一種放射性物品公路運輸系統(tǒng)力學(xué)安全性研究

王曉鵬，張煜航，莊大杰，朱坤，李國強

一種放射性物品公路運輸系統(tǒng)力學(xué)安全性研究

王曉鵬1，張煜航2，莊大杰2，朱坤1，李國強2

（1.中核四0四有限公司 第四分公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.中國輻射防護研究院 核應(yīng)急與核安全研究所，太原 030024）

根據(jù)所裝載的內(nèi)容物特點以及現(xiàn)有成熟的運輸固定方式，進行放射性物品運輸容器和配套栓系系統(tǒng)的設(shè)計，形成具有良好運輸匹配性和操作便捷性的核燃料運輸系統(tǒng)，為放射性物品安全運輸提供參考。采用試驗和仿真計算相結(jié)合的方法，其中針對放射性物品運輸容器開展貫穿、自由下落、穿刺等驗證性試驗，針對栓系系統(tǒng)設(shè)計開展有限元仿真計算，以驗證栓系結(jié)構(gòu)強度。試驗結(jié)果表明運輸容器具有良好的力學(xué)安全性能，能夠保證在經(jīng)歷正常運輸條件和運輸事故條件后對內(nèi)容物的包容性。在規(guī)定的加速度載荷下，栓系系統(tǒng)的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強度，能夠滿足公路運輸對栓系系統(tǒng)的強度要求。設(shè)計的放射性物品運輸容器和配套栓系經(jīng)過安全分析后，組成的公路運輸系統(tǒng)能夠滿足放射性物品公路運輸?shù)陌踩枨蟆?/p>

運輸系統(tǒng)；運輸容器；放射性物品；栓系

隨著“碳達峰”“碳中和”目標的提出，我國能源政策的不斷優(yōu)化，電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型進程加快，核能開發(fā)目前已經(jīng)處于快速發(fā)展期[1-4]。根據(jù)中核戰(zhàn)略研究院報告顯示，2021年核電機組運行數(shù)量同比增長8.2%，裝機容量同比增長7.1%。核能作為我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，具有穩(wěn)定、高效、近零排放等多種優(yōu)點，特別是在電煤短缺、水電減少、新能源發(fā)電不及預(yù)期等特殊環(huán)境時，核電對穩(wěn)定電力系統(tǒng)供應(yīng)發(fā)揮了“壓艙石”作用。

放射性物品運輸活動與核能開發(fā)和核技術(shù)發(fā)展伴隨相生，是一項移動的核與輻射實踐活動，放射性物品運輸安全被列為核安全“四大安全”之一，在放射性物品防護中具有重要地位。放射性物品運輸容器（以下簡稱“運輸容器”）及其相應(yīng)的栓系系統(tǒng)是完成放射性物品運輸活動的重要組成部分。運輸容器的主要作用為包容其內(nèi)部的放射性物品，防止放射性物品在正常運輸條件和運輸事故條件下發(fā)生泄漏，以免對公眾和環(huán)境造成放射性危害[5-7]。栓系系統(tǒng)的主要作用為在運輸過程中約束運輸容器的相對位置，防止運輸過程造成運輸容器的傾覆和變形，繼而影響運輸過程中的輻射水平。

本文基于實際放射性物品運輸需求，建立包含運輸容器和栓系設(shè)計的放射性物品運輸公路運輸系統(tǒng)。采用試驗驗證的方式，對運輸容器進行了貫穿、穿刺、自由下落以及耐熱等系列試驗，以驗證運輸容器的安全性能。采用仿真計算方法，對運輸容器的栓系系統(tǒng)進行強度校核，分析在規(guī)定當(dāng)量加速度載荷下的應(yīng)力和位移，以驗證栓系系統(tǒng)能否滿足公路運輸?shù)陌踩蟆?/p>

