高虎

（南京源自電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800）

1 研究背景

在我國(guó)核電站放射性廢物處理工藝系統(tǒng)中，濕廢物取樣分析是不可缺少的工藝環(huán)節(jié)之一，一般采用取樣手套箱或手動(dòng)閥取進(jìn)行人工取樣，通過(guò)控制取樣時(shí)間、距離、臨時(shí)屏蔽等手段，減少操作人員在取樣過(guò)程中輻射照射，取樣后屏蔽儲(chǔ)存樣品并安全轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室同樣需要人工進(jìn)行操作。目前，少部分AP1000 核電站引進(jìn)了美國(guó)成熟技術(shù)設(shè)備，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)完成取樣儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，可以將人員輻照風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

受中美貿(mào)易摩擦影響，我國(guó)第三代核電示范項(xiàng)目CAP1400 反應(yīng)堆中美國(guó)獨(dú)有的核技術(shù)、設(shè)備受到美國(guó)能源部10CFR Part 810 民用核電技術(shù)的出口限制，廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置相關(guān)技術(shù)存在受限可能。為了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該類(lèi)設(shè)備的空白，避免受到國(guó)外進(jìn)口限制，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置國(guó)產(chǎn)化研究勢(shì)在必行，掌握設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)的核心科技，能夠?yàn)橥七M(jìn)CAP1400 示范工程項(xiàng)目提供有力的支撐。

2 廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置功能要求

廢樹(shù)脂取樣裝置進(jìn)行取樣的濕廢物是由樹(shù)脂、活性炭、沸石等與水混合的流體介質(zhì)，具有放射性，可對(duì)人體造成傷害，所以，取樣過(guò)程中應(yīng)能通過(guò)遠(yuǎn)程控制完成自動(dòng)取樣；取出的樣品需要儲(chǔ)存到容器中并且能進(jìn)行屏蔽，這一過(guò)程同樣需要遠(yuǎn)程控制完成；當(dāng)樣品進(jìn)行屏蔽后，即可轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。綜合幾方面功能要求，廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置需具備自動(dòng)取樣、自動(dòng)儲(chǔ)存、屏蔽防護(hù)以及轉(zhuǎn)運(yùn)功能，考慮到轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)受核電站廠房環(huán)境因素影響，可以采用人工轉(zhuǎn)運(yùn)方式，其他過(guò)程均應(yīng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)運(yùn)行。

3 廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)功能需要，如圖1 所示，廢樹(shù)脂取樣自動(dòng)取樣裝置由廢樹(shù)脂取樣器、取樣瓶、提升系統(tǒng)、屏蔽容器、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、定位系統(tǒng)及控制系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1 廢樹(shù)脂取樣器

廢樹(shù)脂取樣器是整個(gè)裝置的核心部件，其作用是完成將濕廢物樣品從管線中取出這一重要環(huán)節(jié)。

廢樹(shù)脂取樣器通過(guò)法蘭安裝在濕廢物循環(huán)管線上，采用氣動(dòng)方式通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)取樣頭在管線中伸出與復(fù)位。取樣頭上設(shè)采集腔，采集腔的容積是單次取出的樣品體積。當(dāng)取樣頭隨氣缸動(dòng)作伸入管線中，濕廢物介質(zhì)進(jìn)入采集腔并充滿；當(dāng)取樣頭隨氣缸復(fù)位后，采集腔中的濕廢物介質(zhì)被取出，并通過(guò)廢樹(shù)脂取樣器出口探針自然排出至取樣瓶中。

圖1 系統(tǒng)流程圖

圖2 吹掃單元

考慮到濕廢物介質(zhì)不能全部自然排除，會(huì)殘留一部分附著在采集腔及管路上，如不處理，可能滴落至廠房?jī)?nèi)造成輻射污染，所以需要對(duì)取樣后的采集腔進(jìn)行沖洗。傳統(tǒng)的沖洗方式?jīng)_洗壓力、沖洗水量均不易控制，所以，針對(duì)廢樹(shù)脂取樣器采取特殊工藝的吹掃單元，如圖2 所示，吹掃單元由兩個(gè)三通換向閥、減壓閥構(gòu)成，吹掃出口接至采集腔沖洗入口，其工作原理是通過(guò)切換兩個(gè)三通換向閥進(jìn)、出水方向，在兩個(gè)換向閥間的管路中留存一定量的除鹽水，通過(guò)減壓閥進(jìn)行減壓的壓縮空氣推動(dòng)留存的除鹽水對(duì)采集腔進(jìn)行沖洗，當(dāng)除鹽水吹掃完后，持續(xù)吹掃一定時(shí)間，確保采集腔內(nèi)無(wú)水氣殘留。

3.2 取樣瓶

取樣瓶置于屏蔽容器中，用來(lái)存放廢樹(shù)脂取樣器取出的濕廢物樣品，它由頂部懸掛組件和樣瓶組成。樣瓶根據(jù)取樣量和吹掃水量選定容積，考慮到實(shí)驗(yàn)室濕廢物樣品的取出，樣瓶可采用一次性聚丙烯瓶，通過(guò)螺紋與頂部懸掛組件連接，每次取樣更換新的樣瓶；取樣瓶懸掛組件與提升系統(tǒng)配合，隨提升系統(tǒng)上升和下降，在上升過(guò)程中，廢樹(shù)脂取樣器探針插入取樣瓶樣瓶中，廢樹(shù)脂取樣器取出的樣品通過(guò)探針流入樣瓶中；取完樣，取樣瓶隨提升系統(tǒng)下降至屏蔽容器中。

3.3 屏蔽容器及轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)

