放射性物品運輸貨包安全性研究

黃春年，周鵬飛

1.杭州衛(wèi)康環(huán)保科技有限公司；2.杭州靖坤環(huán)境科技有限公司

隨著世界科技的發(fā)展，現階段各個國家都意識到核能量的重要性，有關于核方面的研究開發(fā)從來都沒有停止過，核工業(yè)的生產規(guī)模也越來越大。核工業(yè)與國民經濟的提升有著非常密切的聯系，但是在其研發(fā)過程中，會出現大量的放射性物質，造成人體傷害，嚴重時短時間內就可以造成死亡。因此在進行核工業(yè)生產的過程當中，放射源的運輸成為一大挑戰(zhàn)，運輸貨包的安全性是工業(yè)生產最需要重視的問題。

一、放射源概述

（一）放射源

放射源是指會產生放射性輻射的物品，通?？梢苑譃槊芊夥派湓磁c非密封放射源，日常生產中，工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)用的放射源都屬于第一種，大部分密封放射源都需要通過嚴格的保護措施，防止其滲漏。非密封放射源都僅供實驗室研發(fā)使用，其放射強度更低，使用時更加安全。放射源的使用雖然可以輔助工農業(yè)以及醫(yī)學的發(fā)展，但其危害性也非常大，一旦操作不當，很容易對人體造成傷害，并且受到放射物品輻射，對人體的傷害是不可逆的，幾周甚至幾天之內就會造成死亡。

（二）放射性物品運輸

由于放射性物品的危險性，必須要對其運輸過程引起重視，在裝載、運輸的途中不能出現任何問題。為了減少人們長時間與放射性物品接觸，必須對運輸環(huán)節(jié)的時間、次數、路線都作出合理規(guī)劃，首先是盡量減少運輸次數，避免多次運輸，造成司機人員的疲勞，其次合理規(guī)劃運輸路線，讓放射性物品盡可能在路上少耽誤一點時間。對于運輸物品，必須要進行全面的密封和屏蔽，嚴格檢查盛放放射源的容器是否合格，每一個運輸貨包都不能夠超出存放限制。運輸貨包在運輸途中也可能受到振動、碰撞等多種情況的損壞，要想完好地進行運輸，就要嚴格按照規(guī)定要求進行安全防護。

二、放射源運輸貨包安全評定準則

根據國際放射源運輸的要求進行了多種貨包質量測試。經研究，運輸貨包的內包容邊界在正常條件下，薄膜應力設計極限為137Sm，其基本許用應力也為137Sm，極限抗拉強度為520Su，屈服強度為205Sy；膜加彎曲應力極限為205.5Sm，基本許用應力為137Sm，極限抗拉強度為520Su，屈服強度為205Sy。運輸貨包的螺栓在正常條件下，平均軸向應力極限為666Sm，基本許用應力為333Sm，極限抗拉強度為1070Su，屈服強度為1000Sy，平均剪應力極限為400Sm，其基本許用應力為333Sm，極限抗拉強度為1070Su，屈服強度為1000Sy。

運輸貨包的內包容邊界在事故條件下，薄膜應力設計極限為328Sm，機械性能為364Su，其基本許用應力為137Sm，極限抗拉強度為520Su，屈服強度為205Sy，膜加彎曲應力極限為493Sm，機械性能為520Sm，基本許用應力為137Sm，極限抗拉強度為520Su，屈服強度為205Sy。運輸貨包的螺栓在事故條件下，平均軸向應力極限為1000Sm，機械性能為749Su，基本許用應力為333Sm，極限抗拉強度為1070Su，屈服強度為1000Sy，平均剪應力極限為600Sm，機械性能為449Su，其基本許用應力為333Sm，極限抗拉強度為1070Su，屈服強度為1000Sy。

三、放射源運輸貨包的設計要求

放射性物品具有非常強的輻射，會對周邊一切有生命的生物造成傷害，在進行運輸貨包的設計之前，應當注重壓力、臨界、熱工等多方面的問題。目前采用的大部分放射源運輸貨包材料，都是使用耐火性非常強的針刺纖維毯作為隔熱材料，能夠起到很好的隔熱作用，避免外界溫度升高對容器內的物品造成反應。運輸容器的重要材質是鉛本體，結合減震器、外包邊界以及蓋子共同組成一個密封的空間，針對運輸貨包在正常運輸或者事故運輸的兩個種情況下，都做出了相應的試驗。首先是正常運輸條件下，一共做了四種類型試驗，第一，運輸貨包在噴水試驗中至少要在降水量達到5厘米的環(huán)境當中暴露一個小時以上。第二，運輸貨包在自由下落試驗中，從30厘米到120厘米的高度自由下落到不變形的水平靶上。第三，運輸貨包在堆積試驗中，承受壓力24h的負載。第四，運輸貨包在貫穿試驗中，讓直徑為3.2厘米，質量為6千克的棒子從一米的高度垂直下落至貨包最薄弱的部分。

