AP1000 机组硼酸制备工作的问题分析

AP1000 机组硼酸制备工作的问题分析
摘要：核电站为满足系统试验要求和《技术规格书》相关要求，在首次装料前
存在大量的硼酸制备需求。

制硼工作由于工期长、人力需求大、物资消耗大，容易成为制约机组装料的关键路径，对机组进度的推进非常不利。

本文对硼酸制备工作进行了梳理介绍，并针对工作过程中出现的一些问题，做出相应的分析，并提出相关解决方法和建议方案，保障硼酸制备工作的顺利进行，供以后硼酸制备工作参考。

关键词：制备硼酸；问题分析
Analysis on the preparation of boric acid in AP1000 unit
Abstract：In order to meet the requirement of systematic experiment and <Technical Specification>，a large amount of boron is needed before the first loading. Since the producing of boron is featured with long working period，high demand of human power and great consuming of materials，it might poses a negative influence on the unit schedule progress.This paper generalizes the boric acid preparation work is introduced，and aims at some problems appeared in the course of work，makes the corresponding analysis，and put forward relevant solutions and proposals and safeguarding the smooth progress of the boric acid preparation work for later reference boric acid preparation work.
Keywords：preparation of boric acid；Problem analysis
1.前言
硼酸作为核电厂反应堆的反应性控制材料，《技术规格书》对反应堆冷却剂系统（RCS）、乏燃料池冷却系统（SFS）、化容系统（CVS）、安全壳内置换料水箱（IRWST）和安全注射系统（ACC/CMT）都有具体的硼酸要求，为了满足装料条件，核电厂新机组都面临装料前的大量硼酸制备工作。

硼酸的添加需要先使用硼酸制备箱将硼酸粉末制备成一定浓度的硼酸溶液，
再将硼酸溶液输送至硼酸储存箱。

硼酸储存箱中的硼酸溶液通过CVS-RMCS（反应堆补水控制系统）输送至用户。

在硼酸制备工作过程中出现一系列问题，影响工作的顺利进行。

本文对硼酸制备过程中出现的问题进行了探讨，并提出了解决方法，对问题的永久解决，也提出了一些建议。

2. 硼酸制备工作介绍：
制备用的硼酸为白色粉末状结晶，无臭味，溶于水。

硼酸在水中的溶解度如下所示：
硼酸溶解度的相关换算：
硼酸制备中硼酸的化学式为H3BO3，相对分子质量为 61.8，硼的相对原子质量为 10.8。

根据溶解度的定义：
等式①：1g硼酸/100g 水=1g×（10.8/61.8）/100g=0.174757 ×10-2=1747.57 ×10 -6
=1747.57ppm；
等式②：1g硼酸/100g 水=10kg 硼酸/1000kg 水=10kg 硼酸/1m3水。

硼酸配置回路设备主要包括硼酸制备箱、硼酸制备箱搅拌机、硼酸储存箱和电加热器等，用于硼酸的制备和储存。

硼酸储存箱内的硼酸浓度为 4375ppm，可根据需要配置成一定浓度
的硼酸溶液送至 RCS、IRWST、SFP、ACC、CMT 等用户。

硼酸制备箱本体为穿楼层布置，箱体上半部位于附属厂房 40442房间，下半部位于40340 房间，箱体底部标高为 121 英尺。

在 40442房间内执行硼酸配制和电加热器操作，在40340 房间内执行硼酸制备箱取样、疏水操作。

箱体总容积（有效容积）为 3.03m3，0%液位
对应椭球型底封头与圆柱体的焊缝处，100%液位对应溢流孔下沿。

硼酸储存箱位于附属厂房外西北侧，硼酸储存箱的设计基准为：①具有足够的能力在
堆芯寿期末完成一次冷停堆，随后电厂返回功率运行；②具有足够的能力在电站换料停堆返
回功率运行后，将反应堆立即硼化到冷停堆。

基于上述要求，硼酸储存箱至少应该有 265m3
的容积，考虑仪表与实际误差，其实际总容积为 302.8m3，有效容积为283.45m3。

0%液位对应箱体底部，100%液位对应椭球型上上封头与圆柱筒体的焊缝处，97%液位触发高报警，93%液位触发低报警，5%液位触发 EMPTY 报警，当出现 5%报警时，应立即停运运行中的 CVS 补
水泵，防止泵汽蚀损坏。

硼酸制备图如下所示：
硼酸制备箱至硼酸储存箱输送管线如图中箭头所示。

V101（硼酸制备箱除盐水隔离阀）
向硼酸制备箱添加除盐水，V110（硼酸储存箱就地疏水阀）对输送管线进行疏水，V108 为硼酸制备箱至硼酸储存箱输送管线隔离阀。

