放射性腐蝕試片自動(dòng)化分析預(yù)處理裝置研制

王 鵬 郝曉華 楊 彪 邵曉宙 李哲宇 溫 毅 康文凱

（1.中國(guó)核科技信息與經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100048；2.中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

乏燃料后處理設(shè)備在含高放射性裂變產(chǎn)物的高溫濃硝酸（強(qiáng)腐蝕性）條件下工作。為確保溶解池安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須持續(xù)分析溶解池液體腐蝕性。針對(duì)國(guó)內(nèi)欠缺高放液體試驗(yàn)時(shí)自動(dòng)化預(yù)處理設(shè)備只能采用人工處理高放液體試驗(yàn)樣品或以無(wú)放射性同位素模擬的現(xiàn)狀，迫切需要開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理、性能安全可靠的放射性液體腐蝕試片分析預(yù)處理裝置，保證在真實(shí)料液試驗(yàn)條件下腐蝕試片預(yù)處理的順利進(jìn)行，并保證該裝置在無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)操作時(shí)整體的可靠性密封。本文進(jìn)行放射性腐蝕試片自動(dòng)化分析預(yù)處理裝置樣機(jī)研制，研究其中的關(guān)鍵技術(shù)，為該裝置在乏燃料后處理過(guò)程中運(yùn)行和核化工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的類似項(xiàng)目提供參考。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)由試片轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)運(yùn)接口結(jié)構(gòu)、吊運(yùn)結(jié)構(gòu)、超聲波清洗結(jié)構(gòu)以及軟化水噴淋結(jié)構(gòu)組成，并配以相應(yīng)的屏蔽密封箱室與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)完成放射性腐蝕試片轉(zhuǎn)運(yùn)、清洗、噴淋等工序。它的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如下。第一，腐蝕試片轉(zhuǎn)移。腐蝕試片從放射性液體中取出掛入防護(hù)容器中，防護(hù)容器裝載到手動(dòng)運(yùn)輸小車中。小車沿軌道進(jìn)入預(yù)處理裝置的物料進(jìn)口，小車限位鎖定，關(guān)閉物料進(jìn)口門(mén)。第二，容器吊運(yùn)。過(guò)渡小室平開(kāi)門(mén)翻轉(zhuǎn)，吊具下放自動(dòng)鉤鎖防護(hù)容器，吊具上移，吊車橫移，到達(dá)超聲清洗器位置，吊具下移，防護(hù)容器到超聲清洗器工位。第三，超聲清洗。設(shè)備依據(jù)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率，完成設(shè)定時(shí)間的清洗工作。第四，軟水噴淋。吊具再次轉(zhuǎn)運(yùn)，將容器移動(dòng)到軟水噴淋器，軟水噴淋自動(dòng)開(kāi)啟，依據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定流量和時(shí)間工作。第五，試片分析。吊運(yùn)設(shè)備將容器轉(zhuǎn)運(yùn)到托盤(pán)處限位，綠燈亮起，通知人員打開(kāi)過(guò)渡箱門(mén)，取走試片。

2 樣機(jī)研制

2.1 試片轉(zhuǎn)運(yùn)結(jié)構(gòu)

腐蝕試片從放射性液體中取出掛入防護(hù)容器，防護(hù)容器裝載到運(yùn)輸小車。小車沿軌道進(jìn)入預(yù)處理裝置的物料進(jìn)口，推到預(yù)定位置限位，關(guān)閉物料轉(zhuǎn)移門(mén)[1]。運(yùn)輸車滿足屏蔽容器固定要求，并設(shè)置有推拉扶手和定位鎖緊裝置，以便人員拉出小車，保證小車能夠穩(wěn)定?？吭谵D(zhuǎn)運(yùn)接口位置[2]。

2.2 轉(zhuǎn)運(yùn)接口結(jié)構(gòu)

