核电用轻型水下吸尘器研究及应用

核电用轻型水下吸尘器研究及应用

胡卉桦，冷慧玲，张丽萍

关键词：核电站水池轻型水下吸尘器异物排除水体净化

引言

核电站经过多年运行，水池底部会沉积很多固体粉尘，有时水中还会悬浮杂质。另外，系统运行和大修时也可能引入各种外来异物。上述杂质和异物将带来三方面的主要危害：一是水中的金属物质受照活化后随水流到达某些管阀并滞留，所形成的辐照热点；二是浑浊的悬浮物给水下的检修工作带来不便；三是外来物可能对回路系统设备造成损坏。为消减核电设备检修和运行的安全隐患，及时清除这些异物，故研究适用于核电站各种水池的水下异物排除及水体净化设备很有必要。

在对国内外常用的水下异物排除技术进行分析比较后，认为水下真空吸尘技术具备可行性和经济性。因此开展了轻型水下双向真空吸尘技术等方面的研究。开发出核电用轻型水下吸尘器技术和系列装备。

该技术拥有自主知识产权，属国内首创,处于国内领先水平。

1.概述

1.1工作对象及环境技术条件

工作对象:核电站反应堆水池、换料水池及乏燃料水池内的水体。

水体特性：0～80℃，2400ppm硼酸水，最大水深19.5m；最大γ辐射剂量率：104rad/h。

电源：AC220V/50Hz；气源：0.6～0.8MPa。

使用时不需要使用核岛环吊。

1.2水下吸尘技术现状

2012年以前国内核电站使用或研究开发的主流的水下吸尘装置存在体积大、重量重的问题。每次使用还包括吊运、定位、安装、回收和拆卸水下吸尘装置等多个辅助工序，整个工作将耗时长达近1天。使用中需用到核岛环吊，若是大修期间将占用宝贵的环吊时间，影响其他工作开展。如果有不占用核岛的环吊、操作时间缩短到数小时的小型设备是核电站需要的。

1.3水下吸尘技术研究目标

开发排除核电厂水中异物的系列方案。异物大小假设为：水下颗粒大径>1mm的异物、水体25μm～1m的游离异物。围绕这一目标开展相关技术研究。

2.水下吸尘技术研究

2.1研究重点

调研真空吸尘技术，对照比较国内外有关产品性能及技术研究结果，以确定开发先进真空吸尘装置方案目标，论证研制双向潜水泵的可行性。

2.2双向真空吸尘技术研究

为什么要研究双向真空吸尘技术？对于需要净化的堆腔水体经多年的沉淀，沉积物必不会少。过滤精度精细至25μm的滤网堵塞会是比较常见现象。选用吸排异物的双向潜水泵为过滤装置的动力源，可以通过反向冲洗使堵塞的滤网自清洁，减少更换滤网的次数，节省宝贵的大修时间。

项目组于2013年开展自研双向真空吸尘装置的可行性研究。经调研，国外有双向真空吸尘装置但价格昂贵且对我们技术保密。调研中还发现，类似可进行单向泵原理借用的产品为轴流泵。但国内专业厂家的已有产品均为单向潜水泵，若请专业厂家专门研制双向轴流泵存在周期长、费用高、超重及结果的不确定性等技术风险。

经对传统的轴流泵结构进行分析得知，泵壳体制造工艺简单易行。关键点在于否开发出提供双向推力的泵叶轮。

轴流泵叶轮翼形的设计采用升力法理论。当叶轮的截面呈机翼状弧型时，叶轮周向旋转以一定冲角与水流相遇，水流在叶片的上下表面形成压差作用于叶片，叶片以反作用力推动水流向上或向下轴向流动。当旋转方向为叶轮的正向（朝利于形成升力的方向旋转）时，机翼的升力与冲角形成的折射力形成合力，推动水流向正向流动[1]。当旋转方向为叶轮的反向（朝不利于形成升力的方向旋转）时，叶轮的升力方向不变，但冲角形成的折射力反向，如果叶轮翼型和冲角选择合适，两者的合力推动水流反向流动，也可形成反向的水流压差，只是效率低于正向，但足以形成反向的冲排。这从理论上证明了双向潜水泵的方案可行。经试验最终确定了该种能产生双向水流推力螺旋桨翼型。

