压水堆核电厂水池边防异物风险分析及水下异物打捞方案

林益销，王天蔚，陈坚刚，吴舜华，郭兆宝，田永亮

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314303)

0 引言

核电厂大修或日常期间，水池区域可能会产生异物，会严重影响机组正常运行。由于核电厂结构复杂，又兼具了辐射、水下、高温、高压等特点，给水下异物打捞工作带来了极大的困难。为此，核电厂需要开发一套成熟的防异物措施以及水下异物打捞方案。

本文分析了压水堆核电厂日常运行或换料大修期间存在的异物落入水池的风险和可以采取的防异物措施，以及在堆芯水池、构件池、乏燃料水池、装载井等满水状况下，发现异物后打捞异物的方法。

1 异物风险分析

1.1 反应堆厂房堆芯水池异物风险(大修)

大修期间，异物落入堆芯水池的风险主要来自于压力容器开盖，上部堆内构件吊装和装卸料期间。

压力容器开盖螺栓拉伸期间，近10人在水池底部作业，会用到螺栓拉伸机等大量专业工具，存在较大的异物遗留风险。

上部堆内构件吊装期间，作业人员需将三角吊具与上部堆内构件通过连接螺母啮合锁住。此时，作业人员需爬上吊具作业平台进行作业，异物风险不仅来自于吊具本身的零部件(螺栓、螺母连接件等)，还来自于作业人员的随身物品(笔、工具、衣物等)。

装卸料期间，包括光枪的安装、卸料演练、卸料、装料演练、装料以及光枪的拆除等，大量的作业人员需要在水池边走动，并且用到工器具进行作业。作业期间，装卸料机在水池上方移动上百次，由于时间跨度长，人员流动大，异物风险主要来自于装卸料机、作业工具、作业人员随身异物等。

1.2 燃料厂房乏燃料水池异物风险(日常)

新燃料接收期间，异物可能来自于：1)新燃料生产和运输前准备过程中产生的碎片；2)新燃料运输容器中的塑料袋和避震海绵产生的碎片；3)湿式储存的新燃料入水时，人桥吊车司机和抓具操作员随身携带的物品及个人防护用品等。

机组日常运行和装卸料期间，乏燃料水池边存在着大量作业，各种透明的塑料制品，常用的工器具(螺栓、螺母等)，以及人员随身物品(纸、笔等)和个人防护用品都可能产生异物，墙体漆皮剥落也是水池异物产生的一大原因。

2 异物种类分析

发现水池中存在异物后，首先要对异物进行全面的分析，才可以制定相应的打捞异物的方法。

2.1 异物的材料

按照异物的材料可以将异物分为金属异物、磁性异物、易碎异物，进而进一步确认打捞的方法。异物的材料主要通过望远镜或者水下摄像装置的观察来判断，也可通过判断异物的来源去判断异物的材料。水池异物来源可分为三部分：水池边设备本身的零部件、维修时用于维修的零部件、工作人员随身用品和个人防护用品或用于捆绑的绑扎带、胶带等。若异物为金属材料，可采用重锤、磁力吸取或气动夹钳进行打捞，若异物为其他不具有磁性的材料，可采用重锤、气动夹钳或水下真空装置进行打捞。

2.2 异物的大小

对异物的大小进行判断。若异物尺寸较小，可用重锤、磁力吸取进行打捞作业；若异物尺寸大于10 mm，可用水下异物打捞工具的气动钳子进行打捞；若异物为尘埃或絮状物时(≥25 μm)，可用水下真空装置吸取。

一般来说，异物表面积越大，所受的阻力也就越大，进行打捞作业时需要撮箕或打捞网进行配合，防止打捞出的异物二次掉落。

2.3 异物的位置

对异物所处的位置进行分析，若处于孔洞边界，制定打捞方案时，一定要考虑到二次跌落的风险，可采用撮箕、打捞网等进行辅助打捞；若处于孔洞中，可用水下真空装置进行吸取。

3 水下摄像装置的应用

制定打捞异物方案前，我们必须对异物进行充分的观察，对其材料、大小、位置各方面都要有详细的了解才可以制定相应的打捞方案。此时水下摄像装置就给我们观察分析异物提供了极大的帮助。

秦山核电采用的水下摄像装置由摄像机本体、一体式控制机箱、水下电缆、水上电缆等组成，如图1所示。

图1 摄像机本体

使用水下摄像装置前，应注意以下几点：

1)检查两面端盖的螺钉是否有松动现象，如有必须用专业工具拧紧再下水使用，防止异物掉落；检查设备外观有无划痕，主要查看玻璃罩有无破损，如有必须更换后再下水使用。

2)设备使用前必须加气，充气量一般以状态显示屏上的气压值达到1.1～2.2 bar为准(气压不在此范围时，控制机箱会发出声光报警，提示应向主体内部充气)。在加气过程中如果发现气压始终不足，或有漏气现象，则说明本体防水密封可能出现问题，禁止下水使用，请及时联系厂家解决。

