黃 崗，孫 勝，童明炎，王育坤，戴鈺冰

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610005)

核能和核技術(shù)的應(yīng)用給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但也產(chǎn)生了越來(lái)越多的放射性廢物，放射性廢物的安全運(yùn)輸和處置已越來(lái)越為人們所關(guān)注。核電站大量使用離子交換樹脂，樹脂經(jīng)反復(fù)使用富集放射性核素，最終老化失效成為放射性廢樹脂，廢樹脂是核電站運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的主要低、中放射性廢物之一[1]。對(duì)于廢樹脂，目前主要采用由貯槽和管路系統(tǒng)組成的固定設(shè)施接收，由于貯槽和管線等長(zhǎng)期處于地下，一旦出現(xiàn)故障，施工困難且維修周期較長(zhǎng)，難以保障放射性廢樹脂的接收，影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行，因此急需設(shè)計(jì)和建造一套用于應(yīng)急接收廢樹脂的裝置，當(dāng)廢樹脂固定接收設(shè)施出現(xiàn)故障時(shí)保證廢樹脂及時(shí)安全地排放。

車載式裝置由于具有機(jī)動(dòng)靈活、輕便、適應(yīng)性和應(yīng)急性強(qiáng)等特點(diǎn)，在乏燃料運(yùn)輸、放射源運(yùn)輸和放射性檢測(cè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[2-4]，車載式裝置的強(qiáng)度是安全運(yùn)輸?shù)闹匾Ｕ?，其在使用過(guò)程中會(huì)受到靜載及沖擊載荷作用，采用理論分析方法很難準(zhǔn)確描述其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力行為。本文基于某核電站應(yīng)急接收廢樹脂的需要，研制一套用于接收和轉(zhuǎn)運(yùn)廢樹脂的車載式裝置。研制過(guò)程中，采用有限元法對(duì)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果按照RCC-M規(guī)范[5]對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。

1 裝置設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的廢樹脂接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。由圖1可見，該裝置主要由箱體、廢樹脂罐、廢水接收槽、排風(fēng)過(guò)濾器和管路系統(tǒng)組成。廢樹脂接收工藝為：離子交換柱中的廢樹脂在壓縮空氣的作用下通過(guò)軟管排入廢樹脂罐，排放過(guò)程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)廢樹脂罐頂部過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后溢流進(jìn)入廢水接收槽，排放過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)排風(fēng)過(guò)濾器過(guò)濾后就地排放，完成廢樹脂接收。此后將裝置運(yùn)送至三廢處理中心，用壓縮空氣將廢樹脂罐中的廢樹脂排入到該中心的廢樹脂貯槽，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)泵將廢水接收槽中的廢水排入到該中心的廢液貯槽中。該裝置中的所有組成設(shè)備和管道均安裝在一標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，人在箱體外通過(guò)操作孔對(duì)裝置的閥門和快速接頭進(jìn)行操作。廢樹脂罐和廢水接收槽通過(guò)軟管相接，為確保廢樹脂罐溢流口位置高于廢水接收槽液位點(diǎn)，廢樹脂罐采用立式結(jié)構(gòu)，廢水接收槽采用臥式結(jié)構(gòu)?？紤]到耐腐蝕性、強(qiáng)度、韌性和去污要求，廢樹脂罐、廢水接收槽、箱體內(nèi)殼和管道等材料均采用06Cr18Ni11Ti不銹鋼。在箱體左下側(cè)隔出一小塊空間用于放置操作柜，操作柜用于啟停廢水轉(zhuǎn)運(yùn)泵并顯示監(jiān)測(cè)儀表信號(hào)。在廢樹脂罐頂部設(shè)置吊裝孔，用于當(dāng)廢樹脂罐單獨(dú)使用時(shí)將其吊出。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

箱體按1CC集裝箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，為防止廢水在低溫惡劣環(huán)境下凍結(jié)，箱體采用聚氨酯硬泡結(jié)構(gòu)保溫集裝箱，箱體框架材料采用耐低溫材料Q345C。經(jīng)計(jì)算，箱體各面保溫層厚度分別為頂部80 mm、底部100 mm、側(cè)壁60 mm。廢樹脂罐設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa，有效容積為550 L。對(duì)廢樹脂罐采用蒙特卡羅方法進(jìn)行屏蔽計(jì)算，廢樹脂源項(xiàng)按1 MBq/kg考慮，經(jīng)計(jì)算廢樹脂罐滿載時(shí)表面最大劑量率為0.27 mSv/h，距離廢樹脂罐表面2 m處最大劑量率為0.007 mSv/h，滿足放射性物質(zhì)安全運(yùn)輸規(guī)定[6]。廢水接收槽設(shè)計(jì)壓力取常壓，有效容積為6 m3。

2 動(dòng)力學(xué)分析和強(qiáng)度評(píng)定

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)裝置在運(yùn)輸時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性及對(duì)放射性物質(zhì)包容性的要求，選取箱體框架、廢樹脂罐和廢水接收槽為研究對(duì)象，裝置在設(shè)計(jì)溫度下的材料參數(shù)列于表1[7-8]，裝置建模時(shí)忽略微小結(jié)構(gòu)，并忽略廢樹脂罐和廢水接收槽小接管對(duì)區(qū)域強(qiáng)度的影響，儲(chǔ)槽內(nèi)液體引起的慣性力通過(guò)附加質(zhì)量[9-10]將其等效轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)槽殼體上。在運(yùn)輸過(guò)程中，裝置4個(gè)底角件與半掛車鉸接固定，按此情況，在底角件底面施加固定約束。廢樹脂罐通過(guò)壓緊裝置固定在箱體框架上，因此，將廢樹脂罐與箱體框架的連接近似處理為剛性連接，廢水接收槽通過(guò)螺柱螺母與箱體框架連接，螺柱與箱體框架焊接，因此，廢水接收槽鞍座與箱體框架以及鞍座與螺柱的連接均設(shè)置為摩擦連接，摩擦系數(shù)取0.3，計(jì)算模型主要采用計(jì)算精度較高的六面體網(wǎng)格，模型劃分單元數(shù)為434 978個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為625 048個(gè)，裝置有限元模型如圖2所示。

