楊秀英,宋紅攀,夏國正,閆志男,徐仲斌

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

桶外攪拌混合器(以下簡稱攪拌器)是桶外水泥固化處理低、中放射性廢液的關(guān)鍵核化工設(shè)備,其功能是將水泥、干粉與廢液在攪拌器內(nèi)充分攪拌,然后把達到要求后的水泥漿排入固化桶[1]。攪拌器運行過程中,內(nèi)壁、攪拌槳、下料口等部位不可避免的存在不同程度的水泥沾污,經(jīng)清洗去污后攪拌器應可重復使用,從而避免嚴重水泥沾污導致的設(shè)備報廢、生產(chǎn)線停產(chǎn)檢修等嚴重后果。攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示。

圖1 攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

針對攪拌器的水泥沾污問題,在桶外攪拌混合器基礎(chǔ)上設(shè)計一套適應放射性使用環(huán)境的清洗系統(tǒng),以期保證攪拌器的清洗效果,確保設(shè)備可長期連續(xù)運行,并盡可能的減少清洗水的用量。

1 基于攪拌器的清洗方案設(shè)計

攪拌器在放射性環(huán)境中工作,為攪拌槳底出軸的圓柱形不銹鋼容器,下料口為側(cè)出形式,采用活塞封堵[2]。基于此,提出如下方案設(shè)計。

1.1 原理方案設(shè)計

水泥固化后的硬度與水泥牌號及物料有關(guān),一般可達到30～60 MPa,常用的沖洗、浸泡等手段不再滿足需求。自1994年,首次將高壓水射流技術(shù)應用于反應堆退役領(lǐng)域,并根據(jù)工程的需要,先后進行了工藝運輸水池、工藝房間、密閉水池、箱井水斗和一些特殊設(shè)備的高壓水射流清洗去污技術(shù)研究,高壓水在核領(lǐng)域的應運日漸成熟[3-4]。為達到清洗效果,并實現(xiàn)減少水量的需求,優(yōu)選高壓水清洗。

對于硬化的水泥,主要是以滲透為主的破碎過程,當射流壓力大于結(jié)垢層的附著力,垢層顆粒便從基體剝離開;對于還未硬化的水泥,清洗過程主要是以壓縮和剪切為主的過程[5-6];對于非滲透軟垢層,15 MPa左右高壓水射流作用下,垢層通?？梢员谎杆偃コ?/p>

在理想狀態(tài)下,連續(xù)水射流垂直沖擊物體時,流體從沖擊中心向四周均勻輻射,射流作用區(qū)域半徑與射流半徑成正比[7],射流沖擊物體作用半徑約為射流自身半徑的2.6倍。根據(jù)攪拌器半徑及該比例關(guān)系,可計算噴頭下降速度,使清洗水全面覆蓋攪拌器筒體內(nèi)壁,保證清洗效果。

高壓水射流對物體的最大作用力位置是在距離噴嘴一定距離處,對此,一般認為這是因為噴嘴出口處射流較緊密,沖擊后沿物體表面流出,打擊力大小有限;當靶距增大,射流擴散,沖擊物體后引起大量液體返濺,會增大對物體的打擊力;但隨靶距繼續(xù)增大,射流速度會降低,打擊力也不斷減小[8]。理論計算并通過試驗驗證、調(diào)整,選取最佳清洗參數(shù),可有效減少清洗水量。

水泥沾污的主要部位為靠近設(shè)備底部的攪拌槳、下料口及整個筒體內(nèi)壁。為防止攪拌過程中清洗噴頭被水泥污染、堵塞,并保證清洗水對筒體內(nèi)壁的全方位覆蓋,清洗噴頭為可移動式清洗噴頭。

攪拌器各個部位的使用要求不同,對設(shè)備的影響程度不同,則清洗周期也不同:攪拌槳為動部件,沾污情況不嚴重,只在停機時清洗;內(nèi)壁面積較大,為防止水泥固化后重復結(jié)痂,需周期定時清洗[9];下料口處有密封要求,每次下料結(jié)束均需要清洗。清洗方式:攪拌槳主要清洗槳中心位置,需要朝下的定向噴頭;內(nèi)壁清洗需要水平方向旋轉(zhuǎn)噴射的噴頭[10];下料口清洗需要斜向的定向噴頭。由于清洗周期和清洗方式不一致,本著采取較少沖洗次數(shù),單次沖洗徹底,減少總用水量的設(shè)計原則,清洗系統(tǒng)采用3個獨立的清洗單元,分別對攪拌器攪拌槳、內(nèi)壁、下料口進行清洗,如圖2所示。

綜上,基于攪拌器的清洗系統(tǒng)為具備3個獨立清洗單元的可移動式高壓水清洗系統(tǒng)。

1.2 布置方案設(shè)計

高壓水清洗系統(tǒng)包括高壓水模塊和執(zhí)行機構(gòu)兩部分。高壓水模塊主要功能是為系統(tǒng)輸出符合要求的高壓水,主要包含高壓泵機組、控制系統(tǒng)[11],一般設(shè)置于橙區(qū)或者綠區(qū);清洗執(zhí)行機構(gòu)負責完成清洗活動,包括驅(qū)動電機、噴頭、電動導軌、導軌支撐及密封件等;兩部分通過高壓管連接。