3)正式开始工作前，在控制器上按“上、下、左、右”方向键，观察摄像机动作，测试摄像机云台工作正常。

4)在控制器上按“光圈、焦距、变倍”调节键，观察数据工控机上的实时图像变化，测试摄像机的镜头工作正常。

5)在控制器上开启摄像机照明开关，调节照明亮度按钮，观察摄像机照明灯的亮度变化，测试摄像机照明正常。

使用完毕后将水下摄像机拿出水池，检查有无部件遗失。

4 异物打捞方法

4.1 磁力吸取打捞

首先，用望远镜或者水下摄像装置进行观察，对异物进行分析，若观察到异物为体积较小的金属异物，如螺栓、螺母、小零件等，可以被磁力吸取(一般铁、钴、镍等物质以及它们的合金都能被磁铁吸引)，则用磁铁进行吸取打捞，磁铁不宜过大，否则易吸附在隔架或者金属设备上。此方法有着便捷且准确的优点。

4.2 重锤粘取打捞

通过观察，对异物的形状大小进行判断。若异物尺寸较小，可用重锤(见图2)粘取。主要方法是用胶带反向包裹住重锤，将重锤放入水中，对准异物，利用胶带的黏性将异物打捞出水面。

图2 重锤

重锤有圆柱形重锤和圆锥形重锤，上部为绑扎环，用来捆绑牵引绳，圆锥形塞子(见图3)主要用于塞住孔洞，塞子尺寸要略大于堆芯下栅格板流水孔。为了防止被粘起的异物二次跌落，采用撮箕和打捞网配合打捞。重锤打捞法拥有方便快捷的优点。

图3 塞子

4.3 水池异物打捞专用工具打捞

水池异物打捞专用工具用于法兰支撑面、反应堆压力容器底部、乏燃料水池底部异物的吸取、打捞和收集。该方法的优点是可针对多种异物进行打捞，可靠性高，缺点是操作较为复杂，用到的设备较多。

水池异物打捞专用工具主要包括：水下气动夹钳、水下真空装置(潜水泵、吸口管、接杆、收集管)、加长杆及支撑转动机构、控制箱及手操盒、收集篮、堆芯重锤及塞子等。设备构成见图4。

图4 水池异物打捞专用工具构成示意图

4.3.1 水下真空装置

水下真空装置主要由潜水泵、接杆等部件组成，收集管和潜水泵通过快换接头进行连接，内衬滤网。收集管与滤网之间会形成异物抽吸的储存空间。滤网过滤精度有三种规格：25 μm、100 μm、1.2 mm。精度为25 μm的滤网适用于打捞小至0.025 mm的絮状物或者尘埃，精度为1.2 mm的滤网适用于打捞尺寸≤38 mm的异物，精度为100 μm的滤网适用于打捞前述两者之间的异物。图5为水下真空装置。

图5 水下真空装置

水下真空装置潜水泵正向运转时，提供吸力，会在泵体内负压，通过吸口管可将管口的异物连同液体一起吸入装置内，收集在滤网内部。

水下真空装置潜水泵反向运转时，水流方向改变，异物反向排出装置，可存于收集篮中。

控制箱提供6个正转速度和6个反转速度，可控制潜水泵正反向旋转并调节转速高低，以改变水流方向及流速。控制箱配有30 m电源电缆，15 m手操盒控制电缆，30 m潜水泵防水电缆，使潜水泵可在距离电源约60 m的地方运行。

4.3.2 气动夹钳

气动夹钳可用于夹取水下真空装置不容易打捞的长杆件和其他便于夹取的异物。结构如图6所示。

图6 气动夹钳

水下气动夹钳主要由气缸、上下夹钳、控制气阀及管、加长杆、缸钳连接件、钩索等部分组成。气源压力0.6 MPa。夹钳的气缸活塞杆和活动杆相连，夹钳的开合由气缸伸缩来带动，从而实现了对水下异物的夹取。当钳夹夹住异物时，如果没有给出松开夹钳指令，钳夹不会自行松开异物。

夹钳配合异物打捞专用工具完成水下卸掉吸口管、滤网及滤网罩的组合体的工作。在其他状态时还可打捞部分水下真空装置无法吸取的异物(如细长的铁丝等)。

气动夹钳需与加长杆配套使用。

5 异物打捞案例分析

乏燃料转运前，对乏燃料进行目视检查后，发现8组乏燃料组件上管座存在白色异物。如图7所示。

图7 异物

通过水下摄像装置，可观察到该组件上管座区域存在两块白色异物。从图片中对异物进行材料、大小、位置三方面的分析。

从异物的外观可以初步判断，该异物为厂房顶部或墙体的漆皮掉落，大小约为5 cm×5 cm，位置位于乏燃料组件的上管座位置。所以选择采用水池异物打捞专用工具中的水下真空装置进行异物打捞。

