高壓水清洗裝置研制及其性能驗證

滕 磊，夏霜霜，王 帥

(1.中國核動力研究設計院，成都 610213；2.四川省退役工程實驗室，成都 610213)

引 言

熱室作為研究堆的配套設施，是燃料元件、輻照材料切割檢查的主要場所[1～4]，大量的放射性核素在熱室內(nèi)狹小的空間內(nèi)短時間的集中釋放，勢必會造成熱室內(nèi)設備表面、熱室墻體不銹鋼覆面板表面的放射性污染物的沉積；水池同樣是核電廠等核設施的最主要的配套設施，作為乏燃料組件、高放射性物項的暫存設施，大量的放射性核素會通過水遷移累積到水池不銹鋼覆面板表面上[5]。因此，在核設施運行檢修或退役期間，為了實踐放射性廢物最小化，減少工作人員的受照劑量，均需要一種操作簡便、遠距離的、清洗效率高的去污技術，去除大面積金屬表面的放射性污染。目前，針對大面積金屬表面放射性污染的去除，應用最多的、使用頻率最高的只有高壓水射流去污技術[5～7]。

水射流清洗技術是20世紀30年代發(fā)展起來的清洗去污技術，該技術以其通用性和對環(huán)境無害性備受清洗去污行業(yè)的青睞，其應用也日益廣泛。高壓水射流技術是水射流技術的進一步發(fā)展。1972年英國召開了第一次國際水射流會議，同期，我國成功制造了高壓水射流清洗機，到20世紀80年代中期，開始從國外引進成系列的高壓水射流清洗技術和設備。1994年，我國首次將高壓水射流技術應用于反應堆退役領域[5]。

高壓水射流噴射去污是用高壓泵打出高壓水，正向或切向沖擊去污物件的表面污染，利用射流的打擊、沖蝕、剝離、切除等作用來除垢、除銹斑和清洗，去除污染的放射性核素。高壓水噴射去污特別適用于難以實現(xiàn)擦洗的物體或擦洗工作量大的物體表面去污，現(xiàn)已廣泛用于廠房、槽罐、水池和熱室的去污。

1994年，中國藍星化學清洗總公司的劉玉成等人將高壓水去污技術應用于801反應堆452工藝水池的去污，水池表面污染水平最高為7 820Bq/cm2。以噴射壓力30MPa，噴射距離1m進行試驗，去污因子最高達到41.38，去污效果較好[8]。

2004年，中國輻射防護研究院的鄔強等人，將高壓水清洗技術應用于某壓水堆核電廠的換料水池去污[5]。實踐表明，工藝參數(shù)為：水壓20MPa，移動速度1m/min，噴射角45°～70°，水流量為16L/min時，90%的水池覆面經(jīng)高壓水清洗后，去污因子達到了30以上，最大可達126，去污效果較好。

英國三里島2號堆(TMI-2)事故維修時，用高壓水對反應堆廠房地面進行了去污實驗。該高壓水射流水壓為20MPa，流量為30～45L/min，對反應堆廠房地面去污因子達1 000，去污效果較好。但同時，在高壓水去污過程中由于水力噴射會產(chǎn)生大量廢液，所以必須將水過濾后復用以減少廢液量。

唐瑞(Dounreay)快堆后處理廠(英國)設計建造于50年代后期，用于處理快堆的濃縮鈾燃料。他們也應用高壓水對熱室和屏蔽室進行了去污，高壓水噴射壓力為6.88MPa，去污效果較好。

1 實驗裝置

根據(jù)對國內(nèi)外高壓水射流去污技術研究和工程應用文獻調研可知，影響高壓水射流去污效果的工藝參數(shù)主要包括噴射壓力、噴射流量、去污時間、水溫度、噴射距離、噴射角度等。在影響高壓水射流去污效果的6個因素中，在現(xiàn)有的文獻中，關于噴射角度的影響因素的研究結果最多，可以直接引用。另外，針對熱室不銹鋼覆面的放射性污染的去除，水溫度的增加對去污效果的增加效果不明顯，另外會額外產(chǎn)生大量的帶水汽的放射性氣溶膠，對現(xiàn)場工作環(huán)境的影響以及后端過濾系統(tǒng)的影響比較大。因此，在本研究中，主要研究噴射壓力、噴射流量、去污時間和噴射距離等4項因素對去污效果的影響，根據(jù)調研結果，確定噴射角度控制為70°左右，試驗在室溫下開展。

