更换室，通过室外的检修机械手操作，完成清洗管道去污清洗、压空吹扫管道吹扫干燥后，废水经过排污管道排走收集，人员进入设备检修更换室进行维修或者更换。修理完成或者新更换的泵体模块，按照设备快速安装和固定的实施方案进行安装固定。

(2)设备功能模块检修

设备功能模块属于非能动部件，一般不会出现故障。在特殊情况下需要对设备功能模块进行检修和更换时，具体操作流程见图4和图5，首先按照泵体模块检修方案，拆卸泵体模块并吊运至设备检修更换室，通过检修人员取下设备功能模块水面以上支耳的固定螺母，通过检修吊车将设备功能模块缓缓吊起，设备功能模块延竖向滑轨限位向上滑动，设备功能模块脱离滑轨后，吊运至设备检修更换室，由设备检修更换室的检修机械手操作，完成清洗管道清洗去污、吹扫管道吹扫干燥后，人员进入设备检修更换室检修或更换。检修完毕或者更换新设备，通过检修吊车将设备功能模块吊出设备检修更换室进行安装更换。安装时，按照设备快速安装和固定的实施方案，设备功能模块通过竖向滑轨限位向下滑动，与设备底座对位压紧后，完成设备功能模块的安装工作。设备功能模块安装后，根据泵体模块检修和快速安装方案，通过检修吊车安装泵体模块，完成整个设备的检修工作。

3.小结与展望

乏燃料贮存水池池内设备快速安装及检修方案可广泛应用于乏燃料水池用池内换热设备和离子交换设备，此方法亦是池内换热设备和离子交换设备应用的前提，采用此方法可以有效避免池外换热设备和池外离子交换设备制造困难、安装占用空间大、有池水泄漏风险等缺点，增加池水换热和离子交换的灵活性，是我国未来乏燃料水池方案及池内设备的发展方向。

目前此类设备在国内乏燃料贮存领域工程研究较少，未来可进一步深化研究设计，更为广泛的应用于乏燃料水池内的其他壁挂设备，如池水在线剂量监测设备、在线取样设备、水下摄像系统等相关设备，便于设备的快速安装固定、检修及更换，进一步拓宽乏燃料水池池内设备应用范围。