根据目标物体选择合适的滤网，并安装好收集管。较大异物用过滤精度为1.2 mm滤网收集管(抽吸口为直口)，粉尘状异物使用25 μm滤网收集管(抽吸口为斜口)。考虑到漆皮被泵吸取后容易变成粉末，所以采用精度更高的滤网。

按需连接加长杆。加长杆的上部通过横杆，固定在桥上支撑转动机构的转动夹持座上，用夹持座上的搭扣锁住；同时用绞盘的挂钩绳索组合分别钩住将加长杆的相应孔。

将吸尘装置插入水中，在设备刚浸入水时，用手操盒控制，做一个短时间的低速正反转运行试验。无异常后，“运行开关”置于停止位。

图8和图9为水下真空装置组装和入水的照片。

将水下真空装置缓慢下移至指套管保护管上部附近。通过绞盘、支撑转动机构、换料机的移动使收集管口对准目标区域或异物。是否移动至目标位置，可通过水下监视系统的显示屏或者望远镜观察。

一人握稳手柄，另一人将手操盒“运行开关”置为“工作”位，“转速选择开关”置于“4”档，“流量方向开关”置于“抽吸”位。运行约10 s，待异物被吸入后(通过显示屏观察)，通过绞盘起吊水下真空装置并横移，将收集管口移至收集篮口上部。通过绞盘下移收集管插入篮口。关闭“运行开关”，确认电机停止工作，“流量方向开关”置于“停止”。必要时启动潜水泵反向工作状态，运行约10 s，待异物排出后，抽出收集管，移开水下真空装置。

将水下真空装置移至下个目标物，重复上述两个步骤，直至全部异物被移入收集篮。打捞工作如图10所示。

打捞结束后，乏燃料组件上管座异物消失，如图11所示。

图11 打捞结束后组件图片

打捞工作完成后，将装置收起升出水面。装置升出水面时，应确认装置的安全剂量。设备进入水下的部分，按照核电厂的规程，进行清洁，然后再进行拆卸。

6 防异物措施

6.1 大修水池防异物措施

1)检查并确认辐射防护人员建立了20 m的防异物措施，并禁止与操作无关人员在水池边进行作业或参观；

2)检查并确认所有人员佩戴的电子剂量计、热释光、眼镜等物品固定牢靠，与操作无关的物件不许带上操作台；

3)设备检修时应将装卸料机开至安全区域，主管确认在设备上已铺好防异物用的塑料布，检修工具应用绳子系好并拴在工作人员手上，要求检修人员对携带工具进行登记工作；

4)进入隔离区的所有物项和人员都必须进行防异物登记，无关人员和物项不准进入异物排除区域；

5)作业人员进入防异物区域之前，应该仔细检查随身携带的工器具、材料的完整性，是否存在损坏、松动的情况，确认表面有无粘污和易脱落的油漆[1]；

6)堆芯作业人员需对使用的工器具进行全面检查，包括常用工具、专用工具、临时装置等，检查内容包括零部件是否紧固、是否有油漆脱落、是否夹带异物等，新设计制造的工具应检查验收合格证明[2]。

7)作业中使用的工器具、零部件和各种材料、拆下的紧固件等物品应该妥善放置，防止跌落。现场作业时产生的废物和垃圾严禁随意摆放，必须合理放置，分类摆放，工作结束后及时清理并且带出现场；

8)消耗品管理是换料水池防异物区的管控难点。可考虑的措施如：防异物区域内轻易不要使用钢丝刷(除获指定领导的特别批准)；对于焊条、砂轮片，制定以旧换新制度确保消耗品控制[3]。

9)工作结束后，检查工作人员个人防护用品是否保持原状，并对防异物隔离区内的清洁情况进行全面检查，保证工作区域的清洁，核对物项登记表中的工器具、材料等，避免遗漏在系统或设备内。

6.2 日常水池防异物措施

日常期间存在防异物风险的主要是燃料厂房，开展新燃料接收、乏燃料转运或者涉及乏燃料水池边的设备的维修等工作。

新燃料接收和乏燃料转运工作开展前，规定进行防异物检查，对作业用到的工器具进行全面检查，观察是否存在松动、掉漆等情况。

维修作业时，不能手握施工器具上下梯子，不允许在水池上方用手传递工具或物品，以免异物掉入水池。

其余防异物措施可参考6.1大修期间的防异物措施来实行。

7 结论

本文主要对压水堆核电厂异物进入堆芯水池、构件池、乏燃料水池等区域进行了风险分析，阐述了针对不同异物，应该采取何种方案进行打捞。并且总结了目前池边作业我们可以采取的防异物措施。异物进入水池对于核电厂的正常运行存在着极大的危害，我们还是要真正做到“预防为主”，做好防异物培训，落实防异物措施，希望本文可以为国内外压水堆核电厂水池边防异物措施和水下异物打捞提供指导和借鉴。