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        核電站廢樹脂取樣器設(shè)計研究

        2021-05-18 06:13:58高虎
        中國設(shè)備工程 2021年9期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        高虎

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

        1 廢樹脂取樣器應(yīng)用背景

        核電站反應(yīng)堆一回路冷卻劑、乏燃料水池池水的凈化處理,多用離子交換樹脂、活性炭及選擇性吸附介質(zhì)等進行凈化處理,失效后這些濕廢物在輻照、熱解或生物降解時易產(chǎn)生可燃氣體,同時,含有較多硫、氮,降解后的產(chǎn)物對設(shè)備和儲存容器有較強的腐蝕性,放射性固體廢物處理對濕廢物進行穩(wěn)定化處理和包裝以滿足運輸和最終處置的要求。初步處理過的濕廢物介質(zhì)會進行采集定量樣品進行檢測,目前,國內(nèi)核電站中一般采用取樣手套箱或手動取樣閥,由操作人員手動進行人工取樣。由于高輻照環(huán)境,取樣過程中必須嚴格控制取樣時間、距離及屏蔽,取樣過程存在不確定性及危險性。

        依托國際先進的廢物管理理念,在放射性固體廢物處理系統(tǒng)中設(shè)置了廢樹脂取樣器,通過遠程控制從循環(huán)回路中的濕廢物漿液中獲取具有定量代表性的樣品。由于濕廢物放射性水平很高,同時,其取樣的對象為固液混合流體,取樣對象包括廢樹脂、活性炭、選擇性吸附介質(zhì)等雜項濕廢物,各類對象其流動性能、黏度、比重等存在較大差異,且取樣點位于系統(tǒng)運行回路中,考慮在持續(xù)的運行壓力與流量下取樣,故廢樹脂取樣器應(yīng)具備良好的可靠性、密封性以及取樣精度,且整個取樣過程都自動運行及遠程控制,同時,具備沖洗殘留介質(zhì)功能。

        圖1 工作原理圖

        2 廢樹脂取樣器工作原理

        為實現(xiàn)取樣定量、殘留沖洗、自動運行等功能,廢樹脂取樣器應(yīng)設(shè)置電動、氣動或液壓執(zhí)行機構(gòu)以具備無人化遠程控制條件,執(zhí)行機構(gòu)可帶動取樣頭在循環(huán)管路中伸出與收回或回轉(zhuǎn)等動作;取樣頭上設(shè)有采集腔,采集腔的容積通過計算確定,這樣在可以伸出與收回或回轉(zhuǎn)動作的過程中,采集到定量的樣品介質(zhì),同時,采集腔的結(jié)構(gòu)要利于介質(zhì)自行排出。考慮到濕廢物介質(zhì)可能殘留,采集腔應(yīng)設(shè)計沖洗入口,利用水或氣進行沖洗,可采用球形腔體避免沖洗死角的存在。在取樣過程中,廢樹脂取樣器采用滑動結(jié)構(gòu)就必須考慮到密封的設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)及方式應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性及可靠性,杜絕向環(huán)境中泄露,且材料應(yīng)滿足高輻照的要求,同時,密封在使用一定周期后方便維護更換。

        綜合上述功能要求,如圖1所示,廢樹脂取樣器由殼體②、取樣頭③、密封件④和執(zhí)行機構(gòu)⑤組成;取樣頭③采用柱塞型,可以通過執(zhí)行機構(gòu)⑤驅(qū)動從殼體②內(nèi)腔中伸出至管線濕廢物中并能收回;廢樹脂取樣器與管線①采用法蘭連接;

        取樣頭③上設(shè)采集腔,在取樣頭③伸出與收回的過程中,濕廢物進入采集腔被取出,從樣品出口流出。

        采集腔前后設(shè)多道密封件,保證取樣頭在伸出與收回時,管線與樣品出口間有多道密封件進行密封。

        3 廢樹脂取樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.1 執(zhí)行機構(gòu)選擇

        廢樹脂取樣器實現(xiàn)遠程控制功能必須具備可靠的電動、氣動或液壓執(zhí)行機構(gòu),可選擇的執(zhí)行機構(gòu)包括以下方式: (1)采用氣缸傳動,配置氣源系統(tǒng);(2)采用伺服電機與絲杠傳動,配置供電回路;(3)采用液壓傳動,配置液壓泵站系統(tǒng)。

        通過比較分析,液壓傳動需要額外配置液壓泵站,系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜,檢修繁瑣,同時容易污染工作環(huán)境;伺服電機與絲杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜且外形占用空間較大,不利于維護;氣缸傳動技術(shù)成熟、可靠,執(zhí)行往復(fù)運運動效率高,而且核電站內(nèi)部一般有獨立的供氣系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計更簡單、合理,且氣缸損壞不會污染周圍環(huán)境;廢樹脂取樣器取樣頭與氣缸可采用分體式結(jié)構(gòu),通過螺紋直連,可進行分解拆卸,便于維護。取樣頭可隨氣缸活塞進行伸出與收回,實現(xiàn)取樣動作,當取樣頭伸出時為取樣狀態(tài),收回時為復(fù)位狀態(tài)。通過電磁閥控制氣缸的進氣方向,具備遠程控制條件,通過調(diào)整氣缸行程調(diào)整取樣頭動作行程,亦可監(jiān)測氣缸活塞位置判斷取樣頭工作狀態(tài)。所以,相較其他兩種方式,選用氣缸傳動更合理。

