核電站廢樹脂取樣器設計研究

高虎

（南京源自電力自動化設備有限公司，江蘇 南京 211800）

1 廢樹脂取樣器應用背景

核電站反應堆一回路冷卻劑、乏燃料水池池水的凈化處理，多用離子交換樹脂、活性炭及選擇性吸附介質等進行凈化處理，失效后這些濕廢物在輻照、熱解或生物降解時易產生可燃氣體，同時，含有較多硫、氮，降解后的產物對設備和儲存容器有較強的腐蝕性，放射性固體廢物處理對濕廢物進行穩定化處理和包裝以滿足運輸和最終處置的要求。初步處理過的濕廢物介質會進行采集定量樣品進行檢測，目前，國內核電站中一般采用取樣手套箱或手動取樣閥，由操作人員手動進行人工取樣。由于高輻照環境，取樣過程中必須嚴格控制取樣時間、距離及屏蔽，取樣過程存在不確定性及危險性。

依托國際先進的廢物管理理念，在放射性固體廢物處理系統中設置了廢樹脂取樣器，通過遠程控制從循環回路中的濕廢物漿液中獲取具有定量代表性的樣品。由于濕廢物放射性水平很高，同時，其取樣的對象為固液混合流體，取樣對象包括廢樹脂、活性炭、選擇性吸附介質等雜項濕廢物，各類對象其流動性能、黏度、比重等存在較大差異，且取樣點位于系統運行回路中，考慮在持續的運行壓力與流量下取樣，故廢樹脂取樣器應具備良好的可靠性、密封性以及取樣精度，且整個取樣過程都自動運行及遠程控制，同時，具備沖洗殘留介質功能。

圖1 工作原理圖

2 廢樹脂取樣器工作原理

為實現取樣定量、殘留沖洗、自動運行等功能，廢樹脂取樣器應設置電動、氣動或液壓執行機構以具備無人化遠程控制條件，執行機構可帶動取樣頭在循環管路中伸出與收回或回轉等動作；取樣頭上設有采集腔，采集腔的容積通過計算確定，這樣在可以伸出與收回或回轉動作的過程中，采集到定量的樣品介質，同時，采集腔的結構要利于介質自行排出。考慮到濕廢物介質可能殘留，采集腔應設計沖洗入口，利用水或氣進行沖洗，可采用球形腔體避免沖洗死角的存在。在取樣過程中，廢樹脂取樣器采用滑動結構就必須考慮到密封的設計、密封結構及方式應具備良好的穩定性及可靠性，杜絕向環境中泄露，且材料應滿足高輻照的要求，同時，密封在使用一定周期后方便維護更換。

綜合上述功能要求，如圖1所示，廢樹脂取樣器由殼體②、取樣頭③、密封件④和執行機構⑤組成；取樣頭③采用柱塞型，可以通過執行機構⑤驅動從殼體②內腔中伸出至管線濕廢物中并能收回；廢樹脂取樣器與管線①采用法蘭連接；

取樣頭③上設采集腔，在取樣頭③伸出與收回的過程中，濕廢物進入采集腔被取出，從樣品出口流出。

采集腔前后設多道密封件，保證取樣頭在伸出與收回時，管線與樣品出口間有多道密封件進行密封。

3 廢樹脂取樣器結構設計

3.1 執行機構選擇

廢樹脂取樣器實現遠程控制功能必須具備可靠的電動、氣動或液壓執行機構，可選擇的執行機構包括以下方式： （1）采用氣缸傳動，配置氣源系統；（2）采用伺服電機與絲杠傳動，配置供電回路；（3）采用液壓傳動，配置液壓泵站系統。

通過比較分析，液壓傳動需要額外配置液壓泵站，系統設計復雜，檢修繁瑣，同時容易污染工作環境；伺服電機與絲杠結構復雜且外形占用空間較大，不利于維護；氣缸傳動技術成熟、可靠，執行往復運運動效率高，而且核電站內部一般有獨立的供氣系統，系統設計更簡單、合理，且氣缸損壞不會污染周圍環境；廢樹脂取樣器取樣頭與氣缸可采用分體式結構，通過螺紋直連，可進行分解拆卸，便于維護。取樣頭可隨氣缸活塞進行伸出與收回，實現取樣動作，當取樣頭伸出時為取樣狀態，收回時為復位狀態。通過電磁閥控制氣缸的進氣方向，具備遠程控制條件，通過調整氣缸行程調整取樣頭動作行程，亦可監測氣缸活塞位置判斷取樣頭工作狀態。所以，相較其他兩種方式，選用氣缸傳動更合理。