1 運輸容器

運輸容器外形為圓桶形，主要材質(zhì)為06Cr19Ni10不銹鋼，最大外形尺寸為702 mm（直徑）×767 mm（高），貨包總質(zhì)量約為400 kg。根據(jù)放射性內(nèi)容物特性、活度水平、比活度和運輸方式，確定貨包類型為B(U)型貨包。運輸容器的安全性能驗證主要參考GB 11806—2019《放射性物品安全運輸規(guī)程》[8-9]（以下簡稱“規(guī)程”），其中規(guī)定了B(U)型貨包的設(shè)計要求以及相應(yīng)的驗證方法，主要的力學(xué)安全性試驗包括貫穿試驗、自由下落試驗、自由下落試驗Ⅰ（或自由下落Ⅲ）以及自由下落試驗Ⅱ[10-13]。為驗證設(shè)計運輸容器的安全性能，依次對運輸容器開展了上述試驗。

貫穿試驗的試驗方式為將運輸容器置于在試驗中不會顯著移動的剛性平坦的水平面上，使一根直徑為3.2 cm、一端呈半球形、質(zhì)量為6 kg的棒從1 m高度自由下落，并沿豎直方向正好落在試樣最薄弱部分的中心部位。運輸容器貫穿點位于容器頂蓋板厚最薄區(qū)域，試驗后結(jié)果如圖1所示。貫穿棒在容器外蓋表面彈跳3次，在沖擊點附近形成3個凹坑，凹痕最大長度為10 mm，貫穿點向內(nèi)凹陷深度<1 mm，頂蓋最薄弱區(qū)域無被穿透風(fēng)險。

圖1 貫穿試驗結(jié)果

自由下落試驗的試驗方法：將運輸容器從距離靶面1.2 m處自由下落至剛度足夠大的水平平面靶，下落姿態(tài)為運輸容器頂面朝下正向下落，試驗結(jié)果如圖2所示。運輸容器上沿邊緣對稱位置向徑向凹陷，距離分別為4 mm和2.7 mm，如圖3所示，其余部位無明顯變形。

圖2 自由下落試驗結(jié)果

圖3 容器上沿變形結(jié)果

自由下落試驗Ⅰ的試驗方法為：將運輸容器從距離靶面9 m處自由下落至剛度足夠大的水平平面靶，下落姿態(tài)為運輸容器頂面朝下正向下落。運輸容器筒體上沿發(fā)生明顯塑性變形，如圖4所示，變形區(qū)域弦長32 cm，凹陷深度為7.5 mm。容器頂蓋形成半徑為14 cm的圓形變形區(qū)域，頂蓋向外凸起，最大凸起高度為16 mm，如圖5所示。

圖4 自由下落試驗Ⅰ變形結(jié)果

圖5 自由下落試驗Ⅰ頂蓋變形結(jié)果

自由下落試驗Ⅱ的試驗方式為運輸容器從距離靶面1 m處自由下落至約束牢固的圓柱形穿刺棒上，穿刺棒直徑為15cm，長度為20 cm，由實心低碳鋼制成。試驗后容器變形情況如圖6所示，變形區(qū)域長為200 mm、寬為188 mm，最大凹陷深度為27.9 mm。

圖6 自由下落試驗Ⅱ變形結(jié)果

經(jīng)歷上述驗證試驗后，運輸容器滿足各項試驗驗收準則，表明運輸容器具有良好的力學(xué)安全性能，能夠保證其對內(nèi)容物的包容性。

2 栓系系統(tǒng)

2.1 栓系系統(tǒng)介紹

栓系系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮與運輸容器的相互配合，并充分利用運輸容器的結(jié)構(gòu)特點[14]。具體到本文所設(shè)計的運輸容器，可以利用容器外筒體中間區(qū)域的環(huán)狀凹槽和容器底部的內(nèi)凹設(shè)計，設(shè)計“卡箍”式的栓系格架，將容器放置在格架底板，利用2塊半圓形鋼板嵌入容器外筒體中間凹槽處，隨后將鋼板與格架通過螺栓連接，如圖7所示。為進一步擴展栓系的使用場景，方便現(xiàn)場操作提高裝卸效率，以單個栓系格架為基礎(chǔ)，設(shè)計雙貨包栓系格架，如圖8所示。實際運輸過程中，可根據(jù)運輸量、車廂尺寸等方式進行組合，為放射性物品運輸需求提供了更加靈活、多樣的運輸方案。同時由于各個栓系格架之間相互獨立，栓系安全性分析時以栓系格架為單位，無須因組合方式改變而重新分析。減少了不同運輸方案中重復(fù)性的分析工作，提高了運輸方案的編制效率。

