后處理廠溶劑再生系統(tǒng)始發(fā)事件的FMEA評價(jià)

呂丹1，李銳柔2，張春龍1，劉運(yùn)陶1,*，張敏1，童節(jié)娟3，趙軍3

(1.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京100082；2.中國核電工程有限公司，北京100840；

3.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京100084)

摘要：識(shí)別始發(fā)事件是事故分析的基礎(chǔ)。目前后處理廠對始發(fā)事件的識(shí)別尚未形成通用方法。本文以后處理廠共去污分離循環(huán)的溶劑再生系統(tǒng)為研究示范對象，采用失效模式和影響分析(FMEA)的工程評價(jià)方法識(shí)別和篩選始發(fā)事件。分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)始發(fā)事件的類型主要包括：包容放射性物料的邊界(設(shè)備、管道、閥門)破損泄漏；酸、堿洗槽界面測量儀表失效；各貯槽和洗滌槽液位測量儀表失效；污溶劑接受槽有機(jī)相出口計(jì)量泵軸封泄漏。經(jīng)與美國后處理廠安全分析報(bào)告和國外后處理事故實(shí)例比較，F(xiàn)MEA方法分析結(jié)果對于設(shè)備失效所致的事故具有良好的包絡(luò)性和適用性。因此，該方法可作為選取始發(fā)事件的參考方法，并可推廣應(yīng)用到后處理廠的其他工藝流程系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：后處理；溶劑再生；始發(fā)事件；分析

中圖分類號：TL24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-08-04;修回日期：2014-10-08

作者簡介：呂丹(1985—)，女，湖北武漢人，工程師，碩士，化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2106

*通信作者：劉運(yùn)陶，E-mail: lyenergetic@sohu.com

Initial Event Evaluation of Solvent Regeneration System

in Reprocessing Plant by FMEA

LV Dan1, LI Rui-rou2, ZHANG Chun-long1, LIU Yun-tao1,*,

ZHANG Min1, TONG Jie-juan3, ZHAO Jun3

(1.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China;

2.ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,China;

3.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The identification of initial events is the basis of accident analysis. Currently, in the accident analysis of nuclear fuel reprocessing plants, the general method for initial event identification still has not been established. Taking solvent regeneration system of decontamination cycle in the reprocessing plant as the research example, the engineering reliability evaluation method of the failure modes and effects analysis (FMEA) was applied to the identification and screening of initial events. The analysis results show that the types of initial events mainly consist of the leakage from the breakage of the boundary of radioactive material confinements (including equipment, pipes and valves), the failure of interface measuring instruments of acid or alkaline washing mixed-settler, the failure of liquid level measuring instruments of each storage tank or washing mixed-settler, as well as the shaft sealing leakage of the organic phase export metering pump for contaminated solvent reception tank. With the comparison of the reprocessing plant safety analysis reports of the United States and the actual accident examples of foreign reprocessing plants, the analysis results of FMEA method show good coverage and practicability to the accidents caused by equipment failure. Therefore, the FMEA method can be used as a reference method for initial events selection, and can be popularized to other process systems of reprocessing plants.

Key words：reprocessing; solvent regeneration; initial event; analysis

核燃料后處理是實(shí)現(xiàn)核燃料循環(huán)再利用的重要環(huán)節(jié)。目前國際上后處理廠普遍采用濕法Purex流程，該流程使用有機(jī)溶劑(30%磷酸三丁酯-煤油)對鈾、钚進(jìn)行萃取、純化。為實(shí)現(xiàn)廢物最小化，提高有機(jī)溶劑的使用效率，后處理廠主工藝流程中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的溶劑再生系統(tǒng)，對溶劑進(jìn)行回收再利用。

我國后處理廠溶劑再生系統(tǒng)的事故分析依據(jù)《乏燃料后處理廠潛在事故的假設(shè)》[1](HAF J0051)開展，根據(jù)始發(fā)事件的后果大小，將其分為輕微事故、小事故、大事故、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故等5個(gè)類別，再重點(diǎn)針對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和嚴(yán)重事故開展事故分析。對于始發(fā)事件的選取，目前主要參考美國?？怂珊巳剂蠌S和巴威爾核燃料廠安全分析報(bào)告[2-3]確定，尚未形成通用的識(shí)別方法。

美國最新監(jiān)管要求[4-7]提出對整個(gè)后處理設(shè)施的潛在危害進(jìn)行識(shí)別，篩選出需關(guān)注的危害，并進(jìn)一步進(jìn)行事故分析。在民用化工行業(yè)中，作為常規(guī)的可靠性分析方法[8-9]，失效模式和影響分析(FMEA)工程評價(jià)方法已在梳理和識(shí)別潛在危害方面得到成熟、廣泛的應(yīng)用。本文擬采用該方法對后處理廠共去污分離循環(huán)的溶劑再生系統(tǒng)進(jìn)行始發(fā)事件的識(shí)別和篩選，并與國外類似系統(tǒng)的始發(fā)事件進(jìn)行比較。

