乏燃料貯存水池池內(nèi)設(shè)備快速安裝及檢修方案設(shè)計

＊董文杰 歐陽再龍 史惠杰 秦永泉

（中國核電工程有限公司 北京 100840）

在乏燃料濕法貯存設(shè)施中，池水換熱設(shè)備和離子交換設(shè)備是貯存水池的關(guān)鍵設(shè)備。池水換熱設(shè)備承擔(dān)著將乏燃料組件的衰變熱通過池水帶走，并在正常工況下維持乏燃料貯存水池的池水溫度在安全范圍內(nèi)的功能。池水離子交換設(shè)備承擔(dān)著利用離子交換樹脂的離子交換能力對池水進(jìn)行處理，有效去除池水中的銫和鈷等放射性金屬離子及氟、氯等加速不銹鋼腐蝕的離子，保證池水放射性不超過限值，保障工作人員安全的功能[1]。

根據(jù)布置位置的不同，設(shè)備布置于乏燃料水池外或者水池內(nèi)，分為池外方案和池內(nèi)兩種方案。池外方案是在乏燃料水池外進(jìn)行冷卻和凈化，需要將池水輸送至水池外進(jìn)行冷卻和離子交換，適合在堆乏燃料水池和普通容量離堆乏燃料水池。池外方案具有一定的局限性，池水輸送至水池外有造成泄漏污染的風(fēng)險[2]。同時隨著乏燃料貯存水池容量越來越大，池外方案的設(shè)備尺寸和設(shè)備數(shù)量大大增加，帶來設(shè)備制造、安裝、固定、檢修及更換困難等問題，因此，大容量乏燃料貯存水池一般采用池內(nèi)冷卻和離子交換方案。池外和池內(nèi)兩種方案的換熱和離子交換設(shè)備的形式不同且池內(nèi)方案在國內(nèi)工程尚未應(yīng)用，對此類設(shè)備的快速安裝和檢修研究較少，因此根據(jù)我國未來乏燃料濕法大容量貯存需求[3]，針對大容量乏燃料貯存水池池內(nèi)冷卻、離子交換方案的設(shè)備快速安裝及檢修方案設(shè)計進(jìn)行研究。

1.設(shè)備快速安裝方案設(shè)計

在池內(nèi)冷卻和離子交換的方案中，池水換熱設(shè)備和池水離子交換設(shè)備均為模塊化集成式設(shè)備，其中池水換熱設(shè)備由泵體模塊、換熱功能模塊和底座組成，池水離子交換設(shè)備由泵體模塊、離子交換凈化功能模塊和底座組成。池水換熱設(shè)備和池水離子交換設(shè)備形式類似，安裝固定方式[4]相同。

底座位于設(shè)備的最下部，浸泡在池水內(nèi)，兩種設(shè)備功能模塊換熱功能模塊和離子交換凈化功能模塊位于底座上部，亦浸泡在池水內(nèi)，泵體模塊位于功能模塊上方，部分浸泡在池水中，泵體電機(jī)等帶電部分位于池水外。設(shè)備整體安裝在乏燃料水池內(nèi)壁上，池壁設(shè)置滑軌對設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)向定位安裝，水池墻壁上設(shè)置間距不同的三組設(shè)備支架、底部設(shè)置支架對設(shè)備進(jìn)行固定，其中包括對功能模塊以及泵體模塊的固定。設(shè)備在設(shè)計中，充分考慮易于安裝的設(shè)備方案。池水換熱設(shè)備和池水離子交換設(shè)備安裝固定圖如圖1、圖2和圖3所示。底部支撐支架、滑軌及池壁上的三組設(shè)備支架需要在水池建造過程中提前安裝就位。

圖1 設(shè)備安裝固定圖主視圖

圖2 設(shè)備安裝固定圖側(cè)視圖

圖3 設(shè)備安裝固定圖俯視圖

(1)底座快速安裝

底座的安裝需要在乏燃料水池建造完畢，尚未注水前進(jìn)行。底座位于設(shè)備最下部，在水池墻壁上設(shè)置底部支撐支架和豎向滑軌，底座安裝時在吊車的吊運下，通過豎向滑軌限位緩緩滑下，與底部支撐支架接觸精確對位后，通過焊接將底座與底部支架固定，從而完成底座的快速安裝。底座為非能動設(shè)備，只需一次安裝固定，乏燃料水池投用后，在設(shè)施壽期內(nèi)不需要檢修和更換。