其次是事故運輸條件下，一共做了五種類型試驗，第一，運輸貨包在自由下落試驗中，從九米的高度墜落到不變形的水平靶上。第二，運輸貨包在貫穿試驗中，從一米的高度自由下落，墜落到直徑為15厘米，長度為20厘米的垂直靶上。第三，運輸貨包在叩擊試驗中，承受五百千克的重塊擠壓，重塊下落高度為九米。第四，運輸貨包在熱試驗中，承受八百攝氏度的高溫燒制三十分鐘。第五，運輸貨包在水浸沒試驗中，深入水下十五米，浸沒時間八小時。

上述試驗完成后，對相應的運輸貨包進行密封和屏蔽性能監(jiān)測，判斷貨包是否還能夠滿足安全運輸的標準，為運輸貨包的設計提供非?？茖W的依據。

四、放射源運輸貨包安全性研究

對正常運輸條件與事故運輸條件這兩個方面的運輸貨包數值模擬進行分析，建立放射源運輸貨包的三維立體模型，結合沖擊動力學的實驗理論以及動態(tài)顯示算法，對貨包的應力與變形數值做好記錄，計算貨包在不同情況下的形態(tài)，最終才能夠得到運輸貨包設計的最大應力，讓放射性物品運輸更加安全。放射源運輸貨包在兩種不同條件下的安全性評價，能夠預測出運輸貨包耐壓、耐高溫、耐水性以及最危險的跌落姿態(tài)等，并且針對這些問題及時提出貨包設計的修改意見。

（一）跌落沖擊學性能數值模擬

放射源運輸貨包的性能必須達到即使出現事故也要保障運輸的物品不會出現泄露的目的。只通過提升運輸貨包的結構強度，讓其達到安全質量標準，避免過多的安全事故發(fā)生。跌落沖擊學性能數值模擬測驗是在建立三維模型的基礎上，進行正常運輸條件或者事故運輸條件下的試驗模擬，能夠分析出運輸貨包在不同的條件下，受到外界壓力、高溫等負面作用，會產生怎樣的質量變化。值得注意的是，在進行跌落沖擊學性能數值模擬之前，要分析運輸貨包的螺栓部件分布及其大小尺寸，避免試驗過程中其他變量對結果造成影響。

跌落沖擊學性能數值模擬對放射源運輸貨包的內外包容邊界設計都有直接的影響，根據一次薄膜應力強度、一次薄膜+一次彎曲應力強度、一次應力+二次應力、純剪切、擠壓應力等應力限制實驗的設計參數，對運輸貨包進行了塑性失穩(wěn)限制評定，讓運輸貨包的數值模擬更加科學合理。在跌落沖擊學性能測驗當中，試驗的準則不包括鉛材料以及隔熱材料、減振材料等變量的控制，因為在出現跌落沖擊時，運輸貨包這些材料必然會受到影響，因此在試驗過程中，就考慮允許這些材料已經出現變形。

（二）有限元網格的劃分

放射源運輸貨包的三維模型建立之后，將其導入處理器當中，對模型進行裝配、屬性、邊界載荷以及網格劃分的處理。此時模型數據應當采用x-y格式轉換，將模型數據變得更簡潔，并且能夠全面顯示其內部結構的參數，具有兼容性和拓展任。有限元網格的劃分需要考慮以下幾個方面：第一，運輸貨包的筋板與隔熱蓋之間需要使用螺栓連接，這里采用M24螺栓進行輔助連接，讓隔熱蓋與鉛塞之間有可以防止減振物件的空間，利用減振環(huán)節(jié)，對運輸貨包的連接處進行有效的減振。而與上述連接螺栓不同的是，定位法蘭與壓盤之間需要采用M10螺栓連接，保持其最終的穩(wěn)定性。第二，加設劃分試驗當中各部件之間的連接非?？煽浚\輸貨包的制造不存在任何問題，即沒有變形等情況，有限元網格劃分才能夠充分考慮到螺栓禁錮過程中的預緊力，避免容器建設試驗過于復雜。第三，運輸貨包的內部結構比較多，在各部件形狀處理上需要經過更加嚴格的劃分，簡化設計原理，減少對前處理網格的過多干擾。在上述內容都得到滿足的條件下，在運輸貨包外加一層隔熱材料，實現有限元模型網絡的精度計算，衡量運輸中報的單元模型大小，防止網格出現畸變等其他錯誤。

（三）邊界條件與載荷

利用有限元軟件進行運輸貨包的模塊計算，首先要做的是將3D模型反而本體進行固定，讓內部螺栓保持平衡，不會出現抵抗力量，達到平穩(wěn)狀態(tài)后，就需要去掉支撐本體的防固邊界，利用顯示算法，進行運輸貨包的模擬驗算。在這個過程當中螺栓預緊力產生的應力場需要始終作用于運輸貨包上，維持主體的固定形態(tài)，讓測算結果更加合理有效。運輸貨包的自由落體測算，必須要保持高度一致，避免其他變量對測算設計產生過多的影響。