1溶劑再生系統(tǒng)工藝流程概述

溶劑再生系統(tǒng)主要包括堿洗滌和酸洗滌兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)。

堿洗滌工藝流程為：污溶劑接受槽V1接受污溶劑后，用空氣提升送至堿洗槽，輸送過程中經(jīng)套管加熱器加熱至適宜溫度。堿洗槽為多級混合澄清槽，Na2CO3溶液和NaOH溶液從有機(jī)相出口級加入，污溶劑從水相出口級加入，兩相逆流接觸，以去除溶劑中的降解產(chǎn)物及殘留的鈾、钚和大部分裂片元素。

酸洗滌工藝流程為：堿洗后的有機(jī)相經(jīng)空氣提升送入污溶劑接受槽V2，V2內(nèi)的污溶劑經(jīng)計(jì)量泵送至過濾器過濾，以去除固體顆粒。過濾后的污溶劑進(jìn)入污溶劑接受槽V3，在V3內(nèi)冷卻到一定溫度以下，經(jīng)空氣提升送入酸洗槽。酸洗槽中加入HNO3，兩相逆流接觸。酸洗后的有機(jī)相經(jīng)空氣提升進(jìn)入再生溶劑貯槽，調(diào)制合格配比后，經(jīng)空氣提升送至相應(yīng)設(shè)備用作萃取劑。

溶劑再生系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主要工藝設(shè)備列于表1。

2FMEA工程評價(jià)方法

FMEA工程評價(jià)方法要求系統(tǒng)化地分析目標(biāo)設(shè)施的各種系統(tǒng)和主要設(shè)備，查找其中可能直接或間接(與其他失效組合后)導(dǎo)致危險(xiǎn)源釋放的失效模式(如運(yùn)行失效、誤動(dòng)作、斷裂、泄漏等)[8-9]。

FMEA方法主要包括故障模式分析、故障原因分析、故障影響分析、故障檢測方法分析與補(bǔ)償措施分析等步驟。在危險(xiǎn)源識(shí)別過程中，關(guān)注故障模式、故障原因和故障影響分析。

分析設(shè)備或設(shè)備單元的故障影響時(shí)，分局部影響、高一層次影響和最終影響3個(gè)等級。其中，局部影響指對設(shè)備所在系統(tǒng)產(chǎn)生的影響；高一層次影響指對設(shè)施運(yùn)行產(chǎn)生的影響；最終影響指對環(huán)境和人員的影響。

圖1　溶劑再生系統(tǒng)工藝流程示意圖 Fig.1　Schematic diagram of solvent regeneration system process

設(shè)備名稱設(shè)備類型介質(zhì)類型是否負(fù)載放射性污溶劑接受槽V1貯槽污溶劑是堿洗槽混合澄清槽污溶劑、洗滌堿液(Na2CO3、NaOH)是廢堿接受槽貯槽廢堿液(Na2CO3、NaOH)是污溶劑接受槽V2貯槽堿洗后有機(jī)溶劑是計(jì)量泵泵堿洗后有機(jī)溶劑是過濾器過濾器堿洗后有機(jī)溶劑是污溶劑接受槽V3貯槽過濾后有機(jī)溶劑是酸洗槽混合澄清槽洗滌酸液(HNO3)是再生溶劑貯槽貯槽再生溶劑是廢酸接受槽貯槽廢酸液(HNO3)是碳酸鈉貯槽貯槽Na2CO3溶液否氫氧化鈉貯槽貯槽NaOH溶液否硝酸貯槽貯槽HNO3溶液否

3結(jié)果與討論

3.1FMEA工程評價(jià)

對溶劑再生系統(tǒng)進(jìn)行FMEA工程評價(jià)，評價(jià)要素包括故障模式、可能原因、故障影響分析(含局部影響、高一層次影響和最終影響)、放射性危害和工業(yè)安全危害。評價(jià)結(jié)果列于表2。

由于系統(tǒng)中料液分布于多個(gè)設(shè)備，為簡化討論，多個(gè)不同始發(fā)事件發(fā)生后，若導(dǎo)致的響應(yīng)和后果均類似，則將其歸為同一類始發(fā)事件，如貯槽的破裂泄漏和管道的破裂泄漏合并為同一類故障模式(表2中序號1)。

3.2FMEA評價(jià)結(jié)果討論

核電廠對始發(fā)事件的定義為：始發(fā)事件對設(shè)施的運(yùn)行產(chǎn)生了擾動(dòng)，如果各安全系統(tǒng)不能成功運(yùn)行，可能會(huì)導(dǎo)致堆芯損傷[10]。該定義引申到核燃料后處理廠中，可修改為：始發(fā)事件對設(shè)施的運(yùn)行產(chǎn)生擾動(dòng)，如果各種安全系統(tǒng)不能成功運(yùn)行，可能會(huì)產(chǎn)生不期望的放射性釋放后果。此外，《民用核燃料循環(huán)設(shè)施安全規(guī)定》[11](HAF 301)要求不考慮核燃料循環(huán)設(shè)施的非輻射安全問題，除非由其可能引起輻射危害。因此，此處以會(huì)產(chǎn)生放射性危害作為始發(fā)事件的選取依據(jù)。