        3.2 廢樹脂取樣器的密封結(jié)構(gòu)及密封件類型

        取樣頭通過氣缸在殼體內(nèi)腔中進行伸出、收回往復(fù)滑動,滑動過程中,通過密封環(huán)的徑向壓縮實現(xiàn)密封,防止?jié)駨U物介質(zhì)泄露,而密封環(huán)從密封類型和安裝方式可以選擇不同的方式,如圖2所示密封環(huán)常見的安裝方式。

        圖2 密封件安裝方式

        安裝方式一,密封環(huán)嵌入殼體內(nèi)腔上,在取樣頭伸出與收回的過程中,密封環(huán)固定不動;這種安裝方式,由于密封環(huán)不受徑向約束,在取樣頭往復(fù)滑動過程中,受到取樣頭的沖擊時存在脫落的可能,而且密封環(huán)嵌入殼體內(nèi)腔,安裝與更換時需要借助專用工具,操作十分不便。

        安裝方式二,密封環(huán)嵌裝在取樣頭上,隨取樣頭進行伸出與收回動作,由于密封環(huán)受到一定的徑向約束,穩(wěn)定性好;同時,密封環(huán)可隨取樣頭取出觀察、直觀判斷磨損狀態(tài),也更方便進行安裝、更換,無須借助其他工具,相較安裝方式一設(shè)計更合理。

        圖3 密封件類型

        密封環(huán)通常采用0型圈,如圖3所示,密封環(huán)嵌裝在取樣頭,需要在取樣頭上設(shè)計環(huán)形安裝槽,由于環(huán)形安裝槽只能加工成矩型(£)截面,這樣在O型密封環(huán)與安裝環(huán)形槽之間存在一定的縫隙死角,而濕廢物介質(zhì)顆粒直徑普遍很小,一般在0.3~1mm,很容易進入這些縫隙死角內(nèi)并殘留,在后期維護中對工作人員產(chǎn)生輻照危險,所以O(shè)型密封環(huán)不適用廢樹脂取樣器的設(shè)計要求。介于此種情況,密封環(huán)應(yīng)考慮采用矩型(£)截面設(shè)計,與環(huán)形安裝槽完全貼合,減少死角的存在,同時,徑向壓縮面采用漸變面形式,可以減少滑動過程中的沖擊磨損,延長工作壽命。

        3.3 廢樹脂取樣器的取樣頭采集腔結(jié)構(gòu)選擇

        取樣頭采集腔用于定量取樣,應(yīng)能根據(jù)取樣量調(diào)整容積,由于沖洗過程是自上向下進行噴射,濕廢物介質(zhì)從采集腔底部流出,采集腔應(yīng)無沖洗、殘留死角,盡量采用圓弧、流線型設(shè)計。如圖4所示,環(huán)形采集腔、孔形采集腔容積均可以根據(jù)取樣量進行調(diào)整;環(huán)形采集腔腔體呈流線型,與殼體間形成的空間均為圓弧面,無任何死角,在沖洗過程中,濕廢物介質(zhì)在水流作用下無阻力匯集至采集腔底部排除,能夠做到無殘留;而孔型采集腔體內(nèi)部同樣為圓弧面,但在腔體頂部與殼體會在兩側(cè)形成空間死角,不利于沖洗,存在殘留的可能,相較環(huán)形采集腔有一定的弊端。

        圖4 采集腔型式

        3.4 廢樹脂取樣器材料選用

        廢樹脂取樣器工作的環(huán)境一般常溫、潮濕,且長時間受輻照影響,耐輻照、耐腐蝕應(yīng)作為主要考慮因素。

        廢樹脂取樣器主要部件取樣頭、殼體、氣缸、緊固件應(yīng)選用不銹鋼如S31603、S30408,具有良好的耐腐蝕性,且不受輻照影響,同時,應(yīng)避免采用鉛、銅、鋁等低熔點制品。

        常用密封材料有硅膠、聚四氟乙烯(PTFE)、丁基橡膠、三元乙丙橡膠(EPDM)等,考慮到密封環(huán)工作在濕廢物介質(zhì)中,濕廢物介質(zhì)是水和樹脂、活性炭等的混合物,潤滑性好,不需要耐油性,但要長時間受輻照影響,所以,廢樹脂取樣器密封材料選用三元乙丙橡膠更為合適。

        4 結(jié)語

        本文結(jié)合廢樹脂取樣器的功能、環(huán)境工況等要求,針對廢樹脂取樣器的執(zhí)行機構(gòu)、結(jié)構(gòu)、材料選用等方面作了研究探討,做出了理論上合理的設(shè)計選擇,本文未針對密封件輻照環(huán)境下壽命進行研究。廢樹脂取樣器設(shè)計的定形還需要相關(guān)理論計算依據(jù)支撐,同時,借助試驗平臺模擬實際工況進行驗證,設(shè)計出滿足核電站實際運行需要的廢樹脂取樣器。

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