清洗系統(tǒng)對攪拌器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行清洗,清洗區(qū)域為放射性環(huán)境(紅區(qū)),對引進設(shè)備的使用壽命和人員進入檢修均有一定的影響和限制[12-13],所以對清洗系統(tǒng)的布置有較高要求。

為保證檢修方便,提高電氣元器件的使用壽命,核化工設(shè)備的布置原則是把盡可能多的執(zhí)行機構(gòu)元件布置在紅區(qū)外。通過在攪拌器上方設(shè)置屏蔽蓋板的方式,降低蓋板外側(cè)放射性水平,實現(xiàn)分區(qū)。將噴頭與其他執(zhí)行機構(gòu)分別設(shè)置在屏蔽蓋板兩側(cè),用高壓水硬管將二者連接。電機驅(qū)動硬管帶動噴頭進行上下往復運動,保證清洗功能實現(xiàn)。屏蔽蓋板設(shè)置屏蔽塞,當噴頭檢維修時,打開屏蔽塞,將噴頭取出紅區(qū)進行操作;當其他執(zhí)行機構(gòu)元件檢修時,由于其位于屏蔽蓋板外側(cè)(非紅區(qū)),人員可直接進入操作;布置方案如圖3所示。

圖3 布置方案示意圖

2 清洗系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計

2.1 高壓水模塊設(shè)計

高壓水模塊主要由驅(qū)動電機、柱塞泵、聯(lián)軸器、高壓水管路通斷閥、低壓供水系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等組成;高壓水模塊示意圖,如圖4所示。

清洗系統(tǒng)經(jīng)過反復試驗確認合適的參數(shù)后,可對設(shè)備進行全自動清洗。但不排除特殊情況下需要手動清洗。因此高壓水模塊應保證相關(guān)參數(shù)可調(diào),并反應精準。

(1)驅(qū)動電機:采用變頻步進電機,使機械自動化程度和生產(chǎn)效率大為提高、節(jié)約能源,同時具備無級調(diào)速、調(diào)速范圍寬等特點;

(2)高壓水管路通斷閥:能夠?qū)崿F(xiàn)管路帶壓通斷,減少開關(guān)機等待升壓和降壓時間段非必要清洗用水的浪費。通過閥門以及水泵的控制,壓力從0升到清洗指定壓力只需要2 s,也可以在同樣的時間內(nèi)實現(xiàn)降壓。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

清洗桶壁、攪拌槳和下料口的執(zhí)行機構(gòu)相對獨立,均布置在屏蔽板外側(cè),放射性水平較低。因此均考慮采用電動導軌對噴頭進行驅(qū)動,該結(jié)構(gòu)簡單可靠,維修方便。此外,由于執(zhí)行機構(gòu)跨區(qū)運行,自清潔及密封設(shè)計尤為重要。

2.2.1清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構(gòu)

清洗桶壁和攪拌槳的執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)清洗需求,設(shè)置在上封頭處,由伺服電機、電動導軌、導軌支架、噴頭1、噴頭2、硬管1、硬管2、高壓軟管、硬管與人孔蓋密封等部件組成。硬管1與噴頭1通過螺紋連接,由伺服電機帶動其在電動導軌上由頂蓋下移,同時噴頭自旋轉(zhuǎn),形成螺旋型軌跡,保證清洗水對桶壁全方位覆蓋;硬管2與噴頭2通過螺紋連接,由伺服電機帶動至接近攪拌槳中心的特定位置,完成對攪拌槳的定向沖洗;導軌支架為電動導軌及伺服電機提供支撐。清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構(gòu)如圖5所示。

圖5 清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構(gòu)

(1)高壓硬管:高壓硬桿采用厚壁精加工不銹鋼材質(zhì),提高清洗系統(tǒng)的可靠性。硬管與噴頭螺紋連接,另附加安全扣,防止螺紋松動、噴頭掉落;

(2)硬管密封:硬管與人孔蓋間有滑動軸承,由PVDF材質(zhì)的密封圈和防塵圈組成,使用快拆螺釘固定于人孔蓋上?；瑒虞S承起導向作用,PVDF和防塵圈密封熱室與外界環(huán)境;

(3)孔蓋密封及噴頭自清潔:除硬管處密封,人孔蓋法蘭間采用密封墊需要維護噴頭噴嘴時,打開人孔法蘭上的快拆螺栓即可取出。人孔直徑較大,噴頭通過反射水流自清洗。

2.2.2下料口清洗的執(zhí)行機構(gòu)

