核化工設備/攪拌混合器結構優(yōu)化改進及系統(tǒng)設計

楊秀英,宋紅攀,夏國正,閆志男,徐仲斌

(中國核電工程有限公司,北京 100840)

桶外攪拌混合器(以下簡稱攪拌器)是桶外水泥固化處理低、中放射性廢液的關鍵核化工設備,其功能是將水泥、干粉與廢液在攪拌器內充分攪拌,然后把達到要求后的水泥漿排入固化桶[1]。攪拌器運行過程中,內壁、攪拌槳、下料口等部位不可避免的存在不同程度的水泥沾污,經清洗去污后攪拌器應可重復使用,從而避免嚴重水泥沾污導致的設備報廢、生產線停產檢修等嚴重后果。攪拌器結構示意圖,如圖1所示。

圖1 攪拌器結構示意圖

針對攪拌器的水泥沾污問題,在桶外攪拌混合器基礎上設計一套適應放射性使用環(huán)境的清洗系統(tǒng),以期保證攪拌器的清洗效果,確保設備可長期連續(xù)運行,并盡可能的減少清洗水的用量。

1 基于攪拌器的清洗方案設計

攪拌器在放射性環(huán)境中工作,為攪拌槳底出軸的圓柱形不銹鋼容器,下料口為側出形式,采用活塞封堵[2]。基于此,提出如下方案設計。

1.1 原理方案設計

水泥固化后的硬度與水泥牌號及物料有關,一般可達到30～60 MPa,常用的沖洗、浸泡等手段不再滿足需求。自1994年,首次將高壓水射流技術應用于反應堆退役領域,并根據工程的需要,先后進行了工藝運輸水池、工藝房間、密閉水池、箱井水斗和一些特殊設備的高壓水射流清洗去污技術研究,高壓水在核領域的應運日漸成熟[3-4]。為達到清洗效果,并實現(xiàn)減少水量的需求,優(yōu)選高壓水清洗。

對于硬化的水泥,主要是以滲透為主的破碎過程,當射流壓力大于結垢層的附著力,垢層顆粒便從基體剝離開;對于還未硬化的水泥,清洗過程主要是以壓縮和剪切為主的過程[5-6];對于非滲透軟垢層,15 MPa左右高壓水射流作用下,垢層通常可以被迅速去除。

在理想狀態(tài)下,連續(xù)水射流垂直沖擊物體時,流體從沖擊中心向四周均勻輻射,射流作用區(qū)域半徑與射流半徑成正比[7],射流沖擊物體作用半徑約為射流自身半徑的2.6倍。根據攪拌器半徑及該比例關系,可計算噴頭下降速度,使清洗水全面覆蓋攪拌器筒體內壁,保證清洗效果。

高壓水射流對物體的最大作用力位置是在距離噴嘴一定距離處,對此,一般認為這是因為噴嘴出口處射流較緊密,沖擊后沿物體表面流出,打擊力大小有限;當靶距增大,射流擴散,沖擊物體后引起大量液體返濺,會增大對物體的打擊力;但隨靶距繼續(xù)增大,射流速度會降低,打擊力也不斷減小[8]。理論計算并通過試驗驗證、調整,選取最佳清洗參數,可有效減少清洗水量。

水泥沾污的主要部位為靠近設備底部的攪拌槳、下料口及整個筒體內壁。為防止攪拌過程中清洗噴頭被水泥污染、堵塞,并保證清洗水對筒體內壁的全方位覆蓋,清洗噴頭為可移動式清洗噴頭。

攪拌器各個部位的使用要求不同,對設備的影響程度不同,則清洗周期也不同:攪拌槳為動部件,沾污情況不嚴重,只在停機時清洗;內壁面積較大,為防止水泥固化后重復結痂,需周期定時清洗[9];下料口處有密封要求,每次下料結束均需要清洗。清洗方式:攪拌槳主要清洗槳中心位置,需要朝下的定向噴頭;內壁清洗需要水平方向旋轉噴射的噴頭[10];下料口清洗需要斜向的定向噴頭。由于清洗周期和清洗方式不一致,本著采取較少沖洗次數,單次沖洗徹底,減少總用水量的設計原則,清洗系統(tǒng)采用3個獨立的清洗單元,分別對攪拌器攪拌槳、內壁、下料口進行清洗,如圖2所示。

