放射性廢物超級壓縮裝置研制及性能試驗

鄭 偉，喬寶權，林 鵬，周東升，鄒利平，王朝暉，陳俊杰，劉夏杰

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031)

國內某些核電廠除部分可燃廢物進行焚燒處理外，可壓縮廢物需要進行超級壓縮，形成的壓縮餅灌漿固定最終處置，進而減小最終廢物處置容積。目前國內核電廠在役超壓裝置均為進口設備，不但價格昂貴，而且國外廠家在提供設備時，僅提供整體裝配圖，設備安裝為大組件安裝，導致設備維修和改造時面臨黑匣子，使其維修和改造的難度大且成本高。此外，現(xiàn)有超壓裝置在廢物壓縮及壓縮餅轉移過程中存在廢物擴散的風險，不利于放射性廢物的安全管理。目前關于廢物壓縮相關研究較多，但主要集中在小型壓力機壓縮試驗，以及分析不同廢物類型的壓縮特性[1-2]，另外是關于電廠在役設備的應用特性研究[3-7]。核電廠中低放廢物超級壓縮還未實現(xiàn)國產化應用，因此迫切需要對大型超級壓縮技術進行研究。

本文進行2 000 t的超級壓縮裝置樣機研制，獲取系統(tǒng)的超壓試驗參數(shù)，為超級壓縮裝置的設計運行、新建超壓設備供貨以及核電站在役設備的改造升級提供參考。

1 超級壓縮系統(tǒng)簡介

超級壓縮系統(tǒng)由超壓機主體及廢物桶/壓縮餅運輸裝置兩個單元組成，并配以相應的油壓及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)廢物桶從輸送、壓縮、監(jiān)測、轉運到最終智能裝桶的全系統(tǒng)自動化操作，壓縮過程中通過廢氣廢液裝置實現(xiàn)放射性物質收集。超壓系統(tǒng)工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 超壓系統(tǒng)工藝流程簡圖

超壓系統(tǒng)運行過程如下：

(1)廢物桶輸送裝置將廢物桶輸送至超壓機前，定位準確后暫停；

(2)裝載機械手定位至廢物桶，通過液壓進行抓緊工作，定位、控制移送至壓縮工位。滿足對中要求后，裝載機械手松開并退出壓縮工位；

(3)壓縮機桶模下移，至底座后開啟廢氣廢液裝置；

(4)待負壓達到設定值后，穿刺機構動作，液壓系統(tǒng)控制穿刺機構將廢物桶刺穿，穿刺結束后退出；

(5)啟動壓縮動作，系統(tǒng)控制超壓機壓頭進行壓縮工作，待檢測到壓力達到設定值時，保壓一定時間后控制壓頭抬升至初始狀態(tài)；

(6)控制系統(tǒng)自動關閉廢氣廢液裝置，抬升桶模具至初始位置；

(7)裝載機械手定位至壓餅，抓取壓餅，定位并送至輸送裝置，送至下游灌漿站。

2 超壓裝置樣機研制

超壓系統(tǒng)主要包括超壓裝置、廢物桶/餅輸運裝置、液壓及控制系統(tǒng)。

2.1 超壓裝置

超壓裝置主要包括：超壓機主機、穿刺機構、裝載機械手、廢氣廢液收集裝置等。

(1)超壓機主機

超壓機主機如圖2所示，主要由底座、壓縮桿、壓縮頭、滑軌、桶模、穿刺機構等構成。其中穿刺機構位于外套桶上，通過液壓驅動。

圖2 超壓主體實物圖

裝置利用液壓驅動，實現(xiàn)最大20 MN的壓縮力，將直徑580～620 mm的廢物桶壓縮至630～640 mm的壓餅，滿足6桶/h的壓縮能力。此外超壓機主機具備以下特點：

超壓機壓縮部件的強度及剛度高，變形小，具備較好的耐磨損耐腐蝕性能，拆卸維修便捷，性能可靠；液壓缸具備足夠的密封性能及耐磨損性能；配置過載保護裝置，具有斷電保護功能，斷電情況下保持液壓力，保證裝置與人員安全。

(2)穿刺機構

由于廢物桶壓縮過程會出現(xiàn)排液排氣現(xiàn)象，需要設置穿刺機構對廢物桶進行穿孔。穿刺機構三維結構示意圖及實物如圖3所示。通過液壓驅動，穿刺機構與金屬桶套筒采用一體化設計。3個穿刺裝置分布于套筒側面底部不同角度。該設計具有以下特點：