根據(jù)對國內(nèi)外高壓水清洗裝置的調研可知，均是在調節(jié)高壓水噴射壓力的基礎上開展的設計，無法實現(xiàn)壓力、流量等參數(shù)的同時調節(jié)。為確保可以通過實驗的方法驗證最優(yōu)去污效果的高壓水射流壓力、流量參數(shù)組合，本文研制了一種基于PLC控制的、調節(jié)管路出口截面積的、可實現(xiàn)壓力和流量同時精確調節(jié)的高壓水清洗裝置。具體如圖1所示。

圖1 高壓水清洗裝置Fig.1 High-pressure water cleaning device

經(jīng)性能測試，該裝置的主要參數(shù)如下：電機功率22kW；電機轉速1 450r/min；壓力調節(jié)范圍0～50MPa；流量調節(jié)范圍0～22L/min；總重約350kg；壓力調節(jié)精度為±0.2MPa；流量調節(jié)精度±0.2L/min。

另外，為了保證去污時間和噴射距離參數(shù)調節(jié)的準確性，避免去污過程中產(chǎn)生的放射性水霧對工作人員的傷害，在傳統(tǒng)放射性操作手套箱的基礎上，研制了一種使用高壓水清洗放射性工件的手套箱試驗臺架。通過在手套箱頂部布置步進電機及夾持裝置，可以實現(xiàn)高壓水噴槍行走速度和噴射距離以及角度的精確調節(jié)；通過在手套箱內(nèi)部布置樣片支架，用以固定試驗樣片；手套箱整體密封，下部設有放射性廢液收集裝置。具體如圖2所示。

圖2 高壓水去污手套箱試驗臺架Fig.2 High-pressure water decontamination glove box test bench

2 樣品準備

放射性模擬樣件的制作：根據(jù)典型熱室源項調查結果，確定典型污染核素和放射性污染水平確定放射性溶液體系，主要模擬Cs-137、Co-60等核素，樣品制備所用放射性廢液特性如表1所示；材質與熱室殼體一致，選用不銹鋼基材，厚度為3mm，樣件有效尺寸為200mm×20mm。樣品結構示意具體如圖3所示。

表1 樣品制備所用放射性廢液特性Tab.1 Characteristics of radioactive waste liquid used for sample preparation

圖3 模擬樣品示意圖Fig.3 Schematic of the simulated sample

在手套箱內(nèi)，采用放射性污染液，采用移液槍準確移取0.5 mL放射性污染液滴于不銹鋼樣片兩圓心的中間位置，晾干后得到污染后的樣片(圖4)，經(jīng)測量，樣片表面污染水平范圍為419.0～477.9Bq/cm2。

圖4 放射性污染樣片F(xiàn)ig.4 Samples of radioactive contamination

3 試驗結果與分析

3.1 組合因素影響試驗

醫(yī)療檢測設備是醫(yī)院進行醫(yī)療活動的基礎和保障，是醫(yī)療服務機構的實力和醫(yī)療水平的綜合體現(xiàn)。隨著人們對健康需求的不斷增大和醫(yī)療水平不斷提高，先進的醫(yī)療設備已成為醫(yī)院必要的輔助手段。

根據(jù)國內(nèi)外高壓水去污工程應用經(jīng)驗可知，各參數(shù)取值范圍確定如下：噴射壓力控制范圍20～40MPa；噴射流量控制范圍14～18L/min；去污時間(在待去污表面停留時間)控制范圍3～9s；噴射距離控制范圍為200～600mm。考慮到去污試驗要既能有效反應各參數(shù)變量對去污效果的影響，又要減少二次放射性廢物的產(chǎn)生量，確定每個參數(shù)分別選取3個變量開展去污試驗，即4因素3變量的試驗模型。