圖7 單貨包栓系系統(tǒng)三維示意圖

圖8 雙貨包栓系三維示意圖

目前栓系系統(tǒng)安全性分析中主要采用的是當(dāng)量慣性力法，即引入加速度因子（Acceleration Factors）這一概念用于反映貨包的慣性力，將慣性力等效為作用在質(zhì)心處的當(dāng)量靜態(tài)作用力。國際原子能機構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）2012年版咨詢材料的特定安全導(dǎo)則SSG–26[15]中給出了不同運輸方式下貨包及其栓系系統(tǒng)設(shè)計所用的加速度因子。我國生態(tài)環(huán)境標準HJ 1187—2021《放射性物品運輸核與輻射安全分析報告書格式和內(nèi)容》[5]中所采用的加速度因子與SSG–26 2012中的一致。對于公路運輸參考的組合加速度因子向上為（2, 1, 2）和向下為（2, 1, ?3）。需要注意的是，根據(jù)表1所確定的垂直加速度因子不考慮重力的影響。因此，實際計算時，垂直方向向下的加速度因子需在規(guī)定值的基礎(chǔ)上增加貨包自身1向下的加速度，即向下加速度因子為3；向上的加速度因子需在2基礎(chǔ)上減去貨包自身1向下的加速度因子，即向上加速度因子為1。與單一方向加速度加載相比，組合加速度加載對栓系系統(tǒng)最為危險，因此選擇向上（2, 1, 1）和向下（2, 1, ?4）的加速度因子組合作為計算工況。

放射性物品運輸容器在運輸過程中的振動和沖擊主要通過對運輸過程開展實時的加速度監(jiān)測實現(xiàn)，監(jiān)測對象包括車輛、栓系系統(tǒng)以及運輸容器。文獻[16]研究表明，采用15 t重型牽引車運輸8臺組件容器，在典型工況試驗過程中，當(dāng)急剎車速度為5、10、20 km/h，過平交道口速度為5、10 km/h時，沖擊加速度小于1。文獻[17]指出，根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，列車運輸編組時車輛間的最大沖擊速度不得超過5.0 km/h，考慮一定安全裕量，兩輛車之間的沖擊最大加速度為1.5。

根據(jù)過往開展的放射性物品運輸加速度監(jiān)測研究。正常運輸情況下，車輛橫梁上下、前后、左右方向的加速度最大值小于2。特殊情況下，例如車速為35 km/h轉(zhuǎn)彎時，橫梁上下方向最大加速度為1.6，前后方向最大加速度為2.7，左右方向最大加速度為0.7（如圖9所示）；車速為40 km/h轉(zhuǎn)彎時，橫梁上下方向最大加速度為2.5，前后方向最大加速度為1.5，左右方向最大加速度為1.0；車速為40 km/h急剎車時，橫梁上下方向最大加速度為1.6，前后方向最大加速度為2.2，左右方向最大加速度為0.9。

實際放射性物品運輸過程中，對運輸車輛行駛具有嚴格要求，以保證運輸車輛行駛的穩(wěn)定性。正常運輸情況下，IAEA所給出的加速度因子基本能夠包絡(luò)放射性物品運輸過程中所經(jīng)受的加速度。