硼酸制备箱上的设备有EH-02（硼酸制备箱电加热器）、MY-Y01（硼酸制备箱搅拌器）、LI108（硼酸制备箱液位计）、水温计和加药口，以及相应的溢流管线、疏水管线和取样管线。

电加热器的功率为102kW，由 ECS-EK-14 供电，搅拌机功率为 0.75kW，由 ECS-EC-141供电。

硼酸制备的硼浓度约为 4375ppm，而硼酸制备箱的有效容积约为3.03m3。

按照 100%水
位制备硼酸，根据等式①和等式②，制备 1 罐（1 硼酸制备箱）硼酸溶液所需硼酸粉
末的质量为：4375ppm/1747.57ppm）×10kg×3.03=75.855kg。

实际上由于硼酸制备箱进水
（来自阀门 V101 的 DWS 水）流量较大，关 V101 时要有一定提前量，关闭 V101 后硼酸制备
箱的液位约为 97%～99%，则相应硼酸硼酸粉末的质量为：（4375ppm/1747.57ppm）×10kg×（3.03×97%～99%）=75.855kg×97%～99%=73.58 kg～75.1 kg。

制硼时使用的硼酸为 50kg 每桶，为了方便批量制备硼酸，制备一罐硼酸溶液使用约 75kg硼酸粉末，制备两罐硼酸溶液使用 3 桶硼酸粉末。

以硼酸储存箱有效容积 283.45m3来计算，制备一硼酸制备箱的硼酸溶液需要制备
283.45m3/（3.03 m3×97%～99%）= 94.5～96.4 罐。

以硼酸储存箱 97%液位（高报液位）计算，需要 94.5～96.4×97%=91.7～93.5 罐。

硼酸制备箱制备硼酸的步骤如下：
⑴通过开关阀门 1-CVS-V104（硼酸制备箱就地疏水阀）和1-CVS-V105（硼酸制备箱输送
管线疏水阀）对 1-CVS-MT-02（硼酸制备箱）疏水。

⑵通过 1-CVS-V101（硼酸制备箱除盐水隔离阀）向硼酸制备箱添加除盐水至接近满水。

⑶先后投运 1-CVS-EH-02（硼酸制备箱电加热器）和1-CVS-MY-Y01（硼酸制备箱搅拌器）。

⑷待硼酸制备箱中的水温上升至 32℃，向硼酸制备箱中添加约75kg 硼酸粉末。

⑸待搅拌器运行一段时，确定所有添加的硼酸粉末已经完全溶解。

⑹通知化学人员取样，分析硼酸制备箱的硼浓度。

根据化学人员要求向硼酸制备箱中添加除盐水或硼酸，调整硼酸制备箱内硼浓度达到要求值。

（实际工作中制备前几罐硼酸时化学人员取样，化学要求浓度为 4200ppm-4700ppm，发现实际浓度与 4375ppm 偏差较小，都符合要求）
⑺停运 1-CVS-EH-02（硼酸制备箱电加热器）和 1-CVS-MY-Y01（硼酸制备箱搅拌器）。

（防止硼酸制备箱液位下降后干烧）
⑻开启1-CVS-V108（硼酸制备箱至硼酸储存箱输送管线隔离阀）通过上图中所示路径将硼酸储存箱中的硼酸溶液输送至1-CVS-MT-01（硼酸储存箱）。

⑼检查 1-CVS-LI108（硼酸制备箱液位计）指示下降。

（10）当硼酸制备箱液位计指示降至 0%时，说明硼酸制备箱中溶液输送完毕。

在顺利的情况下，制备一罐硼酸溶液并输送至硼酸储存箱的时间为：DWS 为硼酸制备箱的充水满水时间约 10 分钟，添加硼酸的时间约 10 多分钟，加热器加热 DWS 水的时间以及搅拌器搅混溶液的时间约30多分钟，硼酸全部输送至硼酸储存箱的输送时间约30多分钟（化学人员取样的时间可以并在其他时间内），共需要约 1.5h。

冬季天气冷，加热时间变长，总共需要约 2h。

3 硼酸制备工作中出现的问题及解决方法
在硼酸制备工作过程中，出现过一些问题，影响了制备工作的顺利进行。

其中的主要问题总结如下：
3.1 硼酸制备箱至硼酸储存箱的输送管线堵塞
3.1.1 管线堵塞问题介绍
在制硼过程中，多次出现过硼酸制备箱至硼酸储存箱的输送管线堵塞的情况：当打开 1-CVS-PL-V108 由硼酸制备箱向硼酸储存箱输送硼酸后，发现 1-CVS-LI108（硼酸制备箱液位变送器）的读数下降很慢，大约 15min 下降 0.2%，液位下降极慢。