在密封箱室過(guò)渡室，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)運(yùn)接口的開(kāi)關(guān)蓋裝置，實(shí)現(xiàn)將腐蝕試片提籃從轉(zhuǎn)運(yùn)小車轉(zhuǎn)移到預(yù)處理裝置內(nèi)部，且保證無(wú)轉(zhuǎn)運(yùn)操作時(shí)該轉(zhuǎn)運(yùn)接口處密封。本裝置采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)運(yùn)接口開(kāi)關(guān)蓋裝置，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)接貫穿軸、密封管套、聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)運(yùn)接口蓋。其中，聯(lián)接貫穿軸用于連接電機(jī)輸出端和聯(lián)軸器，是保證內(nèi)部氣體不外泄的重要組件。

2.3 吊運(yùn)結(jié)構(gòu)

吊運(yùn)過(guò)程在屏蔽箱中進(jìn)行。由于屏蔽箱內(nèi)部空間有限，吊車定位精度與晃動(dòng)量控制技術(shù)尤為重要。若出現(xiàn)定位不準(zhǔn)或晃動(dòng)量大造成腐蝕掛片發(fā)生傾斜、卡塞等現(xiàn)象，會(huì)給后續(xù)清理、去污帶來(lái)極大麻煩。針對(duì)這種情況，采用專用吊具、直線模組及比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID）參數(shù)控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)大車、吊鉤的位置、擺角的精確控制。其中：蘑菇頭吊具頂部為圓弧，水平面無(wú)方向性，可從任意方向起吊，是精密控制的重要支撐，可在重力作用下變換凹凸槽，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定和自動(dòng)脫鎖；直線模組可在高負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)高精度直線運(yùn)動(dòng)，是精密控制的基礎(chǔ)；PID參數(shù)控制根據(jù)動(dòng)力學(xué)建立吊車及重物的運(yùn)動(dòng)方程式，將狀態(tài)反饋矩陣結(jié)果輸入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的PID控制參數(shù)中[3]，通過(guò)測(cè)量擺角反饋和控制伺服電機(jī)加速度，實(shí)現(xiàn)晃動(dòng)量快速衰減，是精密控制的核心。通過(guò)以上技術(shù)實(shí)現(xiàn)了吊運(yùn)結(jié)構(gòu)角度晃動(dòng)量小于±1.5°、重復(fù)定位精度不大于±1 mm的控制精度。

2.4 超聲波清洗結(jié)構(gòu)

超聲波清洗器主要由設(shè)備主體、超聲波發(fā)生器、電纜以及控制系統(tǒng)組成。超聲波清洗器設(shè)計(jì)為功率密度高的布置方式，三面設(shè)計(jì)超聲波振盒，單振盒由18個(gè)50 W的超聲波發(fā)生器構(gòu)成。三面振盒總功率為2.7 kW，超聲頻率為28 kHz，功率密度為30 W·L-3。

2.5 軟化水噴淋

軟水噴淋系統(tǒng)由外部容器和內(nèi)部螺旋狀管道組成，自裝置頂部引入軟化水。螺旋狀管道內(nèi)側(cè)邊開(kāi)有直徑1.5 mm小孔，軟水連續(xù)向試片噴淋。依據(jù)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量和定時(shí)，完成后計(jì)時(shí)器反饋信息。淋洗用后的水，通過(guò)加長(zhǎng)桿閥門(mén)開(kāi)放排到指定管路中。

2.6 屏蔽密封箱室

預(yù)處理試驗(yàn)應(yīng)在屏蔽密封箱室內(nèi)進(jìn)行。設(shè)計(jì)屏蔽層厚度為5 cm鉛當(dāng)量。箱室密封性根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《密封箱室密封性分級(jí)及其檢驗(yàn)方法》（EJ/T 1096—1999）規(guī)定采用四級(jí)密封[4]。

密封屏蔽箱體外形如圖2所示，左側(cè)為物料轉(zhuǎn)移屏蔽門(mén)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料位置屏蔽。箱室頂部?jī)啥嗽O(shè)計(jì)高效過(guò)濾器進(jìn)出口，以產(chǎn)生均勻負(fù)壓流場(chǎng)，防止氣溶膠外泄[5]。壓力表安裝于箱體前部，可方便人員實(shí)時(shí)觀察裝置內(nèi)部負(fù)壓。箱體前側(cè)設(shè)計(jì)手套孔，用于突發(fā)情況下人工干預(yù)。

