秦山核电厂乏燃料厂房水池泄漏的原因分析和修复方案

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秦山核电厂乏燃料厂房水池泄漏的原因分析和修复方案
Leakage Causes and Repair Method of Spent Fuel Pools at Qinshan NPP

赵志德1 何宏龙2 李建春2
（1. 上海交通大学，上海，200030；2.秦山核电公司，浙江海盐，314300）

摘 要 简要描述了秦山核电厂乏燃料厂房水池泄漏的情况和原因分析，并着重描述了泄漏的修复方案，以供国内外核电同行参考。
关键词 核电厂 乏燃料厂房水池 泄漏 原因分析 修复方案
Abstract This paper briefly describes the leakages of spent fuel pools and analyzes the causes. It focuses on the repair method of spent fuel pool and provides some helpful information to nuclear power peers for reference.
Key words NPP Spent fuel pools Leakage Causes Repair method


       秦山核电厂（以下简称电厂）乏燃料厂房水池（以下简称水池）主要包括1号、2号乏燃料池、检验水池、运输通道，其平面布置见图1。



图1 乏燃料厂房水池布置示意图

      水池是燃料组件贮存、运输及检验系统的重要组成部分，其中1号、2号乏燃料池的作用是贮存从反应堆卸下的乏燃料组件至少300天；检验水池的作用是检验和修理辐照过的燃料组件；水下运输通道是反应堆装卸料时新燃料和乏燃料的通道。
从1997年开始发现水池有泄漏，且随时间的推移，漏点越来越多，这种泄漏现象在国外核电厂的水池中也较为常见，泄漏给核电厂的安全运行带来一定的风险和危害，因此电厂拟对水池进行分步修复。
1 水池结构及泄漏情况简介
     乏燃料厂房的水池结构参见图2，水池内壁和底板衬以厚5 mm的不锈钢覆面，钢覆面材料为1Cr18Ni9Ti，覆面由多块大小不一的不锈钢板焊接而成。钢覆面下面是厚度不等的混凝土（池壁和底板），钢覆面与预埋在混凝土中的预埋支撑板焊接以保持固定。


图2 乏燃料厂房水池结构示意图

        早在1997年，水池的泄漏开始被逐步发现。主要的泄漏现象有：
（1）乏燃料池检漏系统的泄漏储液罐出现高水位并滴水；
（2）水池对应的天花板上有泄漏滴水并有硼结晶现象；
（3）乏燃料厂房墙外发现了硼结晶。
          在2000年，对检验水池和运输通道的钢覆面进行了无损检查，检查发现检验水池和运输通道有48处缺陷，绝大部分为位于焊缝或其热影响区上，缺陷形状有点状、裂纹状。1号、2号乏燃料池由于检查不便，因此未作无损检查，但由于其不锈钢覆面结构与检验水池相同，因此可推断1号、2号乏燃料池也存在缺陷。
      对于1号、2号乏燃料池，以选点扫查的方式对其水下四壁及底面可达区域的不锈钢覆面进行了超声波查漏，发现1号乏燃料池侧壁有三处可疑积水区、2号乏燃料池侧壁及底面共有四处可疑积水区。
从以上泄漏现象和检查结果可知，水池确实存在泄漏，泄漏的危害主要表现如下：
（1）从水池钢覆面泄漏的水进入水池的钢筋混凝土底板，含硼水会腐蚀钢筋混凝土中的钢筋，造成水池底板强度减低，造成一定危害；
（2）泄漏的水会通过乏燃料厂房外墙进入外界环境，对外界环境造成污染。

2 泄漏的原因分析
       因为水池内壁衬有5 mm的不锈钢覆面，所以水池的泄漏也就是不锈钢覆面的泄漏。目前不锈钢覆面泄漏的确切原因在国内外尚无明确定论。从水池不锈钢覆面的结构、材料和泄漏现象等方面，分析了以下可能的原因，并推断水池泄漏的主要原因是不锈钢覆面从混凝土侧开始的腐蚀，分析如下。

2.1 焊接缺陷
      由于焊缝数量多、焊缝总长约2 600 m，且限于当时现场的施工条件，焊接缺陷是难以避免的。焊接缺陷，尤其是表面缺陷可通过液体渗透（PT）方法检测出来，但检验做不到百分之百覆盖，有少数焊接缺陷被漏检。但无论如何，焊接缺陷的数量理论上会一年比一年少，而实际上，水池发现的漏点一次比一次多，说明焊接缺陷不是水池泄漏的主要原因。