液位下降慢，排除液位变送器故障的可能后，只有一个原因：输送管线堵塞。

该问题必须要得到解决，否则制备的硼酸溶液无法输送至硼酸储存箱。

3.1.2 堵塞问题的分析
根据设计，V108 阀门前的输送管道直径为 2 英寸，V108 阀门后的管道直径为 4 英寸，而且之前 4 英寸管道是在制备硼酸时是无硼酸的，管道堵塞的部分应该是在 2 英寸管道上。

在现场可见硼酸制备箱底部疏水管道入口有未融化硼酸沉入管道内。

阀门 1-CVS-V108 及之前的管道是与硼酸制备箱相连通，并且从硼酸制备箱的底部连下来的。

硼酸制备箱在40442 房间，而阀门1-CVS-V108 在 40442 楼下的 40340 房间，这样在硼酸制备过程中，
V108 之前的管道附近比较容易有硼酸结晶或杂质积聚，导致管道堵塞。

针对堵管问题
有工单对 1-CVS-PL-V108 解体检查，当时未发现V108 内有堵塞的残渣或结晶。

说明不是 V108 堵塞，则最有可能在输送管线由竖直转为水平之后的水平管道处发生堵塞。

结论：
①堵塞原因：在添加硼酸粉末的过程中，未融化的小颗粒硼酸（小于传输管道入口滤
网的200 微米直径）从传输管入口往下沉淀。

由于管道内硼酸无流速，造成局部硼酸量太大，不能全部溶解，加之管道较细（2 英寸），沉淀的未溶解硼酸粉末达到一定量后形成堵塞。

（在管道堵塞后，之后通过疏水阀排出的液体中目视可见白色沉淀物。

）
②堵塞位置：在制备过程中，硼酸制备箱相连管道内硼酸无流速，沉淀的硼酸在硼酸
制备箱传输管的水平位置积聚，达到一定量后形成堵塞。

3.1.3 解决问题的方法及进一步改进建议
3.1.3.1 解决问题的方法
现场尝试采用一些方法解决堵塞问题
①敲击管道
在打开 1-CVS-V108 之后，敲击 V108 之前的管道，没有效果，再敲打 V108 阀门，依旧
没有效果。

之后反复敲击管道和阀门，仍旧没有效果。

②加热液体
使用加热液体的方法，加强管道内存在的硼酸粉末的溶解。

手动投运制备箱电加热器，
待硼酸制备箱温度计显示为 36℃，温枪测得V108 前后的温度接近 30℃，在此温度下硼酸的
溶解度为11534ppm 左右，远超过制硼的浓度4375ppm，推算管道内已很少硼酸结晶。

然而，发现液位下降变化不大，效果并不明显。

③利用高度差疏水冲击管道
尝试各种方法后，对管道堵塞问题没有合适的解决办法。

最后想到利用硼酸制备箱与
V108 附近的管道的高度差，疏水冲击管道。

具体做法如下：先将 V108 关闭，将 V112 和
V116 关闭，再将V110打开，将V112和V116之间的管道内液体排空（之前联系过化学人员，确定 V110 的排水允许排放少量硼酸溶液）。

然后保持 V110 开启，将V108 全开，利用硼酸
制备箱内液体与堵塞处的高度差冲开堵塞处，将堵塞管道疏水，并进行冲洗。

打开V108 后，发现有较大的疏水流量，说明管道堵塞的问题已经解决。

经过观察，整个疏水冲击时硼酸制
备箱液位下降 0.2%，约 6 升溶液。

之后先关闭 V108 和 V110，再恢复溶液输送的在线。

在打
开 V108后。

输送流量显著变大，大约半小时将硼酸制备箱内的硼酸溶液全部输送完毕。

④输送管线疏水的优化操作：
之前使用的是 V108，但是需要先排空 V108 至 V116 之间的管道，再开 V108，这样多排
放了这段管道的硼酸。

在分析出来硼酸堵塞的管道是 V108 之前的水平管道后，根据 PID图和现场管道设备布置，阀门 V105 紧靠 V108，可以达到冲洗堵塞物的目的，于是决定通过 V105 疏水冲洗。

