慢化剂覆盖气系统设计缺陷及其改进

王晶晶

摘  要：作为主慢化剂系统的辅助系统，慢化剂覆盖气系统发挥着重要的作用，但由于系统设计上存在的缺陷，使得系统正常投运期间水环式压缩机无法正常疏排机械密封引漏水，导致高氚重水在疏水管线中积聚并最终从备用机械密封处泄漏到外部环境中。在机组投入正常商业运行后，随着这一缺陷问题的逐渐暴露，为此展开了一系列分析检查，最终定位了慢化剂覆盖气系统上存在的设计缺陷。通过变更压缩机疏水管线、拆除管线止回阀等一系列举措，先后经过3次改进和调整，彻底解决了系统上存在的设计缺陷问题。

关键词：水环压缩机  机封  疏水管线  设计缺陷  设计改进

中图分类号：TM623

The Design Defect of the Blanket Gas System of Moderator and Its Improvement

WANG Jingjing

（Operation Department Five，CNNC Nuclear Power operation Management Co.， Ltd.， Haiyan， Zhejiang Province， 314300 China）

Abstract： As an auxiliary system of the main moderator system， the blanket gas system of moderator plays an important role. However， due to a defect in system design， the water-ring compressor could not properly drain the leakage of the mechanical leak-off connection during the normal operation of the system， leading to the accumulation of high-tritium heavy water in the drainage pipeline and ultimately leaking from the backup mechanical seal into the external environment. After the unit was put into normal commercial operation， this defect was gradually exposed， a series of analysis and inspection were carried out， and the design defect in the blanket gas system of  moderator was ultimately located. Through a series of measures such as changing the drainage pipeline of the compressor and dismantling the check valve of the pipeline，  and the design defect in the system has been completely solved after three improvements and adjustments.

Key Words： Water-ring compressor；Mechanical seal；Drainage pipeline；Design defect；Design improvement

慢化剂覆盖气系统是CANDU堆核电机组一回路重要辅助系统，但该系统在投运后长期存在隐蔽的重水泄漏情况，反复出现的高氚状况对厂房污染控制和现场工作的开展带来了非常不利的影响。为了从根本上解决这一问题，通过系统参数检查、工艺系统现场检查、工作记录核查、氚水平监测等方式完成泄漏定位，并通过系统工艺管线变更等方式从源头上解决了设备重水泄漏的深层次问题。本文将详细阐述系统泄漏的定位和变更改造的全过程。

1  背景介绍

1.1  慢化剂覆盖气系统简述

我国秦山三期核电站为两座从加拿大引进的CANDU堆核电机组，CANDU堆与压水堆显著的差别就是有其独立的主慢化剂系统。慢化剂覆盖气系统作为主慢化剂系统的一个重要辅助系统为氦气循环提供了封闭回路，目的在于给排管容器及其组件提供一个无腐蚀和不易爆惰性气体氛围，并通过4根超压保护管进行超压保护。

1.2  泄漏情况的定位过程

两台机组在投入商业运行后，经过了102大修，1号机组慢化剂覆盖气系统主体设备区域氚剂量水平显著升高[1]，给运行人员日常巡检和操作、维修人员现场检修活动的开展带来严重的影响，为查明此状况出现的内在原因，先后进行了大量检查确认工作。

对覆盖气系统及其工艺关联系统状态进行全面核查，了解各方面参数的历史变化趋势；对以上系统分布于该区域的主体设备、工艺管道等进行现场检查，以发现可能的重水泄漏点[2]。

根据工作记录，在102大修过程中以及系统整体启动后，系统1号压缩机机封反复出现漏水情况，同时在验证过程中发现2号压缩机机封也存在同样的情况。通过采取对压缩机搭建负压棚进行剂量监测的措施，发现负压棚内部氚剂量水平远高于棚外环境值。