2.2 机械应力
       水池钢覆面钢板厚度为5 mm，材料为1Cr18Ni9Ti，该材料含碳量较低，焊接性能较好且是薄板，因此焊接产生的机械应力很小；水池环境温度变化也很小，水质温度也不高，设计温度最高不超过50℃，因此在运行过程中产生的热应力非常小，不会因为应力的原因而导致裂纹产生。

2.3 不锈钢覆面从水侧开始的腐蚀
      不锈钢腐蚀机理中最关键的是介质中存在一定含量的F－、Cl－。为防止水质对该材料的腐蚀，对水质有严格的要求，并定期对水质进行化学取样分析，该要求明确水中Cl－含量限值为≤100 μg/L，F－含量限值为≤100 μg/L，而实际化学取样分析的结果F－、Cl－仅为各5 μg/L，故F－、Cl－总体含量非常低，在这种水质条件下，1Cr18Ni9Ti对该含硼水的抗腐蚀性非常好。实际观察水池钢覆面的非焊接区域表面光洁、无蚀坑，因此，从水侧开始的腐蚀也不是水池泄漏的主要原因。

2.4 不锈钢覆面从混凝土侧开始的腐蚀
     不锈钢材料的腐蚀主要由三大因素引起：湿度、有害物质如氯离子和应力。混凝土侧则基本具备这三大因素。由于现场存在大量的焊缝，虽然在当时也经过了无损检测，但毕竟工作量太大，其中不可避免地存在某些焊接缺陷，而正是这些焊接缺陷造成了水池不锈钢覆面的初次泄漏，使混凝土侧存在一定量的泄漏水，造成一定的湿度。所用的混凝土也不可能进行特殊的成份控制，混凝土内不可避免地存在少量卤素元素。随着时间及湿度的增加，氯离子、氟离子等可能从混凝土侧游离出来，形成一定的F－、Cl－浓度。焊接引起的焊接应力虽然较小，不足以单独引起腐蚀，但客观上存在一定的焊接应力，而应力对腐蚀的加剧影响非常大，它可促进腐蚀的加速发展，尤其是焊缝热影响区。由此造成不锈钢覆面从混凝土侧开始发生腐蚀，在缺陷尚未贯穿时，液体渗透检查无法发现这些缺陷的存在，但随着时间的延续向水池侧纵深发展并最后逐步达到贯穿泄漏，这也与无损检测发现每年泄漏点数量的增加结果相符合，参见图3。

图3 从混凝土侧开始的裂纹发展示意图

      由此可以认为，水池泄漏的主要原因是初始焊接缺陷引起钢覆面混凝土侧的腐蚀造成的。
3 修复方案
       从上述的泄漏原因分析可知，泄漏是由多种因素组成的，不仅仅是焊接缺陷，更主要的是不锈钢覆面从混凝土侧开始的腐蚀。因此，单独对焊接缺陷进行修复是不可取的，因为液体渗透检查只能查到已穿透的缺陷，对正在发展但尚未穿透的缺陷无法查出。事实上，电厂也对缺陷进行过多次修复，但每次检查，新的缺陷又被发现。
为此，经过和有关设计院的深入研究，并参照了国外的一些修复经验，认为单独对焊接缺陷进行修复是不可行的，必须采取整体修复的办法。

3.1 两种修复方案的比较
      对于整体修复，目前国际上有两种主要的修复方法，一种是不锈钢条覆盖焊接技术，另一种是有机材料层粘贴技术，这两种技术各有其优缺点，下面分别介绍一下：
（1）不锈钢条覆盖焊接技术
不锈钢条覆盖焊接技术参见图4，是在原不锈钢覆面的焊缝上覆盖一块厚3 mm，宽100~120 mm的不锈钢条，并将此不锈钢条焊接在原不锈钢覆面上。


图4 不锈钢条覆盖焊接技术示意图

这种方法具备如下一些优点：
1）技术比较成熟，在法国，EDF选择本方法作为乏燃料池的修复方法；
2）对大部分焊缝来说可以使用双头TIG全自动焊接以提高效率，且该焊接技术高度可控、低热量输入、热影响区小，焊后不会重复发生焊接缺陷；对于少数区域的焊接，采取手动TIG焊接；
3）焊接技术在国内已经成熟，焊缝质量可以通过无损检测方法来验证。
这种方法的缺点：
1）焊缝总长度将变为原来两倍；
2）由于焊接，产生了新的热影响区，钢覆面或多或少会有一些变形。
（2）有机材料层粘贴技术
有机材料层粘贴技术参见图5，是在钢覆面的焊缝上粘贴一层厚3 mm的有机材料层（环氧类），有机材料层固化后起密封作用，有机材料层上面再盖一层厚3 mm的不锈钢保护层以保护有机材料层并容易去污。



