高放廢液自動(dòng)取樣裝置設(shè)計(jì)

代志偉,趙玲君,裴華武

(中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司,四川 廣元628000)

高放廢液是乏燃料經(jīng)過后處理產(chǎn)生的,含有鈾和钚之外,還含有集中乏燃料中幾乎全部裂變產(chǎn)物 (99%以上)和超鈾元素。此外,高放廢液中還含有腐蝕性產(chǎn)物和硝酸等化學(xué)試劑。采用Purex流程,每噸乏燃料大約產(chǎn)生5～10 m3高放廢液。高放廢液通常采用碳鋼或不銹鋼槽(罐)式貯存工藝貯存待處理。高放貯罐的容積一般為8～1 500 m3不等,貯罐的使用期限為20～30年。在國家標(biāo)準(zhǔn) 《高水平放射性廢液貯存廠房設(shè)計(jì)規(guī)定》(GB 11929—2011)中貯罐設(shè)計(jì)要求:應(yīng)設(shè)有可靠的取樣裝置,應(yīng)在不同深度,確保能取到代表性的樣品。

為滿足針對(duì)高放貯存設(shè)施安全運(yùn)行的要求,確保取樣的代表性,很有必要在以前比較原始的廢液取樣方式基礎(chǔ)上,研制方便操作及可以復(fù)用的高放廢液定量取樣且能夠遠(yuǎn)距離控制取樣裝置,提高取樣操作的安全性。

1 原有的高放廢液取樣原理

從現(xiàn)有的資料反映,國內(nèi)的取樣主要采取的方式 (見圖1),是由真空泵、高效過濾器、緩沖罐、儲(chǔ)液罐、閥門組成。

圖1 取樣方式示意圖Fig.1 Schematic of sampling method

取樣裝置的功能是把貯存在地下的高放廢液貯罐里的液體抽取到儲(chǔ)液罐中。采用此方式,在取樣過程中缺陷明顯,不僅會(huì)造成人員直接或間接接觸廢液,受到不同程度的輻射,同時(shí)由于需要準(zhǔn)備物資、搭建氣帳等工作,耗時(shí)很長(zhǎng),不能做到及時(shí)取樣,取樣設(shè)備也不能重復(fù)利用,同時(shí)會(huì)增加大量的高放廢物需要處理,所以這種方式的取樣弊端是很明顯的。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一套可通過遠(yuǎn)距離控制,實(shí)現(xiàn)高放廢液精準(zhǔn)、定量取樣的裝置,應(yīng)用于有類似的相關(guān)核設(shè)施放射性廢液取樣。

3 取樣方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的高放廢液取樣裝置是以遠(yuǎn)距離操作、精確定量為目標(biāo),設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)原廢液取樣裝置進(jìn)行分析,將其中的需要人工參與的部分,經(jīng)過有針對(duì)的設(shè)計(jì)后使之能夠遠(yuǎn)程操作,自動(dòng)控制取樣,整個(gè)過程不需要人員靠近,同時(shí)增加了對(duì)污染的取樣管路自動(dòng)清洗、取樣管路伸入廢液部分外壁清洗和干燥功能,最終形成一套可以復(fù)用的一體式移動(dòng)高放廢液取樣裝置。

該裝置工藝流程如圖2所示,它是由真空泵、高效過濾器、緩沖罐、液體緩存罐、電動(dòng)伺服滾輪繞管器以及相應(yīng)的管路構(gòu)成的真空系統(tǒng),通過電動(dòng)伺服滾輪繞管器完成取樣管道的自動(dòng)投放,依靠該系統(tǒng)形成的真空作用,使高放廢液從高放廢液儲(chǔ)罐抽取到液體緩存罐;然后利用樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移裝置通過控制針形取樣器的抽取行程,以達(dá)到不同的取樣量的方法,將廢液從液體緩存罐抽取,移動(dòng)位置后注射入樣品瓶;樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移裝置最后將裝有樣品的樣品瓶以及針形取樣器推送進(jìn)鉛屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器;在完成取樣后,利用清洗液儲(chǔ)罐和外壁清洗器對(duì)被污染的設(shè)備和管路進(jìn)行清洗和干燥,最大限度的降低高放取樣裝置的污染水平;所有的控制和操作由可編程邏輯控制器 (PLC)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)取樣過程和清洗過程的自動(dòng)控制,從開啟真空泵到樣品進(jìn)入樣品轉(zhuǎn)運(yùn)容器以及取樣完成后對(duì)裝置整個(gè)清洗過程都是遠(yuǎn)距離通過電腦操作,大幅度提高了高放取樣工作安全性。

