一種適用于放射性沾染工裝的全自動超聲波去污及廢液收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TB559 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)13-0038-04

Abstract:Inviewofthecomplexstructureofsomenuclear-relatedtolingandthedificultyofthoroughdecontaminationof radioactivecontamination，afullyautomaticultrasonicdecontaminationandwasteliquidcolectiondeviceforradioactive contaminationtolingwasdesignedbasedontheacousticcavitationmechanismofultrasonicwavesinliquids.Thestructure， workingprincipleandprocessofthedevicearedescribed.Thedevicecanrealizefullyautomaticultrasonicdecontaminationof radioactivecontaminatedtoling，andatthesametime，filterandcolectwasteliquidgeneratedbydecontamination，which effectively prevents thespread of radioactive contamination whileimproving the decontaminationeffect.

Keywords:radioactivity;decontamination;ultrasound;waste collection; device

隨著核能應(yīng)用技術(shù)的日益完善，核能的開發(fā)與利用越發(fā)廣泛，給人類帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。與此同時，在核材料開采、運輸、加工、儲存以及核廢物處置等加工和應(yīng)用的環(huán)節(jié)中，與核材料直接接觸的金屬工裝或構(gòu)件表面往往會有一定的放射性沾染，需要對其進行去污處理后才能存放。但是，由于部分金屬工裝或構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，有些甚至有螺孔等內(nèi)部空間，使用傳統(tǒng)去污方法難以做到徹底去污。

目前，金屬表面的放射性沾染清除方法主要有：真空除塵、高壓水沖洗、可剝離膜去污等；其中，真空除塵在工程應(yīng)用領(lǐng)域難以實現(xiàn)足夠負壓，清除率低，效果受限制；高壓水沖洗雖然能沖刷介質(zhì)表面的放射性沾染，但是會產(chǎn)生大量放射性廢液，增加了后續(xù)處置難度，且對于金屬工裝或構(gòu)件內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)存在沖刷不到位的情況；可剝離膜去污，在實施時，其膜體干燥成膜時間受環(huán)境溫濕度等環(huán)境因素影響較大，難以可控實施，剝離操作可能需要耗費大量的人力和時間，增加了實際去污操作的困難和風(fēng)險。

因此，如何設(shè)計一種清除效率高、清除效果好、不受環(huán)境因素影響、使用方便快捷且不會產(chǎn)生大量放射性廢液的金屬表面放射性沾染清除裝置是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

本文設(shè)計了一種用于放射性沾染工裝全自動超聲波去污及廢液收集裝置（以下簡稱“超聲波去污裝置”)，能夠?qū)崿F(xiàn)對放射性沾染工裝的全自動超聲波去污，同時對去污產(chǎn)生的廢液進行過濾和收集，在提高去污效果的同時有效防止放射性污染的擴散。

1超聲波去污原理及特點

超聲波是一種頻率超出人類聽覺范圍以上的聲波。超聲波的傳播要依靠彈性介質(zhì)，在傳播時使彈性介質(zhì)中的粒子振蕩，并通過介質(zhì)按超聲波的傳播方向傳遞能量，這種波可分為縱向波和橫向波[2]。在固體內(nèi)，兩者都可以傳送，而在氣體和液體內(nèi)，只有縱向波可以傳送。超聲波在液體中的應(yīng)用機理主要是聲空化現(xiàn)象，分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。穩(wěn)態(tài)空化所產(chǎn)生的微聲流可以在工件表面形成一種溶解機制使沾染物溶解；同時，穩(wěn)態(tài)空化能夠在污染層與工件表面之間形成空化泡，從而使污層脫落[2-3]。瞬態(tài)空化所產(chǎn)生的沖擊波，則可以將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。超聲波清洗技術(shù)由于能夠穿透細微的縫隙和小孔，特別適用于清洗復(fù)雜形狀的零件，如特種零部件、精密螺栓、螺母螺帽等。目前，超聲波去污已經(jīng)廣泛應(yīng)用機械構(gòu)件及工裝的去污，搭配適當(dāng)?shù)娜ノ蹌┛梢赃_到更好的去污效果[4]。