发现能解决堵塞问题，而且操作的阀门跟梢，步骤也少，排放的硼酸也少。

3.1.3.2 关于管道堵塞的改进建议（设备方面）
虽然通过疏水冲击可以解决输送管道堵塞问题，但是疏水法不易控制疏水量，会排放一
定量含硼水；而且不能保证一直有效。

需要采用永久性的方法做出改善。

①输送管道加粗
管道堵塞的主要问题是管道较细，容易导致硼酸粉末积聚堵塞，从临时制硼装置做对比，其输送管道为 DN50，管道比较粗，未出现过管道堵塞的问题。

因此最好的解决方法是将 2 英寸管道更换成更粗一些的管道。

另外，从经验来看，管道内水温接近 30℃时，依然会出现堵塞现象，因此在输送管道上铺设 EHS 加热的效果应不明显，只能在气温低的情况下缓解问题，并不能根本性解决问题，
效果不若加粗管道。

②加药口设置滤网；
在制硼时，现场目视可见硼酸制备箱底部有未溶解的硼酸粉末和杂质，传输管道出药口
比较靠近箱体底部。

虽然在硼酸制备箱的传输管线入口有滤网，但是滤网口径为 200 微米，
相对较大，未融化的硼酸粉末可以穿过滤网进入输送管道。

解决硼酸粉末进入管道的方法是像临时制硼装置一样，在加药口设置方便使用的过滤网。

硼酸粉末先在入口滤网水容积内溶解，然后通过滤网过滤进入硼酸制备箱罐体，这样可以减
少硼酸制备箱底部未及溶解的粉末量。

加药口本来设计有滤网，但是滤网较浅，没入水中的深度为 20厘米左右，滤网内水体
积较小，只能缓慢溶解硼酸粉末，效率低。

硼酸制备箱需要设置更深更大的滤网，水容积能溶解跟多的硼酸。

并且需要手动搅拌机，加速硼酸溶解。

3.1.3.3 关于管道堵塞的改进建议（规程操作方面）
在设备问题没有解决前，管道堵塞的问题不能避免，需要从规程操作方面提出相应的解
决方法。

① 添加硼酸粉末的操作改进
硼酸制备箱电加热器自动模式下维持制备箱内水温在 32℃—35℃之间，目前规程中规定水温高于 32℃时可以添加硼酸粉末。

由于此时硼酸粉末溶解的不彻底，可以在规程中规定待
水温上升至 35℃再添加硼酸粉末。

添加硼酸粉末少量多次进行。

每次添加少量，待目视添加
的硼酸全部溶解后再进行下一次添加。

② 制硼结束后的收尾工作
i制硼工作结束后用温热除盐水冲洗相关管道。

虽然在规程里有制硼后有输送管线的冲洗步骤，但是没有加热制备箱中除盐水的步骤，
也没有取样管线的冲洗步骤。

建议硼酸制备工作结束后，制备箱中加入除盐水，待除盐水没
过电加热器，然后投运制备箱搅拌器和电加热器。

待罐中除盐水加热至35℃并维持5min 后，停运搅拌机和电加热器，冲洗输送管线和取样管线。

ii 将罐体内充满水。

目的是盖住输送管线入口，防止管道内残存的硼酸溶液水分蒸发，析出硼酸结晶附着在
管道壁。

由于 V108 在不做硼酸制备时是做关闭的行政隔离的，因此罐内满水也杜绝了除盐
水流入硼酸储存箱而引起硼酸储存箱内硼酸稀释的可能性。

③制备第一罐硼酸的额外操作
硼酸制备箱内加满除盐水后，使用电加热器将水温升至 35℃以上，先不添加硼酸，使用温热除盐水冲洗管道，将管道内的硼酸溶解并冲洗。

3.2 硼酸制备箱与硼酸储存箱的高度差不够
3.2.1 高度差不够的问题介绍
在硼酸制备中，发现当硼酸储存箱的液位为 97.2%左右时，与硼酸储存箱 17.3%液位高度平齐，此时只靠重力无法再进行硼酸溶液的输送。

高度差不够的现状意味着硼酸储存箱的液位最高为 97.2%左右，将导致硼酸储存箱的储存少 283.45m3 ×（100%-97.2%）=7.94m 3的硼酸。

同时硼酸储存箱从 97.2%下降到 93%低报液位就需要启动制备硼酸工作，这中间只有约 283.45m3 ×（97.2%-93%）=11.9m 3 的裕量，仅为 100%满液位情况下裕量的 61.4%。

这意味着更加频繁的进行硼酸制备的工作，增加运行人员的工作量。

另外在硼酸制备的最后几罐会出现残液，如何处理残液需要作出评估。

3.2.2 高度差不够的问题分析
硼酸制备箱的有效容积 V 1 =3.03m3；有效高度（液位计 LI108 的测量范围）H 1
=61.5in=1562.1mm。