在圖2所示的高壓水射流去污手套箱試驗臺架上，開展了影響去污效果的4因素3變量的去污試驗，試驗前、后對比結果如表2所示。

從表2中可以看出，對于放射性不銹鋼試驗樣品，壓力為40MPa、噴射流量為18L/min、去污時間為6s、噴射距離為200mm時的去污因子最大，為238.9。綜合去污因子變化規(guī)律，在實際工程大面積應用高壓水去污時，去污因子將達到100以上。

表2 試驗結果Tab.2 Test results

3.2 流量影響規(guī)律試驗

從表2中可以看出，對于放射性不銹鋼試驗樣品，隨著水壓力的升高、去污時間的增加，去污因子逐漸變大，成近似正比關系；隨著噴射距離的增加，去污因子減小，成近似反比關系；這些結果和調研數(shù)據(jù)基本吻合。但是，隨著水流量的升高，去污因子變化不明顯，這是由于其他因素的變化對去污結果造成的影響。

進一步的，擴大噴射流量控制范圍為8～18 L/min；去污壓力取40 MPa、去污時間取9 s、噴射距離取200 mm，噴射角度控制在70°，試驗在室溫下開展，試驗前、后對比結果如表3所示。

表3 試驗結果Tab.3 Test results

整理后的去污因子隨流量的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 去污因子隨流量的變化規(guī)律Fig.5 Variation of decontamination factors with flow

從圖5中可以看出，去污因子隨著高壓水流量的減少逐漸增大，這與我們的常識理解不太一樣。但是，由于市場上沒有一臺高壓水清洗裝置可以實現(xiàn)在壓力不變的條件下調節(jié)流量，故在調研的相關報道中并沒有實例來證明這一結論的準確性。

在工程流體力學中，高壓水射流屬于厚壁孔口外伸管嘴定常出流，試驗參數(shù)中的壓力不變僅代表通過壓差計的水的壓力沒有變化。水射流由噴嘴噴出后，進入到充滿空氣的無限大空間中，由于湍流的脈動，周圍的空氣被卷吸進入水射流，如圖6所示[10]。

圖6 基于理論和實驗的高壓水射流結構圖Fig.6 Structure of high-pressure water jet based on theory and experiment

基于理論和實驗可知，在壓力不變的情況下，隨著水流量的增大，水射流的截面不斷擴張，核心區(qū)域水的能量會有一定的發(fā)散，因此，較大的水流量的去污因子反而較小，但是這種變化趨勢是趨于平緩的。

從表3中可以看出，對于表面污染水平范圍為412.08～478.84Bq/cm2的放射性不銹鋼試驗樣品，去污后其表面污染水平均小于2Bq/cm2，因此有必要研究最優(yōu)去污參數(shù)組合的去污因子上限。通過濃縮制樣用的放射性廢液，分別制作了表面污染水平為498.3Bq/cm2、1 005.2Bq/cm2、1 995.1Bq/cm2、4 992.8Bq/cm2、10 023.6Bq/cm2的試驗樣品，設定去污壓力參數(shù)值為40 MPa、去污時間為9 s、噴射距離為200 mm、去污流量為8L/min，噴射角度控制在70°，試驗在室溫下開展，試驗前、后對比結果如表4所示。

表4 試驗結果Tab.4 Test results

整理后的去污因子增長率變化規(guī)律如圖7所示。

從表4中可以看出，2號試驗值偏離曲線變化規(guī)律太大，可作為誤差數(shù)據(jù)舍棄不用。從表4和圖7中均可以看出，隨著試驗樣件表面污染水平的增大，其去污后的表面污染水平隨之變大，去污因子變大，但去污因子的增長率明顯減低，趨于平緩。

圖7 去污因子增長率變化規(guī)律Fig.7 The change law of the decontamination factor growth rate

4 結 論

利用自行建立的高壓水去污裝置及手套箱試驗臺架開展了針對金屬表面的高壓水射流去污實驗，該裝置可實現(xiàn)壓力和流量的同時調節(jié)。對于放射性不銹鋼試驗樣品，試驗結果表明：

4.1 采用不同的影響因素參數(shù)組合，壓力為40MPa、噴射流量為18L/min、去污時間為6s、噴射距離為200mm時的去污因子最大；

4.2 去污因子隨著高壓水流量的減少逐漸增大；

4.3 單次去污因子隨著去污前試驗樣件表面污染水平的增大而增大，但去污因子的增長率明顯降低。