圖2 高放取樣裝置流程圖Fig.2 Flow chart of HLLW sampling device

4 裝置結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)機(jī)理

4.1 真空抽吸

真空部分主要是由真空泵、緩沖罐、高效過濾器、液體緩存罐、電動(dòng)伺服滾輪繞管器、電磁閥、液位控制器等組成,其作用是將樣品抽取到液體緩存罐。

零售企業(yè)配送中心建設(shè)首先要考慮配送中心的選址，考慮政策、地租、氣候、與企業(yè)上下游的距離、交通、門店分布等各方面情況，綜合考量采取重心法選擇合適配送中心地理位置；接著投入大量的資金購買必要的物流設(shè)施和設(shè)備，必須建成完善的網(wǎng)絡(luò)信息系系統(tǒng)；配送中心的建設(shè)需要軟件硬件的配合，除了硬件設(shè)施、設(shè)備外，還需要員工具有現(xiàn)代化的物流職業(yè)素養(yǎng)，只有軟硬件的默契配合才能夠?qū)崿F(xiàn)配送中心的合理運(yùn)營。

氣體緩沖罐設(shè)計(jì)為10 L,放置于高效過濾器前端,對(duì)抽真空起到一個(gè)穩(wěn)定和緩沖作用,緩沖罐底部錐形設(shè)計(jì)。

4.2 樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移

樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移的目的是把已抽取到液體緩存罐里的樣品按照所需要的量,利用針形取樣器定量抽取,然后注射到樣品瓶里,并把針形取樣器作為廢物丟棄于預(yù)置好的廢物容器中,其后利用電磁力推送機(jī)構(gòu)把廢物容器及樣品瓶送入裝置外的鉛屏蔽箱中。

4.2.1 設(shè)計(jì)思路

樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移取樣功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)理:利用伺服電機(jī)把針形取樣器插入液體緩存罐 (真空泵已把液體抽到液體緩存罐內(nèi)),在電腦上輸入要抽取的樣品量,伺服電機(jī)便控制針形取樣器的抽取行程,待抽取了樣品后,利用伺服電機(jī)拔出針形取樣器,再利用另一個(gè)伺服電機(jī)把針形取樣器從液體緩存罐處移動(dòng)到樣品瓶處,同樣用伺服電機(jī)把針形取樣器插入樣品瓶,把樣品注射到樣品瓶,完成注射后,拔出針形取樣器,把針形取樣器移動(dòng)到廢物罐處,利用氣缸控制,把針形取樣器推出掉落到廢物罐。樣品瓶和廢物罐是固定在同一個(gè)托盤上的,用電磁力將托盤推入樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移裝置外的鉛屏蔽儲(chǔ)存盒內(nèi),關(guān)閉鉛屏蔽儲(chǔ)存盒,送到實(shí)驗(yàn)室,取樣部分就此完成。

4.2.2 樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移方案實(shí)施方案 (見圖3)