2.2 單貨包栓系計算

單貨包栓系計算采用ABAQUS有限元分析程序進行網(wǎng)格劃分和力學(xué)計算。采用Standard隱式分析模塊，對栓系系統(tǒng)整體施加三方向加速度。模型除螺栓外平均網(wǎng)格尺寸為8 mm，螺栓平均網(wǎng)格尺寸為2 mm；運輸容器采用四邊形殼單元，單元類型為S4；栓系格架采用六邊形單元，單元類型為C3D8，單元數(shù)量為98 647，節(jié)點數(shù)為139 636。計算材料模型采用線彈性模型，不銹鋼彈性模量為193 GPa，泊松比為0.3。

表1 貨包及其栓系系統(tǒng)加速度因子指標

Tab.1 Acceleration factors for package and retention system

圖9 轉(zhuǎn)彎車速35 km/h時車輛橫梁加速度時程曲線

有限元模型基于與實際產(chǎn)品一致的設(shè)計圖紙進行1∶1全尺寸的建模。實際產(chǎn)品建造過程中，對成型、焊接等加工工藝進行嚴格控制，保證加工精度在設(shè)計要求的范圍內(nèi)。有限元建模過程中采取的減小誤差的方式包括：減少有限元模型簡化，保留倒角、圓角、轉(zhuǎn)角等細節(jié)區(qū)域；對變截面、開孔等區(qū)域以及可能的受力位置進行局部網(wǎng)格加密處理；有限元模型裝配相對位置與設(shè)計圖紙保持一致等。

栓系系統(tǒng)在組合加速度（2, 1, 1）下的受力情況如圖10所示。其中運輸容器（圖10a）的最大應(yīng)力為33 MPa，位于車前進方向容器底部的變截面處；栓系格架（圖10b）的最大應(yīng)力為41 MPa，位于車前進方向格架底板的螺孔處；栓系系統(tǒng)連接螺栓（圖10c）的最大應(yīng)力為184 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

栓系系統(tǒng)在組合加速度（2, 1, ?4）下的受力情況如圖11所示。其中運輸容器（圖11a）的最大應(yīng)力為36 MPa，位于車前進方向容器中部凹槽；栓系格架（圖11b）最大應(yīng)力為40 MPa，位于車前進方向格架底板的螺孔處；連接螺栓（圖11c）的最大應(yīng)力為182 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

2.3 雙貨包栓系計算

雙貨包栓系計算所用求解程序、網(wǎng)格尺寸、單元類型與單貨包一致，單元數(shù)量為162 522，節(jié)點數(shù)為219 736。根據(jù)雙貨包的結(jié)構(gòu)形式特點，其在車廂內(nèi)存在2種擺放方式，方式1為橫向擺放，即列車前進方向與格架長邊方向相垂直；方式2為豎向擺放，即列車前進方向與格架長邊方向相平行。

方式1在組合加速度（2, 1, 1）下的受力情況如圖12所示。其中運輸容器（圖12a）的最大應(yīng)力為43 MPa，位于車前進方向容器底部的變截面處；栓系格架（圖12b）的最大應(yīng)力為63 MPa，位于車前進方向槽鋼型底座處；連接螺栓（圖12c）的最大應(yīng)力為284 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

方式1在組合加速度（2, 1, ?4）下的受力情況如圖13所示，其中運輸容器（圖13a）的最大應(yīng)力為68 MPa，位于車前進方向容器底部的變截面處，栓系格架（圖13b）的最大應(yīng)力為65 MPa，位于車前進方向槽鋼型底座處；連接螺栓（圖13c）的最大應(yīng)力為288 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

方式2在組合加速度（2, 1, 1）下的受力情況如圖14所示。其中運輸容器（圖14a）的最大應(yīng)力為42 MPa，位于車前進方向容器底部的變截面處；栓系格架（圖14b）的最大應(yīng)力為61 MPa，位于車前進方向槽鋼型底座處；連接螺栓（圖14c）的最大應(yīng)力為310 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