表1 裝置材料參數(shù)

圖2 裝置有限元模型

2.2 載荷組合和校核準(zhǔn)則

廢樹脂罐、廢水接收槽分別用于接收并暫存廢樹脂和廢水，為核安全3級(jí)，按RCC-M規(guī)范D篇進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定；箱體框架作為廢樹脂罐和廢水接收槽的支撐件，為S2級(jí)，按照RCC-M規(guī)范H篇進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定；螺柱作為螺栓緊固件，按照規(guī)范ZVI2461的要求進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。本文主要計(jì)算裝置在設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力，此工況下的載荷組合為：設(shè)計(jì)壓力+自重+內(nèi)裝液體+運(yùn)行基準(zhǔn)地震載荷，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力準(zhǔn)則為O級(jí)準(zhǔn)則。廢樹脂罐和廢水接收槽按照3級(jí)部件的要求，采用彈性分析法和TRESCA評(píng)定準(zhǔn)則，其應(yīng)力限制為：

Pm≤Sm

PL≤1.5Sm

Pm(PL)+Pb≤1.5Sm

(1)

式中：Pm為一次薄膜應(yīng)力，MPa；PL為一次局部薄膜應(yīng)力，MPa；Pb為一次彎曲應(yīng)力，MPa；Sm為材料的基本許用應(yīng)力強(qiáng)度，其值取min(Su/4，2Sy/3)。箱體框架按照S2級(jí)線性支承件的要求，采用彈性分析法和最大應(yīng)力評(píng)定準(zhǔn)則，其應(yīng)力限制為：

σ1≤min(0.6Sy,0.5Su)

τmax≤min(0.4Sy,0.33Su)

(2)

式中：σ1為最大拉應(yīng)力，MPa；τmax為最大切應(yīng)力，MPa。

螺柱按螺栓緊固件的要求，其應(yīng)力限制為：

Ft≤Ftb

Fv≤Fvb

(3)

式中：Ft為計(jì)算拉伸應(yīng)力，MPa；Fv為計(jì)算剪切應(yīng)力，MPa；Ftb為許用拉伸應(yīng)力，其值為0.5Su；Fvb為許用剪切應(yīng)力，其值為5Su/24。

2.3 計(jì)算結(jié)果和評(píng)定

采用BlockLanczos法對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，得到前50階固有頻率，裝置前10階固有頻率和振型列于表2。采用譜分析法，先分別獨(dú)立計(jì)算三維模型在x、y和z方向的應(yīng)力，再將3個(gè)方向的應(yīng)力用平方和的平方根方法進(jìn)行組合，得到裝置在地震載荷作用下的應(yīng)力。計(jì)算輸入的反應(yīng)譜由技術(shù)規(guī)格書提供，計(jì)算模型阻尼比取2%。圖3為裝置滿載時(shí)在運(yùn)行基準(zhǔn)地震載荷作用下的響應(yīng)譜分析結(jié)果，最大應(yīng)力強(qiáng)度產(chǎn)生在廢水接收槽鞍座上，其值為168.5 MPa，將裝置在地震載荷作用下的響應(yīng)譜分析結(jié)果與裝置在其他設(shè)計(jì)載荷下的靜力學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行組合，組合后應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，組合后最大應(yīng)力強(qiáng)度增大至235.9 MPa，其位置在廢樹脂罐上封頭與接管連接處。

表2 裝置前10階固有頻率及振型

圖3 響應(yīng)譜分析結(jié)果

圖4 設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力強(qiáng)度

依據(jù)RCC-M規(guī)范O級(jí)準(zhǔn)則對(duì)裝置進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。對(duì)于廢樹脂罐和廢水接收槽，均在支座區(qū)域、封頭區(qū)域、筒體區(qū)域和接管區(qū)域取相應(yīng)的路徑進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定；對(duì)于同一部件，薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力均取各路徑中的最大值；對(duì)于螺柱，拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力均取4個(gè)螺柱中的最大計(jì)算值。表3為裝置應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果。表3數(shù)據(jù)表明，裝置在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力強(qiáng)度滿足RCC-M規(guī)范O級(jí)準(zhǔn)則的強(qiáng)度要求。

表3 裝置應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

裝置加工完畢后，對(duì)其進(jìn)行了起吊和運(yùn)輸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，裝置未出現(xiàn)影響正常使用的永久性變形和異狀。

對(duì)廢樹脂罐和廢水接收槽進(jìn)行了水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中廢樹脂罐和廢水接收槽均無(wú)滲漏，無(wú)可見的變形和異常聲響，滿足RCC-M規(guī)范對(duì)容器水壓試驗(yàn)的要求。

最后，對(duì)裝置進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試以及廢樹脂的接收和運(yùn)輸試驗(yàn)，并對(duì)其在滿載時(shí)進(jìn)行了劑量監(jiān)測(cè)，均滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

4 小結(jié)

本文基于核電站應(yīng)急接收廢樹脂的需要，研制了一套車載式廢樹脂接收裝置，研制過(guò)程中利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并根據(jù)RCC-M規(guī)范對(duì)裝置結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。結(jié)果表明，裝置符合RCC-M規(guī)范O級(jí)準(zhǔn)則的強(qiáng)度要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的裝置滿足廢樹脂接收和安全運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

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