根據(jù)表2的評價(jià)結(jié)果，篩選出溶劑再生系統(tǒng)的始發(fā)事件，如表3所列。其中，類別1和類別4均屬于包容邊界泄漏，類別2和類別3均可能造成料液意外轉(zhuǎn)移。

表2　后處理廠溶劑再生系統(tǒng)FMEA工程評價(jià)

對于類別1和類別4的始發(fā)事件，從后果包容角度出發(fā)，在后續(xù)事故分析中可選取污溶劑最大可信泄漏疊加火災(zāi)事故作為代表性事故進(jìn)行分析。對于類別2和類別3始發(fā)事件，由于事故情景具有較大隨機(jī)性，事故后果難以估算，因此，目前常從設(shè)計(jì)、制造、定期試驗(yàn)和質(zhì)量保證等方面對相關(guān)儀表的可靠性予以盡可能的保證。隨著后續(xù)研究的深入，此類始發(fā)事件也可開展事故分析工作。

結(jié)合美國?？怂蓮S和巴威爾廠安全分析報(bào)告中溶劑再生系統(tǒng)所討論的事故[2-3]，對其事故起因和事故后果進(jìn)行羅列，并與FMEA方法篩選的始發(fā)事件類別進(jìn)行比較，結(jié)果列于表4。

表4結(jié)果顯示，在溶劑再生系統(tǒng)中，利用FMEA方法所篩選的始發(fā)事件類別可覆蓋美國?？怂蓮S和巴威爾廠安全分析所討論的相關(guān)事故。由此可見，F(xiàn)MEA方法所確定的始發(fā)事件范圍具有較好的包絡(luò)性。

根據(jù)國外后處理廠相關(guān)事故實(shí)例的描述[12]，對各相關(guān)事故的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、事故起因和事故后果進(jìn)行提煉和羅列，并依據(jù)FMEA方法篩選的始發(fā)事件類別，對各事故實(shí)例的起因進(jìn)行歸類，結(jié)果列于表5。

表3　后處理廠溶劑再生系統(tǒng)始發(fā)事件

表4　美國?？怂蓮S和巴威爾廠相關(guān)工藝系統(tǒng)所討論的事故與FMEA評價(jià)結(jié)果的比較

注：1) 事故發(fā)生后，考慮了部分工程措施的糾正或緩解作用

注：1) 大部分事故發(fā)生后，工程措施均起到有效的糾正或緩解作用

由表5可知，在溶劑再生系統(tǒng)中，除人因失誤直接造成的事故外，利用FMEA方法所篩選的始發(fā)事件類別可涵蓋國外后處理廠該系統(tǒng)中實(shí)際發(fā)生的其他所有相關(guān)事故。實(shí)際發(fā)生的事故起因主要為類別1(包容放射性物料的邊界(設(shè)備、管道、閥門)發(fā)生破損泄漏)。由此可見，F(xiàn)MEA評價(jià)方法對設(shè)施內(nèi)設(shè)備故障造成的事故具有較好的適用性。

此外，溶劑再生系統(tǒng)的部分始發(fā)事件類別對后處理設(shè)施其他類似系統(tǒng)是通用的，如料液包容邊界破損導(dǎo)致料液泄漏、液位測量儀表失效導(dǎo)致貯槽類設(shè)備滿溢等。由此可推測，該方法可推廣至后處理廠的其他工藝系統(tǒng)，對于其他工藝系統(tǒng)梳理始發(fā)事件譜同樣具有借鑒或參考價(jià)值。

4結(jié)論

以后處理廠共去污分離循環(huán)的溶劑再生系統(tǒng)為研究對象，采用FMEA工程評價(jià)方法進(jìn)行始發(fā)事件的識(shí)別和確認(rèn)，分析確認(rèn)的始發(fā)事件包括包容放射性物料的邊界(設(shè)備、管道、閥門)破損泄漏；酸、堿洗槽界面測量儀表失效；各貯槽和洗滌槽液位測量儀表失效；污溶劑接受槽有機(jī)相出口計(jì)量泵軸封泄漏。

經(jīng)與美國后處理廠安全分析報(bào)告和國外后處理相關(guān)事故實(shí)例比較，F(xiàn)MEA工程評價(jià)方法所識(shí)別的始發(fā)事件類別對于設(shè)備故障導(dǎo)致的事故具有較好的包絡(luò)性和適用性。此方法可推廣至后處理廠的其他工藝流程系統(tǒng)，為始發(fā)事件的分析提供參考依據(jù)和基礎(chǔ)。

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