(1)導(dǎo)軌

托盤在導(dǎo)軌上進(jìn)出于取樣裝置,只在X軸方向來回移動(dòng),導(dǎo)軌需限制其他方向上的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌采用4排帶軸軸承,左右各兩排,分別布置在托盤上下側(cè),軸承安裝在兩側(cè)的立板上。立板可限定托盤的側(cè)向移動(dòng),下排軸承可起支撐作用,上排軸承可限制在取樣時(shí)托盤受力上下移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)部件間的運(yùn)動(dòng)采用滾動(dòng)的方式,減小了部件間的相互摩擦阻力。螺栓滾輪軸承型號(hào):CF5,軸承直徑13 mm,寬度10 mm,螺桿直徑M5,總長(zhǎng)23 mm。

(2)托盤

將存樣罐和廢物罐固定在托盤上,避免在取樣時(shí)受外力移動(dòng)。存樣罐和廢物罐的安裝距離應(yīng)注意避免上X與Z軸機(jī)構(gòu)在向存樣罐中注射液體時(shí)觸碰到廢物罐。其他尺寸應(yīng)保證安裝合理即可。

(3)下X軸

下X軸用于牽引托盤,將托盤上的存樣罐和廢物罐拉入至取樣位置,取樣結(jié)束后推出至屏蔽儲(chǔ)存盒里。托盤從裝置左側(cè)進(jìn)入,以托盤右端作為參考點(diǎn),從取樣時(shí)的位置距完全進(jìn)入屏蔽盒內(nèi),該段距離作為下X軸的行程長(zhǎng)度參考選型值。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則按照工作載荷乘以安全系數(shù)予以選取。選用推桿式絲桿模組結(jié)構(gòu),伺服電動(dòng)缸,伺服缸絲桿直徑16 mm,導(dǎo)程5 mm,額定推力400 N,電機(jī)配100 W伺服。最大速度250 mm/s,行程約350 mm。

(4)上Z2軸

上Z2軸為注射器推桿的驅(qū)動(dòng)裝置,即實(shí)現(xiàn)液體的抽取與注射功能,則該裝置的行程應(yīng)大于單次液體取樣的最大量10 m L。取樣精度為±0.1 m L,根據(jù)針筒內(nèi)徑計(jì)算軸向精度,實(shí)際理論要求定位精度0.15 mm。絲桿模組導(dǎo)程選用±1 mm,絲桿直徑8 mm,定位精度為0.05 mm,該模組精度足以滿足要求。注射器抽取和注射力根據(jù)實(shí)物測(cè)量得出約3 kg,該模組額定負(fù)載6 kg左右能夠滿足要求。伺服電機(jī)帶剎車,確保裝置停止時(shí)不會(huì)因自重移動(dòng)下滑。

(5)上Z1軸

上Z1軸為注射器上下定位使用,即實(shí)現(xiàn)注射器從緩存罐和存樣罐中插入與拔出,以及將注射器卸載至廢物罐中時(shí)高度位置的調(diào)整。其行程由罐體的高度及針頭插入的深度決定,載荷能力應(yīng)滿足附加在Z1軸上的所有裝置重量及插拔針頭的力 (注射器插拔的力根據(jù)實(shí)物測(cè)量得出約1 kg)的總和。采用絲杠傳動(dòng)模組,直徑16 mm,導(dǎo)程5 mm,行程350 mm,額定負(fù)載50 kg,重復(fù)定位精度±0.05 mm,伺服電機(jī)帶剎車,確保裝置停止時(shí)不會(huì)因自重移動(dòng)下滑。

(6)上X軸

上X軸用于注射器左右定位,其往復(fù)于緩存罐、存樣罐、廢物罐三者之間。緩存罐固定在裝置的右側(cè),最左側(cè)為存樣罐,則緩存罐與存樣罐之間的距離為所需行程參考值,再考慮裝置本身體積占用的尺寸,最后綜合得出X軸的行程。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則按照安裝在該模組上的其他組件的重量乘以安全系數(shù)予以選取。選用的模組導(dǎo)程5 mm,絲桿直徑16 mm,行程約300 mm,額定負(fù)載50 kg,重復(fù)定位精度正負(fù)0.05 mm,最快速度250 mm/s。

(7)夾持與卸載機(jī)構(gòu)

