宋云龍，趙延鵬，王亮，曲冰

(遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連，116300)

核電機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，堆芯產(chǎn)生的活化腐蝕產(chǎn)物會(huì)隨著冷卻劑遷移至一回路相關(guān)系統(tǒng)，并通過離子交換(可溶物)、結(jié)晶(可溶物)、沉降(可溶物)、沉積(微粒)等形式形成沉積物附著在設(shè)備、管道、閥門內(nèi)表面或通過離子交換(可溶物)進(jìn)入其氧化層[1]，活化腐蝕產(chǎn)物沉積較多的位置設(shè)備接觸劑量率、房間環(huán)境劑量率均會(huì)明顯高于沉積較少的區(qū)域。

以國內(nèi)某CPR1000堆型機(jī)組為例，日常運(yùn)行期間在輻射控制區(qū)綠區(qū)、黃區(qū)等人員可直接通行區(qū)域，每臺(tái)機(jī)組約有25～30個(gè)輻射熱點(diǎn)(接觸劑量率≥1 mSv/h)，大修期間核島廠房約有20～40個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這些輻射熱點(diǎn)的接觸劑量率通常在1～20 mSv/h之間，個(gè)別輻射熱點(diǎn)可達(dá)100～200 mSv/h。除了形成輻射熱點(diǎn)，在某些放射性系統(tǒng)管道系統(tǒng)還會(huì)形成熱管段，熱管段往往是活化腐蝕產(chǎn)物沉積較為集中的管道，其接觸劑量率通常在1～3 mSv/h。

管道輻射熱點(diǎn)以及熱管段是現(xiàn)場外照射風(fēng)險(xiǎn)管控的重要對(duì)象，通常核電站會(huì)根據(jù)ALARA原則選擇最優(yōu)的手段去處理輻射熱點(diǎn)以及熱管段，這些手段包括隔離警示、搭設(shè)屏蔽、去污。其中去污技術(shù)主要有：管道沖洗(包括管道重力排水沖洗、管道系統(tǒng)運(yùn)行泵沖洗)、水及壓縮空氣吹洗、系統(tǒng)或管道化學(xué)清洗。其中最便捷、應(yīng)用最多的是管道沖洗，但是管道沖洗的去污效果往往隨機(jī)性較強(qiáng)，特別是重力排水沖洗時(shí)，由于水流的速度、壓力有限，很難將沉積的放射性物質(zhì)剝落。為了提升管道沖洗去污效果，國內(nèi)部分核電站開始嘗試引入在線超聲去污設(shè)備，這種設(shè)備可安裝在管道外側(cè)，通過將超聲振動(dòng)傳遞至管道內(nèi)，使內(nèi)壁沉積物剝落，從而提升管道沖洗的去污效果。

管道在線超聲去污技術(shù)主要利用了超聲波的空化效應(yīng)和剪切效應(yīng)[2]。該技術(shù)通過將固定尺寸的夾具安裝在管道外壁，根據(jù)超聲波的透射原理，夾具上的傳導(dǎo)部件采用與管道抗阻率接近的金屬材質(zhì)，先將超聲波透射至管道內(nèi)部，然后再利用管道與管道內(nèi)介質(zhì)抗阻率相差較大的特性產(chǎn)生空化效應(yīng)，空穴破裂產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力對(duì)管道內(nèi)壁的沉積物、氧化膜等產(chǎn)生剝離作用。同時(shí)，超聲波在沉積物和管壁上產(chǎn)生剪切效應(yīng)，由于吸收和傳播速度不同，從而產(chǎn)生速度差，在沉積物與管壁界面上形成相對(duì)剪切力，導(dǎo)致沉積物產(chǎn)生疲勞而松脫。這樣，不需要對(duì)系統(tǒng)或管道進(jìn)行開口作業(yè)就可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)去污，可在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)使用。目前，該技術(shù)已在化工、石油、熱電等不涉及放射性的行業(yè)廣泛應(yīng)用，主要用于管道、換熱器等除垢和防積垢。

1 設(shè)備開發(fā)

由于核電站應(yīng)用場景的特殊性，管道在線超聲去污設(shè)備開發(fā)需首要考慮其安全性，在保證不影響管道及其相連設(shè)備質(zhì)量的前提下盡可能提高去污性能，同時(shí)還需考慮ALARA方面的因素，主要有以下功能、參數(shù)需在設(shè)備開發(fā)時(shí)予以關(guān)注。