(2)設(shè)備功能模塊快速安裝

設(shè)備功能模塊即池水換熱設(shè)備的換熱功能模塊及池水離子交換設(shè)備離子交換凈化功能模塊。設(shè)備功能模塊位于底座的上部，在水池墻壁上設(shè)置間距不同的三組懸臂支架用于支撐設(shè)備功能模塊，其中兩組支架位于水面下，此兩組支架上設(shè)有圓柱銷，一組支架位于水面最高液位以上，方便人員操作，此組支架上設(shè)有螺柱用于固定。同時在池壁上設(shè)置豎向滑軌，設(shè)備功能模塊安裝時在吊車的吊運下，通過豎向滑軌限位滑下，以保證設(shè)備安裝精度。設(shè)備功能模塊設(shè)有不同長度和角度的支耳，并對支耳進(jìn)行打孔，支耳的長度、開孔位置及大小與水池墻壁懸臂設(shè)備支架上的圓柱銷或螺柱相匹配。底座承擔(dān)功能模塊的豎向力。設(shè)備功能模塊安裝后，位于水面下的兩組支耳與水面下懸臂支架上的圓柱銷相匹配，支耳和圓柱銷對設(shè)備功能模塊進(jìn)行周向固定。位于水面上的一組長支耳與水面以上一組懸臂支架上的螺柱相匹配，通過螺母將支耳與懸臂支架的螺柱擰緊，支耳和螺柱對功能模塊起到周向固定的同時，在豎向上固定整個功能模塊。整個安裝過程通過吊車和人員簡單操作可以快速實現(xiàn)。

池水換熱設(shè)備是乏燃料濕法貯存設(shè)施中導(dǎo)出組件衰變熱保證設(shè)施安全的關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)EJ/T 939-2014《核燃料后處理廠建（構(gòu)）筑物、系統(tǒng)和部件的分級原則》[5]相關(guān)要求，池水換熱設(shè)備的安全等級為RS-2，質(zhì)保等級為QA2，屬于放化安全級設(shè)備。此要求提高了對設(shè)備快速安裝方案的要求。經(jīng)過設(shè)備計算，設(shè)備滑軌與周向定位固定、豎向定位固定相結(jié)合，除了能快速安裝固定，亦滿足設(shè)備安全級的要求。

(3)泵體模塊快速安裝

泵體模塊包含泵體和電機(jī)兩部分。泵體模塊位于設(shè)備功能模塊的上部，在水池墻壁上設(shè)置一組懸臂設(shè)備支架用于支撐泵體模塊，每個支架上設(shè)有螺柱，支架高于池水最高液面，方便安裝時的人員操作以及后續(xù)的檢修工作，同時在池壁上設(shè)置豎向滑軌，泵體模塊安裝時在吊車的吊運下，通過豎向滑軌限位滑下，與其下部的設(shè)備功能模塊精確對位，并將其壓緊，泵體模塊設(shè)有支耳，對支耳進(jìn)行打孔，支耳的長度、開孔位置及大小與懸臂支架上的螺柱相匹配。泵體模塊安裝完成后，通過螺母將泵體模塊支耳與懸臂支架的螺柱擰緊，支耳和螺柱對泵體起到周向固定的同時，在豎向上固定泵體模塊。待泵體安裝完成后，最后通過吊車和人員將泵體的電機(jī)部分安裝在泵體上部，完成整個設(shè)備安裝。

從設(shè)備快速安裝方案設(shè)計可以看出，乏燃料貯存水池池內(nèi)設(shè)備通過模塊化集成式設(shè)計，將泵體模塊、設(shè)備功能模塊和底座及相應(yīng)的設(shè)備支耳與池壁上豎向限位滑軌、設(shè)備支架、圓柱銷、螺柱精巧配合，使設(shè)備的主體部分快速周向固定和豎向固定，滿足設(shè)備安全要求的同時，可以實現(xiàn)快速安裝，是未來乏燃料貯存水池池內(nèi)設(shè)備的發(fā)展方向之一。

2.設(shè)備檢修方案設(shè)計

根據(jù)水池的容量和乏燃料組件釋熱量，池水換熱設(shè)備和池水離子交換設(shè)備整體設(shè)備高度10m左右，根據(jù)前述介紹，池內(nèi)設(shè)備已采用模塊化集成式設(shè)計，若設(shè)計為一個整體設(shè)備，吊裝及后續(xù)的檢維修都是非常困難的。乏燃料貯存水池池內(nèi)冷卻、離子交換設(shè)備在設(shè)計上已經(jīng)考慮非能動概念[6]，一般不需要對設(shè)備水下部分進(jìn)行檢修。在特殊情況下需要對設(shè)備檢修時，由于池水的放射性，在模塊化集成式設(shè)計的基礎(chǔ)上，為滿足對檢修人員輻射防護(hù)要求，池水換熱設(shè)備和池水離子交換設(shè)備的檢修方案需要進(jìn)行特殊考慮，采用設(shè)置設(shè)備檢修更換室和檢修機(jī)械手的間接檢維修方式。主要措施為設(shè)置專用的設(shè)備檢修更換系統(tǒng)，檢修更換系統(tǒng)包括設(shè)備檢修吊車、設(shè)備檢修更換室、壓空吹掃管道，清洗去污管道，排污管道。泵體模塊設(shè)備檢修示意圖如圖4，設(shè)備功能模塊設(shè)備檢修示意圖如圖5所示。在設(shè)備進(jìn)行檢修和更換時，由于水池內(nèi)裝有乏燃料組件且組件無法移動，因此乏燃料水池處于滿水狀態(tài)以保證屏蔽效果。泵體模塊的支耳、相匹配的支架及電機(jī)等組件位于水面之上，設(shè)備功能模塊上部一組支耳、相匹配的支架位于水面之上，設(shè)備功能模塊下部兩組支耳、相匹配的支架、底座在水下。通過吊車和檢修人員可以打開位于水面之上的所有固定螺栓，開展設(shè)備的檢修。