實現(xiàn)金屬廢物桶穿孔過程的封閉性，保證穿孔操作無放射性廢物外泄風險；

廢物桶側面穿刺，形成的壓縮餅轉移過程無放射性液體滴漏風險；

設置3個穿刺機構，避免穿刺過程出現(xiàn)滑桶，保證廢物桶處于工位中心，有利于廢物桶壓縮成餅質量。

圖3 穿刺機構三維結構示意及實物圖

(3)裝載機械手

裝載機械手如圖4所示，可實現(xiàn)壓縮桶/壓縮餅的抓取功能、定位功能，主要由機械手支架、液壓系統(tǒng)、位置檢測傳感器、水平驅動電機等構成，其驅動裝載機械手水平移動采用電動裝置，抓手采用液壓驅動。

利用液壓驅動，實現(xiàn)廢物桶/壓餅在壓縮工位和輸送線之間的傳遞。要滿足對中要求，具有斷電保護，在失電的情況下能夠保持夾持力；能實現(xiàn)廢物桶和壓縮餅傳遞的精準定位。

圖4 裝載機械手實物圖

(4)廢氣廢液收集裝置

圖5為廢氣廢液收集裝置實物圖，該裝置能夠收集壓縮過程中產生的廢液、廢氣，防止放射性廢物泄漏至環(huán)境中。其中廢液收集由廢液通道、過濾篩、真空泵、廢液箱構成。廢液通道在超壓機底座上，真空泵為廢液的排出提供動力。廢氣收集由排風扇、過濾器、壓差報警裝置等構成。排風扇提供動力并且保持超壓作業(yè)腔的負壓狀態(tài)，過濾器用于過濾廢氣中氣溶膠及粉塵等。

圖5 廢氣廢液收集裝置實物圖

2.2 廢物桶輸運裝置

廢物桶輸送裝置結構如圖6所示。該裝置主要由輥子驅動電機、輥子、導軌、軸承等組成。采用電機驅動，功能是運輸廢物桶，裝置可實現(xiàn)信號傳輸和準確定位。輸運裝置保證輸運可靠、定位機構采用高精度定位裝置，轉動部件變形小，耐磨損耐腐蝕，維修方便。

圖6 廢物桶輸送裝置

2.3 液壓及控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)為整個超壓機液壓驅動部件提供動力，所述部件包括：壓縮機壓桿、桶模、穿刺機構、裝載機械手等。液壓系統(tǒng)設計有效保證油缸密封性。

控制系統(tǒng)應能根據(jù)壓縮工藝實現(xiàn)精準定位及有序動作，所述動作包括裝載機械手對廢物桶和壓餅的有效抓取、移送及精準定位，穿刺機構動作，廢氣、廢液系統(tǒng)動作及超壓機壓縮動作等，保證超壓機有效工作。

3 性能試驗

3.1 試驗總體參數(shù)

試驗總體參數(shù)列于表1。

表1 試驗總體參數(shù)

3.2 試驗內容

超級壓縮試驗主要包含單體功能性驗證試驗及系統(tǒng)運轉試驗。

(1)單體功能性驗證試驗是為驗證超壓機單體執(zhí)行機構性能，包括廢物桶輸送裝置試驗、機械抓手單體試驗及穿刺機構單體試驗。

(2)系統(tǒng)運轉試驗是為驗證超壓機系統(tǒng)的性能，包括整機運轉試驗、斷電保護及耐久性試驗。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1廢物桶輸送裝置試驗

分別輸送不同重量的廢物桶，測試其輸送性能，同時連續(xù)運轉30 min，測試其穩(wěn)定性，實驗結果列于表2。

表2 廢物桶輸送裝置試驗結果

廢物桶輸送裝置定位準確，輸送平穩(wěn)無卡頓，無異常噪音，廢物桶輸送裝置連續(xù)運轉穩(wěn)定可靠。

3.3.2裝載機械手單體試驗

分別抓取不同重量的廢物桶和壓餅，測試其抓取性能，試驗結果列于表3。

機械手分別抓取不同重量的廢物桶/壓餅，發(fā)現(xiàn)其能正常抓取并輸送不同重量的廢物桶/壓餅，能夠適應不同直徑尺寸的桶/餅。且轉移過程不會導致廢物桶/壓餅偏移，抓取及放置定位準確，動作平穩(wěn)無卡頓。裝載機械手抓取及定位功能滿足要求。