1.1 夾具快速安裝

設(shè)備使用過程中夾具安裝人員承擔(dān)的受照劑量占整個(gè)工作集體劑量的絕大部分，為此需設(shè)計(jì)專門的夾具，將空間寬敞位置的安裝時(shí)間盡量控制在5～10 s內(nèi)，空間狹小位置則需提前演練盡量減少安裝時(shí)間，最大限度地降低安裝人員的受照劑量。

1.2 夾具尺寸

夾具是超聲波傳導(dǎo)的重要部件，其精度將直接影響超聲波傳導(dǎo)效果，超聲波傳導(dǎo)效果差將導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱甚至損壞。所以夾具要與對(duì)應(yīng)尺寸的管道足夠貼合，由于現(xiàn)場管道存在一定的偏差，必要時(shí)可在傳導(dǎo)位置增加合適的墊材，以確保傳導(dǎo)效果。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，輻射熱點(diǎn)主要集中在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)、化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)、核島疏水排氣系統(tǒng)(RPE)、硼回收系統(tǒng)(TEP)、核取樣系統(tǒng)(REN)、廢液處理系統(tǒng)(TEU)、放射性廢水回收系統(tǒng)(SRE)等系統(tǒng)的管道中，具備沖洗條件且可使用夾具的管道約占總數(shù)的1/2，這些管道的外徑主要集中在21.34 ～114.3 mm，壁厚為2～6 mm。

1.3 遠(yuǎn)程操作

將超聲波震盒安裝至管道后，所有設(shè)備的起停、設(shè)置均應(yīng)在控制臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，控制臺(tái)與作業(yè)點(diǎn)距離應(yīng)在10 m以上。通常在輻射控制區(qū)相關(guān)廠房內(nèi)，10 m以上的距離足夠找到低劑量率區(qū)域或者能夠搭設(shè)屏蔽的位置。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

為了減少去污過程中的人工測(cè)量，以及便于實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)去污效果以調(diào)整超聲參數(shù)設(shè)置，需增加遠(yuǎn)程劑量率儀表實(shí)時(shí)測(cè)量的功能，如未開放廠房內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，可使用有線傳輸，設(shè)備應(yīng)留有可擴(kuò)展連接無線網(wǎng)絡(luò)的接口，后續(xù)可根據(jù)電站整體網(wǎng)絡(luò)改造情況將設(shè)備遠(yuǎn)程劑量率監(jiān)控設(shè)備升級(jí)為無線傳輸。

1.5 智能自動(dòng)運(yùn)行

可以通過控制臺(tái)軟件設(shè)置振盒啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)長、暫停時(shí)間、運(yùn)行周期、振盒關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)，人員可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境劑量率、噪音等情況躲避至其他安全區(qū)域，待設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行完畢后前往查看運(yùn)行記錄。

1.6 設(shè)備組成

根據(jù)功能需求，在線超聲去污設(shè)備應(yīng)包括：動(dòng)力發(fā)生器、換能器、管道夾具、γ劑量率測(cè)量儀、遠(yuǎn)程控制臺(tái)及控制軟件。

動(dòng)力發(fā)生器、換能器是產(chǎn)生超聲波的核心設(shè)備，其產(chǎn)生超聲波的頻率、最大功率等參數(shù)，將直接影響設(shè)備的技術(shù)安全性和去污性能。需要根據(jù)管道材質(zhì)、管道外徑、管道壁厚等參數(shù)制作樣品管道，在試驗(yàn)臺(tái)架通過試驗(yàn)獲得最佳參數(shù)。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

某核電站根據(jù)CPR1000堆型機(jī)組需求，開發(fā)了在線超聲去污設(shè)備(圖1)并開展了相關(guān)試驗(yàn)，設(shè)備主要參數(shù)列于表1。

圖1 在線超聲去污設(shè)備

表1 在線超聲去污設(shè)備主要參數(shù)

2.1 安全性驗(yàn)證試驗(yàn)

在線超聲去污設(shè)備所應(yīng)用的管道內(nèi)部介質(zhì)均帶有放射性，所以設(shè)備的技術(shù)安全性最為重要，設(shè)備的應(yīng)用不能對(duì)管道氧化膜、基材、焊縫、支吊架、閥門等的性能產(chǎn)生影響。

該設(shè)備出廠前開展了安全性試驗(yàn)評(píng)估，對(duì)試驗(yàn)管道的基材和焊縫進(jìn)行了顯微組織、維氏硬度、拉伸強(qiáng)度等檢查，評(píng)估無安全問題。