圖4 泵體模塊設(shè)備檢修示意圖

圖5 設(shè)備功能模塊設(shè)備檢修示意圖

(1)泵體模塊檢修

①泵體模塊常規(guī)情況只檢修電機(jī)部分。電機(jī)位于池水上部，不與池水接觸，設(shè)備上方設(shè)置檢修吊車，當(dāng)泵體模塊的電機(jī)出現(xiàn)過故障時，可通過檢修吊車在檢修人員輔助下進(jìn)行直接操作，完成拆卸、檢修及更換工作。

②當(dāng)泵體模塊中的泵體出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行檢修時，檢修人員取下泵體設(shè)備支耳上的螺母，通過檢修吊車將泵體吊運至設(shè)備檢修更換室，利用檢修機(jī)械手，經(jīng)清洗管道清洗去污、壓空吹掃管道吹掃干燥后檢修。當(dāng)需要對泵體進(jìn)行更換時，通過檢修人員取下泵體設(shè)備支耳上的螺母，通過檢修吊車將泵體吊運至設(shè)備檢修更換室進(jìn)行后續(xù)處理，將新泵體吊起按照泵體模塊快速安裝方案進(jìn)行安裝。具體操作流程如圖4和圖5所示，泵體模塊水下部件檢修或者需要整體更換時，檢修人員拆卸泵體設(shè)備支耳上的固定螺母，通過檢修吊車將泵體模塊沿滑軌緩慢吊起，并吊運至設(shè)備檢修更換室，通過室外的檢修機(jī)械手操作，完成清洗管道去污清洗、壓空吹掃管道吹掃干燥后，廢水經(jīng)過排污管道排走收集，人員進(jìn)入設(shè)備檢修更換室進(jìn)行維修或者更換。修理完成或者新更換的泵體模塊，按照設(shè)備快速安裝和固定的實施方案進(jìn)行安裝固定。

(2)設(shè)備功能模塊檢修

設(shè)備功能模塊屬于非能動部件，一般不會出現(xiàn)故障。在特殊情況下需要對設(shè)備功能模塊進(jìn)行檢修和更換時，具體操作流程見圖4和圖5，首先按照泵體模塊檢修方案，拆卸泵體模塊并吊運至設(shè)備檢修更換室，通過檢修人員取下設(shè)備功能模塊水面以上支耳的固定螺母，通過檢修吊車將設(shè)備功能模塊緩緩吊起，設(shè)備功能模塊延豎向滑軌限位向上滑動，設(shè)備功能模塊脫離滑軌后，吊運至設(shè)備檢修更換室，由設(shè)備檢修更換室的檢修機(jī)械手操作，完成清洗管道清洗去污、吹掃管道吹掃干燥后，人員進(jìn)入設(shè)備檢修更換室檢修或更換。檢修完畢或者更換新設(shè)備，通過檢修吊車將設(shè)備功能模塊吊出設(shè)備檢修更換室進(jìn)行安裝更換。安裝時，按照設(shè)備快速安裝和固定的實施方案，設(shè)備功能模塊通過豎向滑軌限位向下滑動，與設(shè)備底座對位壓緊后，完成設(shè)備功能模塊的安裝工作。設(shè)備功能模塊安裝后，根據(jù)泵體模塊檢修和快速安裝方案，通過檢修吊車安裝泵體模塊，完成整個設(shè)備的檢修工作。

3.小結(jié)與展望

乏燃料貯存水池池內(nèi)設(shè)備快速安裝及檢修方案可廣泛應(yīng)用于乏燃料水池用池內(nèi)換熱設(shè)備和離子交換設(shè)備，此方法亦是池內(nèi)換熱設(shè)備和離子交換設(shè)備應(yīng)用的前提，采用此方法可以有效避免池外換熱設(shè)備和池外離子交換設(shè)備制造困難、安裝占用空間大、有池水泄漏風(fēng)險等缺點，增加池水換熱和離子交換的靈活性，是我國未來乏燃料水池方案及池內(nèi)設(shè)備的發(fā)展方向。

目前此類設(shè)備在國內(nèi)乏燃料貯存領(lǐng)域工程研究較少，未來可進(jìn)一步深化研究設(shè)計，更為廣泛的應(yīng)用于乏燃料水池內(nèi)的其他壁掛設(shè)備，如池水在線劑量監(jiān)測設(shè)備、在線取樣設(shè)備、水下攝像系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備，便于設(shè)備的快速安裝固定、檢修及更換，進(jìn)一步拓寬乏燃料水池池內(nèi)設(shè)備應(yīng)用范圍。