綜上,基于攪拌器的清洗系統(tǒng)為具備3個獨立清洗單元的可移動式高壓水清洗系統(tǒng)。

1.2 布置方案設計

高壓水清洗系統(tǒng)包括高壓水模塊和執(zhí)行機構兩部分。高壓水模塊主要功能是為系統(tǒng)輸出符合要求的高壓水,主要包含高壓泵機組、控制系統(tǒng)[11],一般設置于橙區(qū)或者綠區(qū);清洗執(zhí)行機構負責完成清洗活動,包括驅動電機、噴頭、電動導軌、導軌支撐及密封件等;兩部分通過高壓管連接。

清洗系統(tǒng)對攪拌器內部結構進行清洗,清洗區(qū)域為放射性環(huán)境(紅區(qū)),對引進設備的使用壽命和人員進入檢修均有一定的影響和限制[12-13],所以對清洗系統(tǒng)的布置有較高要求。

為保證檢修方便,提高電氣元器件的使用壽命,核化工設備的布置原則是把盡可能多的執(zhí)行機構元件布置在紅區(qū)外。通過在攪拌器上方設置屏蔽蓋板的方式,降低蓋板外側放射性水平,實現(xiàn)分區(qū)。將噴頭與其他執(zhí)行機構分別設置在屏蔽蓋板兩側,用高壓水硬管將二者連接。電機驅動硬管帶動噴頭進行上下往復運動,保證清洗功能實現(xiàn)。屏蔽蓋板設置屏蔽塞,當噴頭檢維修時,打開屏蔽塞,將噴頭取出紅區(qū)進行操作;當其他執(zhí)行機構元件檢修時,由于其位于屏蔽蓋板外側(非紅區(qū)),人員可直接進入操作;布置方案如圖3所示。

圖3 布置方案示意圖

2 清洗系統(tǒng)設備設計

2.1 高壓水模塊設計

高壓水模塊主要由驅動電機、柱塞泵、聯(lián)軸器、高壓水管路通斷閥、低壓供水系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)等組成;高壓水模塊示意圖,如圖4所示。

清洗系統(tǒng)經過反復試驗確認合適的參數后,可對設備進行全自動清洗。但不排除特殊情況下需要手動清洗。因此高壓水模塊應保證相關參數可調,并反應精準。

(1)驅動電機:采用變頻步進電機,使機械自動化程度和生產效率大為提高、節(jié)約能源,同時具備無級調速、調速范圍寬等特點;

(2)高壓水管路通斷閥:能夠實現(xiàn)管路帶壓通斷,減少開關機等待升壓和降壓時間段非必要清洗用水的浪費。通過閥門以及水泵的控制,壓力從0升到清洗指定壓力只需要2 s,也可以在同樣的時間內實現(xiàn)降壓。

2.2 執(zhí)行機構設計

清洗桶壁、攪拌槳和下料口的執(zhí)行機構相對獨立,均布置在屏蔽板外側,放射性水平較低。因此均考慮采用電動導軌對噴頭進行驅動,該結構簡單可靠,維修方便。此外,由于執(zhí)行機構跨區(qū)運行,自清潔及密封設計尤為重要。

2.2.1清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構

清洗桶壁和攪拌槳的執(zhí)行機構根據清洗需求,設置在上封頭處,由伺服電機、電動導軌、導軌支架、噴頭1、噴頭2、硬管1、硬管2、高壓軟管、硬管與人孔蓋密封等部件組成。硬管1與噴頭1通過螺紋連接,由伺服電機帶動其在電動導軌上由頂蓋下移,同時噴頭自旋轉,形成螺旋型軌跡,保證清洗水對桶壁全方位覆蓋;硬管2與噴頭2通過螺紋連接,由伺服電機帶動至接近攪拌槳中心的特定位置,完成對攪拌槳的定向沖洗;導軌支架為電動導軌及伺服電機提供支撐。清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構如圖5所示。

圖5 清洗桶壁及攪拌槳的執(zhí)行機構

(1)高壓硬管:高壓硬桿采用厚壁精加工不銹鋼材質,提高清洗系統(tǒng)的可靠性。硬管與噴頭螺紋連接,另附加安全扣,防止螺紋松動、噴頭掉落;

(2)硬管密封:硬管與人孔蓋間有滑動軸承,由PVDF材質的密封圈和防塵圈組成,使用快拆螺釘固定于人孔蓋上。滑動軸承起導向作用,PVDF和防塵圈密封熱室與外界環(huán)境;