硼酸储存箱的有效容积 V 2 =283.45m3；有效高度（液位计 LIA109的测量范围）H 2 =180in=4572mm。

由于硼酸制备箱和硼酸储存箱的有效容积部分都是圆柱体，因此两个箱体的液位百分比视为其有效溶液容积的百分比。

硼酸制备箱 17.3%液位对应的高度为△H 1 = H 1 ×17.3%=270.24mm；△H 1 的意义为：硼酸储存箱的液位从当前液位（指 97.2%液位）再下降△H 1 的高度，则与硼酸制备箱 0%液位平齐，此时硼酸制备箱内的溶液可以全部输送到硼酸储存箱。

此高度对应硼酸储存箱的体积（液位）百分比为：S 2 *△H 1 /S 2 *H 2 =△H 1 / H 2
=270.24/4572=5.91%（注：S 2 为硼酸储存箱的有效底面积）；
由于最后硼酸储存箱的液位为 97.2%，则硼酸储存箱与硼酸制备箱的平齐液位为 97.2%-5.91%=91.29%。

平齐液位的意义为：在硼酸制备箱为硼酸储存箱制备硼酸时，当硼酸储存箱的液位高于平齐液位时，硼酸制备箱内的硼酸溶液不能完全输送，会有残留。

值得注意的是，在正常情况下，硼酸储存箱需要添加硼酸的液位范围为 93%—97%，此范围在平齐液位之上。

再此范围内，硼酸制备箱内的硼酸溶液不能完全输送至硼酸储存箱。

100%液位的硼酸制备箱溶液输送至硼酸储存箱，引起硼酸储存箱的液位升高高度为△H 2L =V 1 H 2 /V 2 =3.03m3 ×4572mm/283.45m 3 =48.87mm。

最后一罐引起的硼酸储存箱液位升高△H 21S =（97%- H 21C）×△H 2L =（97%-17.3%）×△H 2L =38.95mm。

即相对比倒数第一罐，倒数第二罐可以多输送△H 21S 高度的硼酸溶液。

则倒数第二罐的残留液位为△H 22C =H 21C -△H 21S / H 1 =17.3%-△H 21S / H 1 =17.3%-
2.49%=14.8%。

同理可得其它数值如下表所示，其中△H 2NC 的意义为倒数第 N 罐中残留的液体液位。

则总共残留△H 21C +△H 22C +△H 23C +△H 24C +△H 25C +△H 26C +△H 27C =65.86%的硼酸制备箱内硼酸溶液，体积 V=3.03m3 ×65.86%=2m 3。

3.2.3 解决的方法
有两种方式解决制硼过程中的硼酸溶液残留问题。

①疏水：制备下一罐硼酸之前，确认 V108 关闭，打开阀门 V105对硼酸制备箱疏水，
当疏水完毕后，关闭V105。

之后添加除盐水至满水。

每罐添加的硼酸粉末的质量与之前相同，即每罐添加 75kg。

②不疏水：制备下一罐硼酸之前，不疏水。

记录下残留溶液的液位，然后添加除盐水
至满水，根据添加的除盐水量依次计算所用硼酸粉末的质量。

两种方式的优缺点对比：方式①的优点：无需额外计算。

缺点：i 需要额外的阀门操作；ii 浪费硼酸溶液。

从硼酸储存箱的 93%液位添加至 97%液位，通过计算，需要制备 5 罐硼酸
溶液，则总的残夜排放量约为
V=△H21C+△H22C+△H23C+△H24C+△H25C=60.66%×V1=1.838m3。

方式②的优点：i 少浪费硼酸，残液排放量（最后一罐需要排放残夜）为
V=17.3%×V1=0.524m3，比方式①少排放 1.314m3硼酸溶液，约节约 33.5kg 硼酸粉末；ii 无需额外阀门操作。

缺点：需要根据残留液位计算硼酸粉末添加量。

通过对比，建议采用方式②，减少阀门操作，同时节约硼酸。

但是需要重新计算硼酸添加量，要在规程中加入硼酸添加量
的计算公式M 添 =75.855kg×（满水液位-残液液位）。

硼酸制备工作中出现的问题及解决方法和改进建议总结如下：
结语：
硼酸制备中出现的问题会阻碍硼酸制备工作的进行，分析和解决这些问题，对保障硼酸
制备工作的顺利进行，保障电厂有充足的可用硼酸，有一定的意义。

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