取樣前準(zhǔn)備時(shí),設(shè)備內(nèi)無高放射液體,可由人工安裝注射器,只需設(shè)計(jì)夾持與卸載兩個(gè)結(jié)構(gòu)。針筒所需夾持力約4 kg,選用8 mm缸徑的氣缸,雙軸桿,行程為100 mm,推力5 kg,額定壓強(qiáng)0.8 MPa。與特殊結(jié)構(gòu)的夾具配合使用,氣缸伸出至一半行程時(shí),可安裝注射器,完全伸出即可夾持住注射器。氣缸收縮則能將注射器移出掉入廢物罐中,如圖3所示。

5 取樣管給進(jìn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)取樣管道的自動(dòng)化控制,本裝置采用電動(dòng)伺服滾輪繞管器實(shí)現(xiàn)取樣管道的收放,并計(jì)量放入管道的長(zhǎng)度。電動(dòng)伺服滾輪繞管器是由伺服電機(jī)、減速機(jī)、滾輪組成,取樣管道由旋轉(zhuǎn)接頭連接。繞管器放置于取樣口上部,取樣管穿過外壁清洗裝置進(jìn)入取樣孔。

6 清洗

圖3 樣品自動(dòng)轉(zhuǎn)移取樣示意圖Fig.3 Schematic of automatic transfer sampling

為達(dá)到降低放射污染水平,減少人員受照的取樣目的,取樣裝置會(huì)在取樣完成后對(duì)取樣管道的內(nèi)外壁進(jìn)行自動(dòng)清洗,清洗模塊主要由取樣管外壁清洗及取樣管內(nèi)部清洗兩部分構(gòu)成。

6.1 內(nèi)壁清洗模塊

取樣管內(nèi)部清洗主要通過壓空吹掃及清洗液完成,完成取樣后,先由壓空進(jìn)行吹掃,在壓空吹掃完成后,由壓空提供動(dòng)力將清洗液由緩沖罐前端打入,流經(jīng)緩沖罐、液體緩存罐及取樣管,最終流入罐內(nèi),完成內(nèi)壁清洗。

6.2 外壁清洗干燥模塊

在控制電動(dòng)滾輪收取取樣管的同時(shí),由壓空提供動(dòng)力將清洗液打入外壁清洗裝置 (見圖4),對(duì)取樣管外壁進(jìn)行噴淋清洗,清洗液順取樣管流入罐內(nèi),在清洗外壁的同時(shí),進(jìn)行壓空吹掃 (見圖5),把管壁外的清洗殘夜吹掃進(jìn)罐內(nèi),同時(shí)使取樣管干燥。

圖4 外壁干燥示意圖Fig.4 Schematic of outer wall dryness

圖5 外壁清剖面圖Fig.5 Cross-section of outer wall cleanness

7 裝置整體布局

裝置整體布局如圖6所示,整個(gè)裝置按照相對(duì)干凈區(qū)和相對(duì)污染區(qū)劃分為兩個(gè)區(qū)域。相對(duì)干凈區(qū)采用開放是布局,方便操作和檢修,相對(duì)污染區(qū)采用密封結(jié)構(gòu),控制輻射污染。

圖6 裝置整體布局圖Fig.6 General layout of the device

按照功能又分為三部分:A部分完成真空抽吸、清洗以及PLC機(jī)柜;B部分完成樣品轉(zhuǎn)移及物流功能;C部分滾輪完成取樣管道收放完成定位功能;D為鉛屏蔽儲(chǔ)存盒對(duì)接口。

8 結(jié)論

高放取樣裝置的取樣過程采用計(jì)算機(jī)操作,使貯罐高放廢液取樣變得簡(jiǎn)單易行,為高放廢液貯存設(shè)施的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。裝置采用模塊化設(shè)計(jì),集遠(yuǎn)距離操作、取樣管自動(dòng)下放、自動(dòng)清洗一體,降低放射污染,減少人員受照劑量,對(duì)高放廢液的貯存和處理有著十分重要的意義。