核電站在試用在線超聲去污設(shè)備前開展了安全性驗(yàn)證試驗(yàn)，加工了試驗(yàn)用管道。在超聲去污試驗(yàn)前后對(duì)試驗(yàn)用管道進(jìn)行探傷、超聲等無損檢測(cè)，經(jīng)對(duì)比，超聲振動(dòng)未對(duì)試驗(yàn)用管道產(chǎn)生不良影響。

2.2 松散污染沉積管段試驗(yàn)(60.3 mm管道)

2.2.1管道信息

試驗(yàn)位置為熱機(jī)修車間設(shè)備拆卸和高壓水去污小室下游排水管線，該設(shè)備主要功能為通過使用高溫、高壓的熱水對(duì)受污染的設(shè)備進(jìn)行噴射沖洗，也可用核島除鹽水分配系統(tǒng)(SED)的除鹽水對(duì)受污染設(shè)備進(jìn)行沖洗，介質(zhì)溫度通常不超過80 ℃，依靠重力排水。該管道外徑為60.33 mm，壁厚為3.91 mm。

2.2.2熱點(diǎn)信息

排水管線位置熱點(diǎn)是對(duì)燃料組件夾爪沖洗去污后產(chǎn)生，熱點(diǎn)主要為附著在燃料組件夾爪表面的活化腐蝕產(chǎn)物，被高壓水沖刷后呈顆粒態(tài)沉積在管道內(nèi)壁上。管道上只有一個(gè)熱點(diǎn)，最大接觸劑量率為2.92 mSv/h。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果

此位置熱點(diǎn)僅使用SED水重力沖洗無去污效果。在管道重力沖洗過程中配合使用在線超聲去污設(shè)備(功率為60 W)，按表2循環(huán)設(shè)置開展超聲震動(dòng)后，此處熱點(diǎn)最大接觸劑量率由2.92 mSv/h逐步降至0.13 mSv/h，接觸劑量率降低了95.3%，去污效果明顯。

表2 設(shè)備拆卸和高壓水去污小室下游排水管線在線超聲去污試驗(yàn)數(shù)據(jù)(60.3 mm管道，單熱點(diǎn))

2.3 松散污染沉積管段試驗(yàn)(88.9 mm管道)

2.3.1管道信息

試驗(yàn)管段為放射性過濾器、除鹽床疏水母管，其前端為RCV系統(tǒng)除鹽床/過濾器疏水支管，后端為TEP系統(tǒng)除鹽床/過濾器疏水支管，來水溫度≤60 ℃，依靠重力排水。該管道管徑為88.9 mm，壁厚5.49 mm。

2.3.2熱點(diǎn)信息

該管道介質(zhì)為放射性過濾器、除鹽床隔離后殘水，熱點(diǎn)主要來自于殘水中攜帶的殘?jiān)?、污垢、樹脂碎片等。管道上有多個(gè)熱點(diǎn)，最小熱點(diǎn)為3.81 mSv/h，最大熱點(diǎn)6.19 mSv/h。

2.3.3試驗(yàn)結(jié)果

該位置使用系統(tǒng)水沖洗無明顯效果。開展在線超聲去污時(shí)由于TEU系統(tǒng)水箱接收沖洗水空間有限，故采用了先在隔離滿水狀態(tài)進(jìn)行超聲振動(dòng)，然后再單獨(dú)沖洗的方式。根據(jù)初始熱點(diǎn)分布及振動(dòng)過程中熱點(diǎn)變化情況在管道上選取了5個(gè)點(diǎn)(A1～A5)進(jìn)行超聲去污(振動(dòng)過程中熱點(diǎn)有分散、遷移的情況)。對(duì)5個(gè)振動(dòng)作用位置(水平管道外壁底部)的接觸劑量率和管道附近兩個(gè)點(diǎn)的環(huán)境劑量率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 各振動(dòng)位置試驗(yàn)數(shù)據(jù)(88.9 mm管道，5個(gè)熱點(diǎn))

表4 環(huán)境劑量率監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2.3.4結(jié)果分析

本次去污過程現(xiàn)象及結(jié)果表明，該管道沉積熱點(diǎn)經(jīng)超聲振動(dòng)后部分從管壁脫落隨沖洗水轉(zhuǎn)移，最終熱管段接觸劑量率降低、環(huán)境劑量率降低。該管段使用了功率為100 W超聲波發(fā)生器，說明該功率適用于管徑為88.9 mm、壁厚為5.49 mm的管道。同時(shí)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，熱點(diǎn)分散、遷移是隨著振動(dòng)時(shí)間的推移逐步發(fā)生的，說明作用時(shí)間對(duì)超聲效果有影響。

2.4 低溫固定污染管道試驗(yàn)