圖10 單貨包栓系（2g, 1g, 1g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

圖11 單貨包在（2g, 1g, ?4g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

圖12 雙貨包方式1在（2g, 1g, 1g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

圖13 雙貨包方式1在（2g, 1g, ?4g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

圖14 雙貨包方式2在（2g, 1g, 1g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

方式2在組合加速度（2, 1, ?4）下的受力情況如圖15所示。其中運輸容器（圖15a）的最大應(yīng)力為67 MPa，位于車前進方向容器底部的變截面處；栓系格架（圖15b）的最大應(yīng)力為64 MPa，位于車前進方向槽鋼型底座處；連接螺栓（圖15c）的最大應(yīng)力為319 MPa，位于車前進方向栓系格架底板的螺栓處。

表2為單貨包和雙貨包的最大應(yīng)力和所在位置匯總。根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果，在規(guī)定的加速度載荷下，栓系系統(tǒng)的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強度，能夠滿足公路運輸對栓系系統(tǒng)的強度要求。使用單貨包栓系時，貨包表面、栓系格架以及連接螺栓處的最大應(yīng)力明顯低于使用雙貨包栓系時的最大應(yīng)力。雙貨包栓系采用方式1和方式2擺放時，貨包表面與栓系格架的最大應(yīng)力基本一致，但方式1的連接螺栓最大應(yīng)力小于方式2的。因此，在條件允許的情況下建議優(yōu)先選擇單貨包栓系，若選擇雙貨包栓系，則優(yōu)先考慮橫向擺放的方式。

圖15 雙貨包方式2在（2g, 1g, ?4g）載荷條件下的應(yīng)力云圖

表2 運輸系統(tǒng)最大應(yīng)力及最大應(yīng)力所在位置

Tab.2 Maximum stress and its location in transport system

3 結(jié)語

本文基于實際放射性物品運輸需求，設(shè)計了一種新型的放射性物品運輸容器以及配套的栓系格架。對所設(shè)計容器進行了貫穿試驗、自由下落試驗、自由下落試驗Ⅰ和自由下落試驗Ⅱ等系列驗證性試驗，證明了容器設(shè)計的安全性能。根據(jù)容器外形特點，設(shè)計了“卡箍”型栓系格架，并擴展出雙貨包栓系格架，能夠滿足多樣、靈活的運輸需求。采用SSG–26規(guī)定的加速度組合對設(shè)計的栓系系統(tǒng)進行強度校核，仿真計算結(jié)果表明栓系系統(tǒng)不會發(fā)生屈服。從運輸容器安全和栓系系統(tǒng)安全兩方面的分析表明，設(shè)計的放射性物品公路運輸系統(tǒng)能夠滿足公路運輸?shù)陌踩?，為我國放射性物品安全運輸提供了新的運輸方案參考。

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Mechanical Safety of Road Transport System for Radioactive Material

WANG Xiao-peng1, ZHANG Yu-hang2, ZHUANG Da-jie2, ZHU Kun1, LI Guo-qiang2

(1. No.4 Branch of China National Nuclear Industry Corporation 404, Gansu Jiayuguan 735100, China; 2. Institute for Nuclear Emergency and Safety, China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030024, China)

The work aims to design the transport package and the supporting retention system for radioactive materials according to the characteristics of the loaded contents and the existing mature transport and fixing methods to form a nuclear fuel transport system with good transport matching and convenient operation and provide reference for the safe transport of radioactive materials. Experiment and simulation methods were used to carry out penetration test, free drop test and puncture test on radioactive material transport package. The finite element simulation calculation was carried out on the design of retention system to verify the strength of retention structure. The test results indicated that transport package had good mechanical safety performance and could guarantee the containment of interior radioactive material after normal transport and transport accident conditions. Under the specified acceleration load, the maximum stress of the retention system was less than the yield strength of the material, which could meet the strength requirements for road transport. After safety analysis, the road transport system composed of the designed radioactive material transport package and supporting retention can meet the safety requirement of road transport for radioactive materials.

transport system; transport package; radioactive material; retention

TL931

A

1001-3563(2023)13-0268-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.032

2023–04–11

國家自然科學(xué)基金（12202414）

王曉鵬（1985—），男。

李國強（1975—），男，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