（四）貨包整體變形與應力

通過沖擊跌落實驗，了解到在正常運輸條件下或者事故運輸條件下，運輸貨包的頂角、側面、頂面會出現什么樣的變形。首先是在正常運輸條件下運輸貨包的頂角正常下落時（120厘米的高度），受到沖擊的中心位置附近七塊筋板都出現不同程度的變形，運輸貨包的其余形態(tài)也受到了影響，整體長度會減少，在沖擊中心60度范圍內的結構都會向下翹曲，產生大量變形，長度減少95毫米，高度變形25毫米。但是，值得注意的是內部結構當中連接的螺栓并未發(fā)生變形。運輸貨包的側面正常下落時（120厘米的高度），受到沖擊的中心位置附近三塊筋板出現變形，其余各沿徑處有輕微的扭曲，其余部件并未發(fā)生明顯的彎曲變化。運輸貨包頂面正常下落時（120厘米的高度），只有一塊筋板出現變形，那就是與靶面直接接觸的那一塊，出現扭曲變形狀態(tài)。

其次是事故運輸條件下，運輸貨包的頂角正常下落時（900厘米的高度），受到沖擊的中心位置嚴重變形，在沖擊中心附近的十一塊筋板都產生了嚴重的扭曲，運輸貨包的其余形態(tài)也受到了影響，連接沖擊點處的螺栓遭到不可逆轉的破壞，但其余螺栓都沒有受到影響。運輸貨包的側面正常下落時（900厘米的高度），受到沖擊的中心位置附近六塊筋板出現變形，沖擊處向內彎曲尺寸達到54毫米，沖擊輻射周邊70度的范圍，螺栓連接處的隔熱層也由于壓力的沖擊產生變形，其余部件并未發(fā)生明顯的彎曲變化。運輸貨包頂面正常下落時（900厘米的高度），貨包的隔熱蓋直接被壓力沖擊，造成內提手損壞，減振環(huán)損壞等嚴重問題?？梢钥闯霾徽撌窃谀囊环N情況下，運輸貨包的頂角受到的沖擊壓力都是最大的，受到的傷害也是最高的。

五、放射源運輸貨包安全性研究總結

通過上述運輸貨包的各項測驗數據以及放射源運輸的安全設計準則等多個方面的內容，綜合分析運輸貨包的安全性能，在有限元分析軟件的基礎上，得到了以下幾點安全性提升結論：

運輸貨包在自由下落過程中，對貨包內螺栓進行預應力的預測控制，能夠有效對貨包提升減振作用，沖擊試驗模擬的數據顯示，螺栓連接處的穩(wěn)定性直接影響到運輸貨包的安全性。

結合有限元分析軟件，將預應力場進行施加，能夠發(fā)現正常運輸條件下，當運輸貨包的頂角正常下落時（120厘米的高度），內包容邊的最大薄膜應力以及其他盈利數據都在許用值的范圍之內，同樣，外包容邊也能夠滿足設計使用，螺栓的連接都非常安全。運輸貨包的側面正常下落時（120厘米的高度）、頂面正常下落時（120厘米的高度），都能夠滿足基本的應力安全許用值。事故運輸條件下，上述貨包的頂角正常下落時（900厘米的高度），運輸貨包的側面正常下落時（900厘米的高度）、頂面正常下落時（900厘米的高度），也同樣能夠滿足安全設計的規(guī)范要求。運輸貨包在進行塑性變形測量當中，沖擊跌落實驗的數據顯示，運輸貨包承受能量的主要位置是本體周圍的筋板，從能量曲線的變化情況來看，運輸貨包不論是以什么樣的姿態(tài)發(fā)生跌落，都可以承受住變能的改變，只要筋板的承受載荷在限定范圍內，都能夠保障運輸貨包的安全性。

放射源運輸貨包內壁或者外壁的熱應力值計算嗾使非常重要的，尤其是主體結構當中涉及放射物品可能出現泄漏的重要區(qū)域，針對暴曬或者無暴曬兩個情況分別做出了數據測試。根據抗熱沖擊性能的測驗，可能看出鉛體的屏蔽性非常好，完全可以保障運輸貨包的抗熱沖擊性。

六、結語

放射性物品運輸一直以來都是非常危險的工程建設行為，一旦出現任何紕漏，都會造成大量人員的傷亡或者環(huán)境污染問題。針對放射源運輸貨包的安全設計與使用，本文經過力學等多方面的實驗模擬探討，結合貨包設計準則對安全性能作出更好的評估，減少全尺寸貨包的過多使用，在今后的放射源運輸過程當中，不斷吸收經驗，創(chuàng)新安全性能提升的方法，為放射源運輸提供更加安全的環(huán)境，保障社會公共安全。