超聲波清洗的特點是速度快、質(zhì)量高、易于實現(xiàn)自動化，特別適合于形狀復(fù)雜的工件，如對精密零件上的空穴、狹縫、凹槽、微孔及暗洞等處，通常的刷洗難以奏效。因此，超聲波清洗技術(shù)作為一種先進、高效、符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的現(xiàn)代清洗技術(shù)，以其具有諸多傳統(tǒng)清洗技術(shù)所不具備的獨特優(yōu)勢已開始應(yīng)用于機械制造業(yè)的各個領(lǐng)域，在未來的制造業(yè)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

由于放射性沾染的去污有很高要求，使用傳統(tǒng)的工藝方法進行清洗時費時費力，且無法達到徹底清洗的效果。有些工裝形狀特殊，形成封閉或半封閉的空腔，人工很難清洗到內(nèi)側(cè)隱蔽處表面。超聲波清洗技術(shù)則彌補了傳統(tǒng)清洗技術(shù)的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)對各形工裝放射性沾染的高效去污5

2超聲波去污裝置的總體設(shè)計

超聲波去污裝置包括控制系統(tǒng)、去污系統(tǒng)、廢液過濾與收集系統(tǒng)3部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1-置物架;2-超聲波發(fā)生器;3-清潔箱漏斗形底面;4-水泵;5-流量控制閥1;6-管路旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；7-噴淋頭;8-清潔箱蓋；9-清潔劑加注口;10-水管連接口;11-流量控制閥2;12-潔凈水箱;13-廢液過濾液箱;14-活性炭濾芯1;15-活性炭濾芯2;16-濾芯輻射屏蔽鉛殼;17-廢液過濾液箱輻射屏蔽鉛殼;18-精準(zhǔn)流量計;19-流量控制閥3;20-流量控制閥4;21-浮動式液位計;22-流量控制閥5;23-污水管接口;24-濾芯更換窗口;25-去污箱;26-控制計算機;27-熱風(fēng)機;28-萬向輪;29-電子液位計。

圖1超聲波去污裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計

超聲波去污裝置的控制系統(tǒng)包括計算機、控制程序、各流量控制閥和流量計，用于進行參數(shù)設(shè)置和實時測量，對去污和收集過程進行時序控制，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行信息反饋和程序控制。

在控制系統(tǒng)中設(shè)置了計算機和控制程序，在控制程序用戶界面上可以設(shè)置需要清洗的次數(shù)、單次超聲波清洗的時長以及烘干時長。

在該裝置的控制系統(tǒng)中設(shè)置了5個流量控制閥，分別用于控制潔凈水箱與去污箱的連通、外界水源與潔凈水箱的連通、去污箱與活性炭濾芯的連通以及廢液過濾液箱與外界的連通?？刂葡到y(tǒng)中設(shè)置了1個精準(zhǔn)流量計，用于在廢液排出時實時測量其流量，并將信號傳遞給控制計算機，由控制程序判斷是否需要切換為備用活性炭濾芯。

超聲波去污裝置利用固定式液位傳感器實時監(jiān)控潔凈水箱內(nèi)的液面高度，同時利用浮動式液位傳感器實時監(jiān)控廢液過濾液箱的液面高度，可以為計算機提供開啟或關(guān)閉流量閥的數(shù)據(jù)依據(jù)

2.2 去污系統(tǒng)設(shè)計

超聲波去污裝置的去污系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、置物架、噴淋頭及其管路、水泵、去污箱、潔凈水箱、電子液位計和熱風(fēng)機，用于對放射性沾染工裝進行噴淋、超聲波去污和烘干。

潔凈水箱頂部設(shè)有清潔劑加注口，可加注清潔劑至水箱內(nèi)部，使其與潔凈水混合稀釋，從而提高清潔效果。潔凈水箱內(nèi)部設(shè)有電子液位計，用于測量潔凈水液面，并將信號傳遞給控制系統(tǒng)，從而判斷潔凈水箱是否注滿。