3.2 廢樹脂取樣器的密封結構及密封件類型

取樣頭通過氣缸在殼體內腔中進行伸出、收回往復滑動，滑動過程中，通過密封環的徑向壓縮實現密封，防止濕廢物介質泄露，而密封環從密封類型和安裝方式可以選擇不同的方式，如圖2所示密封環常見的安裝方式。

圖2 密封件安裝方式

安裝方式一，密封環嵌入殼體內腔上，在取樣頭伸出與收回的過程中，密封環固定不動；這種安裝方式，由于密封環不受徑向約束，在取樣頭往復滑動過程中，受到取樣頭的沖擊時存在脫落的可能，而且密封環嵌入殼體內腔，安裝與更換時需要借助專用工具，操作十分不便。

安裝方式二，密封環嵌裝在取樣頭上，隨取樣頭進行伸出與收回動作，由于密封環受到一定的徑向約束，穩定性好；同時，密封環可隨取樣頭取出觀察、直觀判斷磨損狀態，也更方便進行安裝、更換，無須借助其他工具，相較安裝方式一設計更合理。

圖3 密封件類型

密封環通常采用0型圈，如圖3所示，密封環嵌裝在取樣頭，需要在取樣頭上設計環形安裝槽，由于環形安裝槽只能加工成矩型（￡）截面，這樣在O型密封環與安裝環形槽之間存在一定的縫隙死角，而濕廢物介質顆粒直徑普遍很小，一般在0.3～1mm，很容易進入這些縫隙死角內并殘留，在后期維護中對工作人員產生輻照危險，所以O型密封環不適用廢樹脂取樣器的設計要求。介于此種情況，密封環應考慮采用矩型（￡）截面設計，與環形安裝槽完全貼合，減少死角的存在，同時，徑向壓縮面采用漸變面形式，可以減少滑動過程中的沖擊磨損，延長工作壽命。

3.3 廢樹脂取樣器的取樣頭采集腔結構選擇

取樣頭采集腔用于定量取樣，應能根據取樣量調整容積，由于沖洗過程是自上向下進行噴射，濕廢物介質從采集腔底部流出，采集腔應無沖洗、殘留死角，盡量采用圓弧、流線型設計。如圖4所示，環形采集腔、孔形采集腔容積均可以根據取樣量進行調整；環形采集腔腔體呈流線型，與殼體間形成的空間均為圓弧面，無任何死角，在沖洗過程中，濕廢物介質在水流作用下無阻力匯集至采集腔底部排除，能夠做到無殘留；而孔型采集腔體內部同樣為圓弧面，但在腔體頂部與殼體會在兩側形成空間死角，不利于沖洗，存在殘留的可能，相較環形采集腔有一定的弊端。

圖4 采集腔型式

3.4 廢樹脂取樣器材料選用

廢樹脂取樣器工作的環境一般常溫、潮濕，且長時間受輻照影響，耐輻照、耐腐蝕應作為主要考慮因素。

廢樹脂取樣器主要部件取樣頭、殼體、氣缸、緊固件應選用不銹鋼如S31603、S30408，具有良好的耐腐蝕性，且不受輻照影響，同時，應避免采用鉛、銅、鋁等低熔點制品。

常用密封材料有硅膠、聚四氟乙烯（PTFE）、丁基橡膠、三元乙丙橡膠（EPDM）等，考慮到密封環工作在濕廢物介質中，濕廢物介質是水和樹脂、活性炭等的混合物，潤滑性好，不需要耐油性，但要長時間受輻照影響，所以，廢樹脂取樣器密封材料選用三元乙丙橡膠更為合適。

4 結語

本文結合廢樹脂取樣器的功能、環境工況等要求，針對廢樹脂取樣器的執行機構、結構、材料選用等方面作了研究探討，做出了理論上合理的設計選擇，本文未針對密封件輻照環境下壽命進行研究。廢樹脂取樣器設計的定形還需要相關理論計算依據支撐，同時，借助試驗平臺模擬實際工況進行驗證，設計出滿足核電站實際運行需要的廢樹脂取樣器。