经研制双向潜水泵的样品进行双向吸排水试验的结果数据如下表。

表1双向真空吸尘装置样件的双向水流试验数据表（滤网精度25um时）

3.1水下真空吸尘技术方案

水下真空吸尘技术方案是通过双向潜水泵正向排水先将异物吸入净化腔内（收集管）并吸附在腔内的滤网上，后控制潜水双向泵反向排水将吸附在收集管的异物排出至专门的收集篮内，采用滤网保护潜水双向泵不受损坏。

轻型水下吸尘器主要由支撑架、水下电缆、潜水电机、潜水泵、收集管、手操盒、控制箱组成。见下图。

图中：1支撑架、2水下电缆、3潜水电机、4潜水泵、5收集管、6手操盒、7控制箱

本方案中的双向潜水泵在水下可分别形成双向水压差，为异物的吸排提供压力源。双向潜水泵的叶轮在潜水电机的带动下做周向旋转，当潜水电机带动叶轮正向旋转时，基于机翼的升力理论，水流在叶片的上下表面形成压差作用于叶片，叶片以反作用力推动水流向上。水流带动异物向收集管的移动而完成异物的拾取。异物在收集管的上部受到滤网的阻挡，而吸附在管内的滤网上，即被滤网收集。此时，吸尘装置仍然保持之前的流向控制着异物留在管内，直到吸尘装置移动至收集篮。在关掉潜水电机时，异物吸附在滤网上的推力消失，大部分异物可在自重引力的作用下落入收集容器中，未落入的将被潜水泵的反向推力排入收集篮中。通过控制器操作使双向潜水泵反向旋转，即潜水电机带动叶轮反向旋转，叶轮以一定冲角与水流相遇，合力推动水流向下流动将收集的异物排出收集管至收集篮。至此，完成一次异物从拾取到排出的清除过程。

收集管与支撑架通过快换接头连接，收集管与收集口通过活结扣紧环连接可方便地松开，便于快速更换滤网。

3.关键技术和技术难点

5.1关键技术

1)轻型水下双向真空吸尘技术吸尘器本体自重约15公斤。该技术的研究成功，为实现较轻便的潜水泵的双向抽吸、实现相对便利的水下异物拾取和丢放提供了核心技术基础。

2)水体屏蔽下远程更换高放射性滤芯技术实现主要净化设备的水下远程可拆卸。在主要净化设备可能被高放热点沾污且无法通过冲洗降低剂量时，可通过远程操作在水体屏蔽下远程拆卸或更换滤芯。

3)真空吸尘装置的支撑移动定位技术水下吸尘装置只有实现了水下远程移动控制，才能伸入腔底如丛林般的贯穿件间行走而不对贯穿件形成撞击威胁，这是实现堆腔底部净化的关键。

4.试验

本项目开展水下吸尘技术研究以来，进行了多次技术研究试验、设计验证试验等项试验。过程记录照片见下图：

5.应用

自2013年12月开始，多个核电站使用本技术已多次成功实施异物打捞、堆腔底部水体净化、BMI焊缝清洁等任务，达到了预期的效果。

该项检修技术不仅为核电厂的装料、换料、大修提供了有力保障、为电厂大修后续工作开展创造了有利的工作环境，相对节约了清除异物的工作时间，更有效保证了反应堆压力容器的安全运行。

该成果为国内首创，已经在国内多个电站被实际应用。该成果的应用对降低检修时的环境剂量、消除异物隐患、保障设备安全、减少大修工期等具有积极意义。

结论

本项目研发的轻型水下吸尘器可以实现对核电水池内外形大径尺寸为25μm～45mm、重量≤1kg、颗粒状直线异物的水下拾取。该项水下吸尘技术建立了一整套核电水下异物清除手段，通过一系列专用工具的成功研制，实现了核电水下异物排除和水体净化工作的便捷化操作。使用本技术在十多次核电厂的实际应用被证明是方便、快捷和有效的。

本技术已申请多项专利，其中的双向真空吸尘技术填补了国内空白并处于国际领先地位。本技术和国外同类产品相比在轻便性、易用性和减少大修时间上有一定优势。同时节约了引用国外技术的高昂费用，为用户大大降低了运维成本。该净化装置不论在便捷性、效率还是在安全性、经济性方面都是目前核电站较为理想的选择。

参考文献

[1]袁寿其施卫东刘厚林等编著.泵理论与技术[M].北京：机械工业出版社，2014.（83）