圖2 屏蔽密封箱室

箱體前側(cè)手套孔中手套直接受到高放樣品照射，且手套本身壽命期限，需定期更換，為此研發(fā)了一種用于放射性物質(zhì)操作手套箱的手套更換裝置。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，將新?lián)Q手套套入手套環(huán)，舊手套落入箱室內(nèi)部。該裝置能在保證手套箱內(nèi)外物理隔絕的狀態(tài)下快捷完成手套更換，提高了輻射防護(hù)領(lǐng)域手套更換的效率和安全性。

2.7 控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)包括超聲波控制界面、吊運(yùn)結(jié)構(gòu)控制界面、參數(shù)設(shè)置界面以及自動(dòng)模式位置設(shè)置界面[6]。在超聲波界面，可以分別控制3個(gè)振盒裝置，并顯示清洗池的液位。在吊運(yùn)結(jié)構(gòu)界面，可以控制直線模組、吊具以及密封開(kāi)關(guān)蓋，并顯示直線模組運(yùn)行速度和吊具的實(shí)時(shí)位置。在參數(shù)設(shè)置界面，可以分別設(shè)置超聲波發(fā)生裝置、吊具升降裝置以及直線模組水平電機(jī)。在自動(dòng)模式，可以實(shí)時(shí)顯示各部件的工作狀態(tài)。

3 性能測(cè)試

3.1 吊車晃動(dòng)控制試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)吊裝100 kg、200 kg兩種配重，0.8l、1.2l（l為設(shè)計(jì)繩長(zhǎng)），4組試驗(yàn)，按照工藝設(shè)計(jì)1.2倍速度運(yùn)行，重復(fù)試驗(yàn)，驗(yàn)證其晃動(dòng)量控制性能和重復(fù)定位精度。吊車晃動(dòng)量測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1吊車晃動(dòng)量測(cè)試結(jié)果可知，繩長(zhǎng)或物重變化時(shí)，擺角最終都會(huì)趨于0°。角度測(cè)量?jī)x記錄值均小于±1.5°，重復(fù)定位精度不大于1 mm，說(shuō)明當(dāng)繩長(zhǎng)或物重在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)變化時(shí)，吊車晃動(dòng)量控制系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 吊車晃動(dòng)量測(cè)試結(jié)果

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

如表2所示，經(jīng)測(cè)試，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)接口開(kāi)關(guān)蓋裝置、單軌吊車以及超聲波清洗器等裝置之間協(xié)作運(yùn)行、配套使用時(shí)，均可正常運(yùn)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)

3.3 與國(guó)內(nèi)外同類裝置的比較分析

對(duì)比研發(fā)的放射性腐蝕試片自動(dòng)化分析預(yù)處理與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，結(jié)果如表3所示。研發(fā)裝置在滿足腐蝕實(shí)驗(yàn)條件角度方面有較大的提升，實(shí)現(xiàn)了該裝置的國(guó)產(chǎn)化，滿足了真實(shí)料液腐蝕試驗(yàn)的自動(dòng)化預(yù)處理工藝要求。精準(zhǔn)運(yùn)行方面，利用專用吊具、直線模組及PID參數(shù)控制算法實(shí)現(xiàn)了密封箱室內(nèi)的精確控制，為國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品中較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)。

表3 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)比較

4 結(jié)語(yǔ)

放射性腐蝕試片自動(dòng)化分析預(yù)處理裝置的研制實(shí)現(xiàn)了在輻射防護(hù)環(huán)境下自動(dòng)完成放射性腐蝕試片轉(zhuǎn)運(yùn)、清洗、噴淋等分析預(yù)處理操作，在滿足放射性腐蝕試片分析預(yù)處理工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)緊湊，屏蔽能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，是國(guó)內(nèi)首次將吊車晃動(dòng)量控制技術(shù)應(yīng)用于小型化密封箱室設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)工序的自動(dòng)化精準(zhǔn)操作（晃動(dòng)角度小于±1.5°、重復(fù)定位精度不大于±1 mm），不僅可以提高放射性腐蝕試片分析預(yù)處理效率，而且可以減少人員操作，保證人員安全。