(3)孔蓋密封及噴頭自清潔:除硬管處密封,人孔蓋法蘭間采用密封墊需要維護噴頭噴嘴時,打開人孔法蘭上的快拆螺栓即可取出。人孔直徑較大,噴頭通過反射水流自清洗。

2.2.2下料口清洗的執(zhí)行機構

清洗下料口密封面的執(zhí)行機構在下料口的正上方,由伺服電機、電動導軌、導軌支撐、噴頭3、硬管3及高壓軟管等部件組成,硬管3與噴頭3通過螺紋連接,由伺服電機帶動至接近下料口的特定位置,對下料口密封面進行清洗[14-15];具體如圖6所示。為防止水泥通過出料清洗口溢出,污染噴頭,特設計人孔延長結構。人孔延長結構直徑大,反射水量大,噴頭自清洗效果佳。

圖6 下料口密封面清洗執(zhí)行機構

噴頭3使用混凝土清洗專用噴頭,且與噴嘴采用螺紋連接,更換簡單;可以通過壓力與流量參數調整,適應不同的清洗狀況。

2.2.3執(zhí)行機構懸臂噴桿強度校核

在執(zhí)行機構中,清洗噴頭與豎直方向成一定的角度,高壓水的反作用力分力垂直作用在懸臂噴桿上。由于高壓水壓力較大,需要校核懸臂噴桿的強度。

受力模型:一端固定,一端自由。

式中:F為噴頭作用力,N;l為懸臂桿長度,mm;E為桿彈性模量,GPa;I為桿的慣性矩,mm4;d為懸臂桿直徑,mm。

2.3 管路設計

高壓水主管道根據距離選擇管路類型。硬管壽命長,適合長距離輸送,但安裝所用轉接和彎頭較多,壓損較大;軟管安裝方便,短距離可以使用軟管,無需轉接。輸送距離小于30 m建議使用金屬軟管連接,大于30 m使用定制不銹鋼無縫管。移動連接部分采用高壓軟管。主管道3條,通過分配器連接清洗攪拌器桶壁噴頭1、攪拌槳噴頭2及下料口密封面清洗噴頭 3。3根管道均有氣動切斷閥單獨控制每條管路通斷。軟管外套專用硬管防護,提高安全性。閥門設置在熱室外,方便檢修。由于3個噴頭清洗不同步,熱室外設置3個切斷式閥門。需要清洗工作時,待系統(tǒng)壓力升壓穩(wěn)定后開啟切斷閥;清洗結束關閉切斷閥,溢流式閥門打開,管路泄壓[16]。

高壓水模塊可根據試驗輸入的壓力數據自動調整,如單獨啟動其中一個噴頭,溢流閥壓力按輸入值自動調整。

2.3.1流量監(jiān)測

為確保數據系統(tǒng)流量監(jiān)測準確,采用液位監(jiān)測和數據計算2種方案。

(1)液位監(jiān)測法:通過監(jiān)測供水箱液位變化進行測算。系統(tǒng)啟動后,液位計監(jiān)測初始液位和終止液位數據,得出水箱液位的高度變化△h,已知水箱底面積及管路截面積之和S,計算出此次清洗作業(yè)的用水量(Q):Q=S×△h;

(2)數據計算法:水箱安裝液位傳感器,根據噴頭噴嘴直徑和工作壓力計算得出流量:

式中:D為噴嘴直徑,mm;Q為額定流量, L/min;n為噴嘴個數;P為額定壓力,MPa。

2.3.2易損件快速檢修結構設計

核化工設備工作環(huán)境中放射性水平較高,不宜人員直接進入檢修。因此,熱室內的易損件快速檢修結構是本方案設計中必不可少的一部分。熱室內的易損件主要包括噴頭、噴嘴。噴嘴與噴頭采用NPT形式螺紋連接,提高密封和防松性能[17],減少檢修次數,且更換操作簡易;噴頭與硬管采用反螺紋方式連接,噴頭旋轉方向與螺紋方向相反,防止螺紋松動,增加結構可靠性;導軌支架與人孔、導軌、滑塊等部位和更換噴頭、噴嘴相關,用快拆螺釘代替普通螺釘連接,方便拆裝。

3 結語

本方案介紹的基于攪拌器的清洗系統(tǒng)解決了運行過程中水泥沾污的問題,保證攪拌器連續(xù)可靠運行的同時,兼具如下優(yōu)越性:

(1)本方案的清洗工藝適應性強、工藝靈活,可以根據沾污的位置和厚度作針對性調整;

(2)本工藝設計中選擇的清洗手段全面,是當今工業(yè)清洗領域成熟的清洗技術[18];

(3)本工藝設計中選擇的工藝設備與設施為標準成熟產品,可靠性高、自動化水平高、易于操作。

本方案不僅適用于放射性環(huán)境中桶外攪拌混合器,且可為有相似需求的核電、后處理等行業(yè)中的設備清洗提供借鑒經驗。