3.3.3穿刺機構單體試驗

廢物桶置于壓縮工位后，對廢物桶進行穿刺操作，完成試驗后提升桶模，觀察穿刺情況，效果如圖7所示。

圖7 穿刺效果

穿刺試驗結果匯總列于表4。穿刺機構對盛裝不同廢物、不同填裝量的廢物桶進行穿刺，發(fā)現(xiàn)盛裝軟性物質如混合垃圾(塑料等)、布、混凝土等，或者硬性物質如樹脂、砂礫、磚、鐵皮等廢物，均不影響穿刺效果。因此該穿刺機構適于盛裝各種核電站典型廢物的廢物桶穿刺功能。

3.3.4整機運轉試驗

整機運轉試驗中，選用自動操作，根據(jù)試驗參數(shù)設置液壓值，選擇不同重量、種類的廢物桶進行測試，壓餅成型情況如圖8所示。整機運行試驗結果匯總列于表5，通過對不同重量、種類的廢物桶進行不同壓力的壓縮試驗，結果顯示：

表4 穿刺機構單體試驗結果

圖8 壓餅成型情況

表5 整機運轉試驗結果

整機運轉流暢、輸送及裝載機械手裝置輸送順暢、定位準確。壓餅脫模過程順暢，廢氣廢液裝置正常負壓運行，實現(xiàn)了二次廢物的完全收集；生產效率達到7桶/h。

不同壓縮力下壓餅成型直徑均在630～640 mm范圍，壓餅上下表面平整，無炸裂，利于后續(xù)對壓餅的灌漿操作。

連續(xù)多次整機運轉試驗結束后，對壓頭、底座進行檢查，發(fā)現(xiàn)壓頭、底座強度等滿足要求；對液壓缸進行檢查，未發(fā)現(xiàn)漏油、滲油現(xiàn)象。

3.3.5耐久性及斷電保護試驗

系統(tǒng)整體累計試驗時長達200 h，系統(tǒng)正常運行，機械部件運轉順暢，試驗結束后觀察各部件，均未見損壞，油缸無漏油滲油現(xiàn)象。

測試系統(tǒng)斷電保護功能及緊急停車操作，情況如下：機械手抓取廢物桶時斷電，廢物桶未見滑落或墜落情況，機械手抓取力穩(wěn)定，恢復給電后，繼續(xù)正常運行；壓縮過程突然斷電，桶模及壓頭保持原位，恢復給電后，系統(tǒng)繼續(xù)按預設工序繼續(xù)運行，保障設備及人員安全。

3.4 與國外同類裝置的比較分析

對比本文研發(fā)超級壓縮機與國外同類產品的性能，結果列于表6。

如表6所列，本研發(fā)裝置在安全性角度有較大提升。利用分布式3個穿刺機構，在穿刺過程中，更能維持廢物桶位置固定及穿刺平穩(wěn)。采用側面封閉式穿刺，可以保證穿刺過程中密閉操作，防止放射性物質釋放，保證操作過程安全，且壓縮餅轉移過程無滴漏風險。

同時，超壓機國產化后其價格較原進口產品有較大幅度的降低，且超壓機國產化后的運行維護將會更加經濟與便捷。

表6 與國外同類產品性能對比

4 結論和展望

進行了核電站多種典型廢物壓縮模擬試驗，考察不同壓縮條件對系統(tǒng)運行及壓餅成型質量的影響。結果顯示：

研發(fā)的超級壓縮裝置能夠實現(xiàn)壓縮過程放射性廢物的收集，不同廢物類型壓縮形成的壓縮餅質量良好，且轉移過程無液體滴漏風險；超壓裝置生產效率達到7桶/h，具備較強的故障保護功能，是一種兼顧生產效率與安全性的核電站廢物超級壓縮裝置。國產化后的超壓機價格較原進口產品有較大幅度的降低，且裝置后期的運行維護將會更加經濟、便利。

后續(xù)工作計劃將在不同廢物桶尺寸方面的壓縮性能、成型后的壓縮餅優(yōu)選裝載及灌漿方面進行進一步的研究工作。