图5 有机材料层粘贴技术示意图

这种方法具备以下一些优点：
1）有机材料层不会腐蚀且耐一定辐照；
2）由于没有焊接，不锈钢覆面不会变形，不会产生新的焊接应力；
3）修复速度较快。可以进行水下修复，人员受到的辐射少。
但这种方案的缺点有：
1）技术相对复杂, 有机材料能够承受的累积辐照剂量受限制；
2）此技术出现得较晚，此技术只有10多年的经验和业绩；
3）此修复技术要得到核安全局的认可。

3.2 最终采用的修复方案
      从上面的分析可知，这两种技术各有优缺点，经过详细研究和比较，最终采取了不锈钢条覆盖焊接技术，而没有采用有机材料层粘贴技术，主要考虑了以下一些因素：
（1）技术的成熟性
从上面的分析可知，有机材料层粘贴技术是一种出现较晚的技术，只有10多年的经验，技术未经过长期检验，而且其有机材料的累积辐照剂量也受到限制。在目前尚不知道具体乏燃料贮存时间的条件下，如果用这种方案修复，须承担一定的风险。
不锈钢条覆盖焊接技术是一种传统方法，技术上十分成熟。如果用这种方案修复，不会影响到水池的总体功能及寿命。
（2）修复后的检查
有机材料涂覆技术进行修补后，对于有机材料固化的具体情况无法进行检查，其与原不锈钢覆面之间的结合力也无法进行实际考核。
不锈钢条覆盖技术进行修补后，可以对所有新产生的焊缝进行全面无损检测，对于焊接过程中存在的缺陷可以及时进行修补。
（3）修复费用
如果采用有机材料层粘贴技术，因为国内目前尚没有厂家拥有此技术，技术和设备要从国外引进，从国外引进的费用很高，若用这种技术修复，总费用约为200万欧元。
不锈钢焊接技术在国内已经是一种成熟的技术，电厂的检修人员可以自己修复，不需要从国外引进技术和设备，总费用只需要300万人民币，费用较低。

3.3 修复方案的焊材选用
      由于国内对这种燃料存储水池的整体修复尚属首次，为了获得最佳修复效果，在材料选择方面，电厂进行了一系列的材料筛选试验。
      原不锈钢覆面的材料是1Cr18Ni9Ti，电厂分别采用1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni9、0Cr18Ni9Mo2Ti三种不锈钢条和ER308、ER316L、ER347三种焊丝，进行不同的试验样品及连接形式的组合，然后对各试验样品的焊接接头力学性能、晶间腐蚀性能、点腐蚀性能、化学成分分析、铁素体含量测定以及金相组织等进行检验，由检验结果得出：用1Cr18Ni9Ti的不锈钢条和ER347焊丝的氩弧焊焊接接头的综合性能最好，具有较好的强度和抗晶间腐蚀能力。针对试验的结果，又进行了焊接工艺试验，通过不同的焊接工艺，进行所选材料的焊接工艺评定，确定最终的焊接方法和工艺参数。
         综上所述，电厂最终采用的修复方案，是在原不锈钢覆面的焊缝上覆盖一块厚3 mm，宽100~120 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢条，再根据最终焊接工艺评定的结论和参数，将此新增的不锈钢条用ER347焊丝焊接在原不锈钢覆面上。另外，在实施前对原焊缝进行缺陷查找和补焊、打磨工作，尽可能消除漏点，保证新焊缝的质量。

4 结束语
      目前，电厂已采用不锈钢条覆盖焊接技术成功地完成了2号乏燃料池的修复，其它水池的修复计划也正在安排中。2号乏燃料池修复后对新焊缝进行了全面液体渗透检查，未发现缺陷显示；对整个水池进行了氦质谱检漏，未发现漏点，该水池运行四个月来，没有发现泄漏现象，说明这种修复技术是有效的。

你可能只是这世界的一个人，但对于某个人来说，你就是世界的全部

kupa

燃料水池泄漏的检测和修复方案一直非常关心，我们这儿也面临这样的问题，不过有两个问题，还请赐教。

1 关于水池修复前的无损检查是怎样做的，水下做可以吗？

2 修复准备工作中应涉及移动乏燃料组件和燃料格架，排水，辐射防护等等，你们是怎么做的？


非常感谢！！

leeeee

这样的贴子，不顶说不过去啊  

ounce

说嘛1~~~想说什么就说什么嘛~~