通过一系列的排查验证，最终确定覆盖气系统水环压缩机非驱动端机封泄出的重水就是造成区域高氚现象的源头[3]。

2  压缩机机封漏水原因剖析

2.1  慢化剂覆盖气系统工作流程简介

慢化剂覆盖气系统初始工艺流程简图如图1所示。系统内流转有气、水两相介质。图1中虚线表示为气回路，实线表示为水回路。

位于排管容器顶部自由空间的覆盖气体，经气体管线到达除雾器装置，除去混合在覆盖气体中的水分之后在预热器中进行预热，加热后的气体流入复合装置，在复合装置中催化剂钯的作用下，混合气体中的氘和氧复合生成重水。气体流经复合装置后，通过第二个阻火器，进入系统冷却器中，混合气体由冷却器管侧的循环冷却水进行冷却，冷凝下来的重水汇流到慢化剂高位箱3211-TK1中，冷却后的气体则由一台运行的压缩机从冷却器壳侧抽取后排入高位箱并通过气管线进入排管容器顶部自由空间[4]，从而形成了覆盖气体在系统内的封闭循环。系统正常运行期间通过一组投运的氦气瓶组进行补气，由两个压力调节阀逐级进行调压，维持供气压力在24 kPa，两个并列安装在排管容器超压保护通道出口的排气阀3231-PV1、PV2在30 kPa时打开排气以避免系统超压。

正常运行时，压缩机的密封水由主慢化剂泵出口经过慢化剂毒物添加系统的延迟箱供应到压缩机密封端，压缩机机械密封疏水则排放到慢化剂高位箱3211-TK1中。当主慢化剂泵停运时，密封水的供水动力由覆盖气体系统增压泵来提供。

2.2  压缩机机封漏水问题解析

参照系统流程图，根据系统设计要求，在除雾器前专门设置了水封管线，通过该段水封的阻隔[5]，系统运行压力不会直接作用到压缩机机封疏水管线。但该水封的实际高度所产生的静压比覆盖气系统正常运行压力要小，水密封不能有效阻气，并且除雾器处水封段、冷凝器疏排段与机封引漏管三者直接连接在一起（如图1所示），使得压缩机机封引漏管上的两个止回阀V48和V49都要承受系统的工作压力，本身这两个止回阀就存在一定的开启压力，在双重因素作用下止回阀不能正常打开，机封泄漏[2]重水不能顺利排出，只能在疏水管内不断蓄积，最终满溢外漏。

在后续的检查中还发现，1号压缩机机封引漏管上的止回阀存在内漏也是导致重水外漏的一个原因[6]。

2.3  最终分析结论

从表面看压缩机机械密封泄漏的直接原因是止回阀泄漏导致覆盖气压力反冲引起的，但通过上面的分析可以看出，压缩机机封疏水回路本身存在设计缺陷是导致重水外漏的根本原因，这一缺陷问题如果得不到解决，将导致压缩机机封疏水管内积存的放射性重水反复泄漏到反应堆厂房，重水损失增加，也会导致严重的厂房环境污染。

3  系统设计缺陷变更完善历程

3.1  机封引漏管改接至气体色谱分析系统

针对系统中存在的上述设计缺陷，准备并组织实施了临时变更，将压缩机机封引漏管与其他两段管线断开连接，单独增设引漏管线至气体色谱分析系统电磁阀SV63/64下游疏水管上，接收水箱由重水高位箱3211-TK1改为了慢化剂重水收集系统收集箱3251-TK1，从而使得压缩机机械密封引漏管上的止回阀V48/V49不再承受覆盖气系统工作压力。安装时在疏水管布置上留出一定的位差，保证引流重水依靠重力能克服新增逆止阀V103的正向开启阻力。由于3251-TK1的位置远低于3211-TK1，也让疏排变得更为顺畅。

