核電站廢樹脂取樣器設計研究

高虎

（南京源自電力自動化設備有限公司，江蘇 南京 211800）

1 廢樹脂取樣器應用背景

核電站反應堆一回路冷卻劑、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，廢樹脂取樣器應設置電動、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?？紤]到濕廢物介質(zhì)可能殘留，采集腔應設計沖洗入口，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計、密封結(jié)構(gòu)及方式應具備良好的穩(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)設計復雜，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)復雜且外形占用空間較大，不利于維護；氣缸傳動技術成熟、可靠，執(zhí)行往復運運動效率高，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型密封環(huán)不適用廢樹脂取樣器的設計要求。介于此種情況，密封環(huán)應考慮采用矩型（￡）截面設計，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，采集腔應無沖洗、殘留死角，盡量采用圓弧、流線型設計。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。廢樹脂取樣器設計的定形還需要相關理論計算依據(jù)支撐，同時，借助試驗平臺模擬實際工況進行驗證，設計出滿足核電站實際運行需要的廢樹脂取樣器。