2.4.1管道信息

試驗(yàn)位置為化學(xué)與容積控制系統(tǒng)下泄回路管段，該管段處于化學(xué)與容積控制系統(tǒng)2號(hào)換熱器下游，正常運(yùn)行期間介質(zhì)溫度≤35 ℃，介質(zhì)流速最大1.25 m/s。管道外徑為88.9 mm，管道壁厚為5.49 mm。

2.4.2熱點(diǎn)類型

下泄管線在機(jī)組日常運(yùn)行期間、大修下行氧化凈化期間和機(jī)組上行期間，會(huì)沉積較多放射性物質(zhì)。試驗(yàn)管道為豎直管道，其介質(zhì)流速最大可達(dá)1.25 m/s，分析其主要為通過離子交換或結(jié)晶形式與氧化膜結(jié)合形成的固定污染。試驗(yàn)前整個(gè)管段接觸劑量率>1 mSv/h，最大接觸劑量率為2.3 mSv/h。

2.4.3試驗(yàn)結(jié)果

按照表5循環(huán)設(shè)置開展超聲振動(dòng)后，振動(dòng)位置接觸劑量率數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場劑量率測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，考慮測(cè)量儀表精度、人員測(cè)量誤差，該數(shù)值波動(dòng)不代表實(shí)際劑量率發(fā)生明顯變化。

表5 化學(xué)與容積控制系統(tǒng)下泄回路管段在線超聲去污試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了從微觀層面驗(yàn)證在線超聲去污的效果，試驗(yàn)通過帶有準(zhǔn)直的γ譜儀對(duì)超聲振動(dòng)位置管道進(jìn)行了核素測(cè)量分析，對(duì)比發(fā)現(xiàn)振動(dòng)點(diǎn)核素表面污染均有所降低(表6)。

表6 下泄回路管段在線超聲去污前后主要核素表面污染測(cè)量數(shù)據(jù)

2.4.4結(jié)果分析

通過分析數(shù)據(jù)可得知，該設(shè)備在固定污染沉積管道應(yīng)用，對(duì)沉積核素具有一定的剝離效果，但由于多種因素其去污效果不足以降低該位置接觸劑量率。綜合考慮去污效率、工作許可證時(shí)間、去污人力等因素，未開展長時(shí)間試驗(yàn)，判斷本次試驗(yàn)所使用設(shè)備應(yīng)用于此類型熱點(diǎn)綜合收益不高。

分析可能導(dǎo)致管道接觸劑量率變化不明顯的原因有：

(1)通過離子交換或結(jié)晶形式與氧化膜結(jié)合形成的固定污染較難通過本設(shè)備去除。

(2)整個(gè)管段為熱管段，對(duì)單個(gè)點(diǎn)(約48.04 cm2)進(jìn)行超聲去污后，受去污點(diǎn)周邊熱點(diǎn)管段影響，其對(duì)降低接觸劑量率、環(huán)境劑量率的貢獻(xiàn)有限。

(3)受儀表功能限制，劑量率測(cè)量儀表無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直測(cè)量，無法單獨(dú)準(zhǔn)確測(cè)量去污點(diǎn)(約48.04 cm2)接觸劑量率。

(4)該管段介質(zhì)流速最高可達(dá)1.25 m/s，流速越快空化效應(yīng)效果越弱[3]，試驗(yàn)期間流速約1 m/s，降低了設(shè)備的去污性能。受管道所在系統(tǒng)運(yùn)行條件限制，暫未能在介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)開展試驗(yàn)。

3 結(jié)論

研究情況表明，在線超聲去污技術(shù)引入核電站需要做相應(yīng)的功能改進(jìn)，以滿足核電應(yīng)用場景的需求。該技術(shù)對(duì)管道內(nèi)松散污染有明顯去污效果，對(duì)通過離子交換或結(jié)晶形式與氧化膜結(jié)合形成的固定污染去污效果不明顯。該技術(shù)目前可應(yīng)用于核電站核島氣與疏水系統(tǒng)、廢液處理系統(tǒng)、清洗去污系統(tǒng)等以松散污染為主的系統(tǒng)管道去污。在試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整到合適的超聲波功率、在夾具與管道間增加銅皮優(yōu)化貼合度、增加振動(dòng)時(shí)間均對(duì)加速降低熱點(diǎn)劑量率有所幫助。根據(jù)設(shè)備原理及試驗(yàn)結(jié)果分析，該技術(shù)除可配合管道沖洗去除熱點(diǎn)外，還可用于系統(tǒng)或管道化學(xué)去污，可提升局部化學(xué)去污反應(yīng)速率及去污效果。