該裝置的噴淋頭管路上設(shè)置有管路轉(zhuǎn)型機構(gòu)，可以實現(xiàn)管路的 旋轉(zhuǎn)；在人工放置待清潔工裝及構(gòu)件時，手動將噴淋頭及其水平管路旋轉(zhuǎn)至該裝置的潔凈水箱一側(cè)（如圖1(c)所示虛線位置），可以避免噴淋頭及其水平管路對工裝及構(gòu)件放置產(chǎn)生的干涉;待清潔工裝及構(gòu)件放置完畢后，手動將噴淋頭及其水平管路旋轉(zhuǎn)至該裝置的去污水箱中間位置（如圖1（c）所示實線位置），使得噴淋更加均勻。利用噴淋頭向置物架上的帶有放射性沾染的工裝噴灑潔凈水，可以在對金屬進行超聲波清洗之前，對金屬進行沖洗，提高金屬的去污效果。

去污箱底部設(shè)有2個同型號超聲波發(fā)生器，用于產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)對工裝及構(gòu)件的超聲波去污。去污箱底部設(shè)計為漏斗狀(如圖1(a)所示），便于去污過程中產(chǎn)生的固體雜質(zhì)的排出，其底部中心設(shè)排水孔，用來將廢水排出。去污箱底部設(shè)有2個同型號超聲波發(fā)生器，用于產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)對工裝及構(gòu)件的超聲波去污。去污箱內(nèi)部固定有置物架（具體結(jié)構(gòu)如圖2所示），用于放置待去污工裝及構(gòu)件。

置物架為3層可拆卸不銹鋼結(jié)構(gòu)，用于放置待去污工裝和構(gòu)件，用戶可以根據(jù)需要決定使用的層數(shù)；置物架包括面板和支撐柱，其中每塊面板上均設(shè)有瀝水孔，用于瀝水和導(dǎo)流。

該裝置設(shè)計有2臺熱風(fēng)機，利用熱風(fēng)機向去污箱內(nèi)吹熱風(fēng)，可以將去污后的金屬吹干，方便后續(xù)拿取，直接使用。

注：1-面板；2-支撐柱；3-瀝水孔。

2.3 廢液過濾與收集系統(tǒng)設(shè)計

超聲波去污裝置的廢液過濾與收集系統(tǒng)包括2個活性炭濾芯及其輻射屏蔽鉛殼、廢液過濾液箱及其輻射屏蔽鉛殼、浮動式液位計，用于對廢液進行過濾和回收。

廢液過濾系統(tǒng)的濾芯包括2個活性炭濾芯，兩者互為備份。起初只開啟一側(cè)活性炭濾芯，用于廢液過濾；活性炭濾芯在過濾過程中不斷吸附固體雜質(zhì)，其流量將隨之下降。當(dāng)活性炭濾芯趨于飽和時，精準(zhǔn)流量計測量到水流流量小于系統(tǒng)設(shè)定值，并將信號傳遞至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)通過流量控制閥實現(xiàn)關(guān)閉飽和活性炭濾芯，開啟備用活性炭濾芯。

廢液過濾系統(tǒng)的活性炭濾芯置于濾芯輻射屏蔽鉛殼內(nèi)，用于屏蔽廢液固體雜質(zhì)中的放射性核素所產(chǎn)生的輻射；活性炭濾芯在每次使用完畢后都需要更換。

3超聲波去污裝置的工作運行流程

3.1 運行前準(zhǔn)備

使用該裝置前，操作人員需確認其廢液過濾液箱是否為空箱狀態(tài)，如顯示有剩余液體，需將其全部排出；確認2個活性炭濾芯是否安裝到位，且為全新未使用狀態(tài)，否則需更換全新濾芯并重新安裝。

手動啟動該裝置，進行開機自檢，確認各流量控制閥、液位計、控制程序是否正常，并視情況通過清潔劑加注口向該裝置的潔凈水箱人工加注清潔劑。

3.2 去污操作及運行流程

打開該裝置的去污箱箱蓋，手動放置待工裝及構(gòu)件于置物架。在該裝置的控制系統(tǒng)計算機上設(shè)置需要清洗為 n 次，單次超聲波清洗的時長為 ，烘干時長為 ，該裝置開始運行。

控制系統(tǒng)給出指令，控制流量控制閥開啟，開始向該裝置的潔凈水箱注入潔凈水；控制系統(tǒng)根據(jù)該裝置的電子液位計給出的信號，控制流量控制閥關(guān)閉，停止注水。隨后，控制系統(tǒng)控制水泵開啟，將潔凈水引入噴淋頭，自上而下對待去污工裝進行噴淋；待潔凈水全部排空后，該裝置的控制系統(tǒng)給出指令，控制水泵關(guān)閉。