當(dāng)取樣瓶置于屏蔽容器中時(shí)，屏蔽容器能夠?qū)駨U物樣品進(jìn)行輻射屏蔽。可采用圓桶式結(jié)構(gòu)，頂部、四周及底部均有一定厚度的鉛屏蔽層，鉛屏蔽層厚度通過(guò)輻射計(jì)算得出，使容器外表面劑量率水平滿足人員近距離操作的要求。屏蔽容器頂部屏蔽能在取樣瓶上升和下降過(guò)程中自行打開(kāi)或關(guān)閉。

屏蔽容器安裝在轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上，通過(guò)人工轉(zhuǎn)運(yùn)方式來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)具備升降及四方位移動(dòng)功能，適用在狹窄通道內(nèi)移動(dòng)。

3.4 提升系統(tǒng)

提升系統(tǒng)通過(guò)氣動(dòng)方式帶動(dòng)取樣瓶實(shí)現(xiàn)上升與下降。提升系統(tǒng)包括導(dǎo)軌和滑塊及同時(shí)導(dǎo)軌上安裝的限位開(kāi)關(guān)，控制取樣瓶上升與下降的位置。

3.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)對(duì)取樣瓶運(yùn)動(dòng)定位、取樣過(guò)程操作及吹掃操作進(jìn)行集成控制，且具備相應(yīng)的狀態(tài)顯示及報(bào)警功能，可發(fā)送取樣啟動(dòng)或終止指令，可檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；控制系統(tǒng)采用觸摸屏界面直觀顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過(guò)指示顏色變化及可見(jiàn)性直觀反映取樣系統(tǒng)各動(dòng)作點(diǎn)及時(shí)狀態(tài)，以及綜合故障狀態(tài)、自動(dòng)取樣結(jié)束狀態(tài)提醒等。

根據(jù)不同工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)包括調(diào)試模式、自動(dòng)運(yùn)行模式及失效模式。

調(diào)試模式：針對(duì)設(shè)備投運(yùn)前對(duì)各部件進(jìn)行調(diào)試，測(cè)試動(dòng)作、狀態(tài)、信號(hào)反饋是否正常。

自動(dòng)運(yùn)行模式：設(shè)備投入正常運(yùn)行，在該模式下實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行。

失效模式：針對(duì)廢樹(shù)脂取樣裝置正常工作狀態(tài)下出現(xiàn)突發(fā)情況如斷電、斷水、斷氣，控制系統(tǒng)進(jìn)行的自動(dòng)保護(hù)模式?？紤]到濕廢物介質(zhì)的放射性，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況可能會(huì)導(dǎo)致濕廢物介質(zhì)滴落至工作環(huán)境中造成重大事故，所以在失效模式下，控制系統(tǒng)會(huì)自行判斷當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并自動(dòng)執(zhí)行最安全動(dòng)作。

4 工作流程

（1）取樣瓶更換一次性樣瓶后置于屏蔽容器中，通過(guò)手動(dòng)方式推動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)至正確位置。

（2）取樣前，打開(kāi)屏蔽容器頂部屏蔽蓋，取樣瓶通過(guò)提升系統(tǒng)從屏蔽容器中提升至取樣位置，此時(shí)，廢樹(shù)脂取樣器樣品出口探針插入樣瓶中。

（3）廢樹(shù)脂取樣器進(jìn)行取樣，取出濕廢物樣品后進(jìn)行吹掃，樣品最終吹掃至取樣瓶中。

（4）取樣結(jié)束后，取樣瓶通過(guò)提升系統(tǒng)下降至屏蔽容器中，屏蔽容器頂部屏蔽蓋關(guān)閉，同過(guò)手動(dòng)方式推動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)至實(shí)驗(yàn)室。

5 功能試驗(yàn)平臺(tái)

廢樹(shù)脂取樣裝置作為核電站放射性廢物處理工藝的重要環(huán)節(jié)設(shè)備，在其應(yīng)用前，需對(duì)設(shè)備系統(tǒng)配置功能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求需要進(jìn)行功能試驗(yàn)驗(yàn)證。

功能試驗(yàn)需搭建試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬實(shí)際工況運(yùn)行系統(tǒng)，包括模擬濕廢物介質(zhì)配比、模擬濕廢物介質(zhì)循環(huán)工況。試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)至少包括螺桿泵、混合箱、儲(chǔ)水箱、流量計(jì)、壓力表等，以滿足介質(zhì)配比、介質(zhì)輸送、流量監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)等試驗(yàn)條件，同時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)還應(yīng)能模擬各種突發(fā)情況以測(cè)試控制系統(tǒng)失效模式的可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置應(yīng)用背景，對(duì)設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成及控制要求進(jìn)行了研究分析，確定了技術(shù)路線開(kāi)展廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涵蓋了機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣儀控兩方面，基本上滿足了核電站系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求。除此以外，廢樹(shù)脂取樣裝置還需要在輻射、抗震、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)等相關(guān)專業(yè)方面進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，包括：（1）廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置在高輻射環(huán)境下運(yùn)行，開(kāi)展廢樹(shù)脂取樣過(guò)程的輻射防護(hù)分析，確定零部件工作壽命、材料老化等問(wèn)題；（2）根據(jù)CAP1400 示范工程核電項(xiàng)目投資保護(hù)加速度要求，采用靜態(tài)載荷分析法，對(duì)廢樹(shù)脂自動(dòng)取樣裝置進(jìn)行抗震分析，確定整個(gè)裝置的鋼結(jié)構(gòu)及支撐的穩(wěn)定性；（3）開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人代替人工轉(zhuǎn)運(yùn)，真正實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化。