变更完成后效果明显，在1号压缩机试转过程中没有出现机封漏水，但是压缩机投运时间不长，机封漏水情况又再次出现。

3.2  机封引漏管改接至收集箱

对于压缩机投运之后又出现漏水的情况，再次开展调查，发现原因在于与覆盖气系统直接关联的气体色谱分析系统。该系统有两根气体取样管线直接与覆盖气系统气空间相连，通过该气管线实现对覆盖气系统气体成分的在线取样分析；在这两根气体取样管线上装设有分离器以及配套的电磁阀SV63/64，根据电磁阀内部的设定会定时打开一段时间，以便将对应分离器中分离出来的水分排放到收集箱3251-TK1中，在电磁阀开启后会导致覆盖气系统气空间直接与疏水管线相通；这样系统24 kPa左右的工作压力将直接作用于疏水管线，由于压缩机机封疏水管线与电磁阀疏水管线是连接在一起的，压力反冲作用下压缩机机封疏水管线止回阀承压无法打开，导致不能正常疏排水。

在找到问题的根源之后，有针对性地将系统管线再次进行了改造，断开压缩机机封疏水管线与气体色谱分析系统电磁阀下游疏水管线之间的连接，加装直通收集箱3251-TK1的疏水管线，这样压缩机机封疏水可以直接排放到收集箱中，从而彻底消除了气体色谱分析系统的影响，同时收集箱在正常运行期间其气空间维持负压，为压缩机机封疏水创造了更为便利的条件。

3.3  机封引漏管线止回阀拆除

在上次变更完成后，情况有了明显的好转，但是在实际运行中又观测到第一次变更后在疏水管线上新增设的止回阀V103对压缩机机封疏水存在一定的阻碍作用，最初设置该止回阀是考虑与气体色谱分析系统疏水管线相连可能存在的疏水反冒的风险，但是在经过第二次变更之后，两个系统之间的疏水已经完全分开，互相不受影响，且在收集箱与重水蒸气回收系统排气管线相通的情况下，也不太可能出现收集箱中的重水沿着压缩机机封疏水管线溢流到压缩机的情况，经过综合评估，再次对系统变更进行了修改，将第一次变更中新增的止回阀V103进行了拆除处理，为压缩机机封疏水进一步扫清了障碍。

4  变更成效

在经历了3次设计变更后，通过持续的跟踪观察，在两台压缩机运行期间，压缩机基座平台再没有出现过重水水迹，压缩机机封漏水的问题得到了根本性解决。

5  结语

慢化剂覆盖气系统设计上的缺陷，从发现到最终解决，经历了一个较长的时间历程，从最初泄漏情况的出现引起关注重视，到开展一系列分析检查，多方验证完成泄漏点的定位，再到设计改进过程中，从系统管线变更，机封疏水管线止回阀的拆除，再到后期修改管路布线，设计方案在调整过程中一步步得到了完善，并最终完美地解决了系统设计上存在的缺陷问题。实践是积累经验的有效途径，这一次实践活动，为今后发现和处理系统、设备上的缺陷问题提供了良好的借鉴意义。

参考文献

[1]杨远来，米红松，杨立亚，等.主给水泵机封泄漏原因查找及维护策略研究[J].设备管理与维修，2023（15）：113-115.

[2]顾为柏，赵佳禹，童俊力，等.方家山低加疏水泵机械密封失效原因分析及处理[J].中国机械， 2023（12）：93-96.

[3]谭继勇，代济岭，王仕博，等.重水堆废气处理系统压缩机停运原因分析及处理[J].仪器仪表用户，2023，30（2）：46-50，64.

[4]张妍，樊登宁，黄宇，等.大型加压重水反应堆隐蔽攻击方法研究[J].核动力工程，2021，42 （3）： 132-139.

[5]邓建国.某焦化厂冷鼓区VOCs治理技术研究[D].北京：北京化工大学，2020.

[6]郭加利，张鑫彬，王晓露，等.某无泄漏单向阀结构的分析与应用[J].液压气动与密封，2023，43（8）：97-100.