控制系統(tǒng)控制超聲波發(fā)生器開啟，進行超聲波清洗，時長為 。超聲波清洗完畢后，控制系統(tǒng)控制流量控制閥開啟，引導(dǎo)廢水經(jīng)活性炭濾芯過濾后流入廢液過濾液箱；廢液排出過程中，精準(zhǔn)流量計測量廢液流量，并將信號傳遞給該裝置的控制系統(tǒng)；當(dāng)流量低于設(shè)定值，該裝置的控制系統(tǒng)依據(jù)控制程序判斷活性炭濾芯吸附飽和，該裝置的控制系統(tǒng)給出指令，關(guān)閉一側(cè)流量控制閥，開啟另一側(cè)流量控制閥，使得廢水經(jīng)備用活性炭濾芯過濾，并最終流入廢液過濾液箱。待廢液全部排放完畢，關(guān)閉流量控制閥，本次清洗結(jié)束?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的清洗次數(shù)，判斷清洗不滿足用戶要求，需進行下一次清洗操作。

廢液過濾液箱內(nèi)的浮動式液位計將信號傳遞給該裝置的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)信號和程序設(shè)定值判斷廢液過濾液箱剩余容量滿足下一次清洗操作。清洗操作的廢液全部排放完畢后，廢液過濾液箱內(nèi)的浮動式液位計將信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)信號和程序設(shè)定值判斷廢液過濾液箱剩余容量不滿足下一次清洗操作，該裝置的控制系統(tǒng)向用戶反饋信息，提示“廢液過濾液箱已滿”，去污程序自動暫停。

人工將該裝置的污水管接口與適當(dāng)容器連接，操作該裝置的控制計算機，開啟流量控制閥，將廢液過濾液箱內(nèi)的廢液過濾液全部排放至適當(dāng)容器內(nèi)，以備后續(xù)的檢測和處置。廢液過濾液排放完畢后，手動操作該裝置的控制計算機，繼續(xù)去污程序。

全部清洗操作完畢后，該裝置的控制系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的清洗次數(shù)，判斷清洗已滿足用戶要求，其控制系統(tǒng)給出指令，控制熱風(fēng)機開啟，對去污后的工裝進行烘干處理，時長為 。烘干處理完畢后，該裝置的控制系統(tǒng)將信息反饋給用戶，提示“去污完成”。

超聲波去污裝置的工作運行流程如圖3所示。

4超聲波去污裝置的優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)去污方式，超聲波去污裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對放射性沾染工裝的全自動超聲波去污，同時對去污產(chǎn)生的廢液進行過濾和收集，在提高去污效果的同時有效防止放射性污染的擴散。

1改變傳統(tǒng)工裝表面污染物的清除方式，利用超聲波在液體中的聲空化現(xiàn)象快速清除金屬表面的放射性沾染，從而在減少清潔水用量的同時，提高了清除效率和清除效果。

2)超聲波去污裝置利用活性炭過濾去污箱排出的放射性廢液，可以避免放射性廢液直排造成的放射性污染擴散，保護環(huán)境。

3)超聲波去污裝置的運行實現(xiàn)了全程自動化，較大限度上減少了人員與放射性污染物的直接接觸；同時，該裝置配備的輻射屏蔽鉛殼也在一定程度上減少了放射性污染物對周圍人員造成的外照射傷害。

5結(jié)束語

針對部分工裝結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、難以徹底去污的特點，利用超聲波在液體中的聲空化機理，設(shè)計了一種用于放射性沾染工裝全自動超聲波去污及廢液收集裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對工裝的全流程自動化超聲波去污，減少了人員與放射性污染物的直接接觸；實現(xiàn)了對去污產(chǎn)生的放射性廢液的過濾和收集，在提高去污效果的同時有效防止放射性污染的擴散。綜上所述，放射性沾染工裝全自動超聲波去污及廢液收集裝置具有自動化程度高、去污能力強、污染范圍小等優(yōu)點，具有較高的應(yīng)用前景。

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