清洗下料口密封面的執(zhí)行機構(gòu)在下料口的正上方,由伺服電機、電動導軌、導軌支撐、噴頭3、硬管3及高壓軟管等部件組成,硬管3與噴頭3通過螺紋連接,由伺服電機帶動至接近下料口的特定位置,對下料口密封面進行清洗[14-15];具體如圖6所示。為防止水泥通過出料清洗口溢出,污染噴頭,特設(shè)計人孔延長結(jié)構(gòu)。人孔延長結(jié)構(gòu)直徑大,反射水量大,噴頭自清洗效果佳。

圖6 下料口密封面清洗執(zhí)行機構(gòu)

噴頭3使用混凝土清洗專用噴頭,且與噴嘴采用螺紋連接,更換簡單;可以通過壓力與流量參數(shù)調(diào)整,適應不同的清洗狀況。

2.2.3執(zhí)行機構(gòu)懸臂噴桿強度校核

在執(zhí)行機構(gòu)中,清洗噴頭與豎直方向成一定的角度,高壓水的反作用力分力垂直作用在懸臂噴桿上。由于高壓水壓力較大,需要校核懸臂噴桿的強度。

受力模型:一端固定,一端自由。

式中:F為噴頭作用力,N;l為懸臂桿長度,mm;E為桿彈性模量,GPa;I為桿的慣性矩,mm4;d為懸臂桿直徑,mm。

2.3 管路設(shè)計

高壓水主管道根據(jù)距離選擇管路類型。硬管壽命長,適合長距離輸送,但安裝所用轉(zhuǎn)接和彎頭較多,壓損較大;軟管安裝方便,短距離可以使用軟管,無需轉(zhuǎn)接。輸送距離小于30 m建議使用金屬軟管連接,大于30 m使用定制不銹鋼無縫管。移動連接部分采用高壓軟管。主管道3條,通過分配器連接清洗攪拌器桶壁噴頭1、攪拌槳噴頭2及下料口密封面清洗噴頭 3。3根管道均有氣動切斷閥單獨控制每條管路通斷。軟管外套專用硬管防護,提高安全性。閥門設(shè)置在熱室外,方便檢修。由于3個噴頭清洗不同步,熱室外設(shè)置3個切斷式閥門。需要清洗工作時,待系統(tǒng)壓力升壓穩(wěn)定后開啟切斷閥;清洗結(jié)束關(guān)閉切斷閥,溢流式閥門打開,管路泄壓[16]。

高壓水模塊可根據(jù)試驗輸入的壓力數(shù)據(jù)自動調(diào)整,如單獨啟動其中一個噴頭,溢流閥壓力按輸入值自動調(diào)整。

2.3.1流量監(jiān)測

為確保數(shù)據(jù)系統(tǒng)流量監(jiān)測準確,采用液位監(jiān)測和數(shù)據(jù)計算2種方案。

(1)液位監(jiān)測法:通過監(jiān)測供水箱液位變化進行測算。系統(tǒng)啟動后,液位計監(jiān)測初始液位和終止液位數(shù)據(jù),得出水箱液位的高度變化△h,已知水箱底面積及管路截面積之和S,計算出此次清洗作業(yè)的用水量(Q):Q=S×△h;

(2)數(shù)據(jù)計算法:水箱安裝液位傳感器,根據(jù)噴頭噴嘴直徑和工作壓力計算得出流量:

式中:D為噴嘴直徑,mm;Q為額定流量, L/min;n為噴嘴個數(shù);P為額定壓力,MPa。

2.3.2易損件快速檢修結(jié)構(gòu)設(shè)計

核化工設(shè)備工作環(huán)境中放射性水平較高,不宜人員直接進入檢修。因此,熱室內(nèi)的易損件快速檢修結(jié)構(gòu)是本方案設(shè)計中必不可少的一部分。熱室內(nèi)的易損件主要包括噴頭、噴嘴。噴嘴與噴頭采用NPT形式螺紋連接,提高密封和防松性能[17],減少檢修次數(shù),且更換操作簡易;噴頭與硬管采用反螺紋方式連接,噴頭旋轉(zhuǎn)方向與螺紋方向相反,防止螺紋松動,增加結(jié)構(gòu)可靠性;導軌支架與人孔、導軌、滑塊等部位和更換噴頭、噴嘴相關(guān),用快拆螺釘代替普通螺釘連接,方便拆裝。

3 結(jié)語

本方案介紹的基于攪拌器的清洗系統(tǒng)解決了運行過程中水泥沾污的問題,保證攪拌器連續(xù)可靠運行的同時,兼具如下優(yōu)越性:

(1)本方案的清洗工藝適應性強、工藝靈活,可以根據(jù)沾污的位置和厚度作針對性調(diào)整;

(2)本工藝設(shè)計中選擇的清洗手段全面,是當今工業(yè)清洗領(lǐng)域成熟的清洗技術(shù)[18];

(3)本工藝設(shè)計中選擇的工藝設(shè)備與設(shè)施為標準成熟產(chǎn)品,可靠性高、自動化水平高、易于操作。

本方案不僅適用于放射性環(huán)境中桶外攪拌混合器,且可為有相似需求的核電、后處理等行業(yè)中的設(shè)備清洗提供借鑒經(jīng)驗。