核电站用车载式废树脂接收装置研制

黄 岗，孙 胜，童明炎，王育坤，戴钰冰

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

核能和核技术的应用给人类带来了巨大的经济和社会效益，但也产生了越来越多的放射性废物，放射性废物的安全运输和处置已越来越为人们所关注。核电站大量使用离子交换树脂，树脂经反复使用富集放射性核素，最终老化失效成为放射性废树脂，废树脂是核电站运行过程中产生的主要低、中放射性废物之一[1]。对于废树脂，目前主要采用由贮槽和管路系统组成的固定设施接收，由于贮槽和管线等长期处于地下，一旦出现故障，施工困难且维修周期较长，难以保障放射性废树脂的接收，影响反应堆的正常运行，因此急需设计和建造一套用于应急接收废树脂的装置，当废树脂固定接收设施出现故障时保证废树脂及时安全地排放。

车载式装置由于具有机动灵活、轻便、适应性和应急性强等特点，在乏燃料运输、放射源运输和放射性检测等领域取得了广泛的应用[2-4]，车载式装置的强度是安全运输的重要保障，其在使用过程中会受到静载及冲击载荷作用，采用理论分析方法很难准确描述其结构的应力行为。本文基于某核电站应急接收废树脂的需要，研制一套用于接收和转运废树脂的车载式装置。研制过程中，采用有限元法对装置进行动力学分析，并根据分析结果按照RCC-M规范[5]对其进行应力强度评定。

1 装置设计

所设计的废树脂接收装置结构示意图示于图1。由图1可见，该装置主要由箱体、废树脂罐、废水接收槽、排风过滤器和管路系统组成。废树脂接收工艺为：离子交换柱中的废树脂在压缩空气的作用下通过软管排入废树脂罐，排放过程中产生的废水经废树脂罐顶部过滤网过滤后溢流进入废水接收槽，排放过程中产生的废气经排风过滤器过滤后就地排放，完成废树脂接收。此后将装置运送至三废处理中心，用压缩空气将废树脂罐中的废树脂排入到该中心的废树脂贮槽，通过转运泵将废水接收槽中的废水排入到该中心的废液贮槽中。该装置中的所有组成设备和管道均安装在一标准集装箱内，人在箱体外通过操作孔对装置的阀门和快速接头进行操作。废树脂罐和废水接收槽通过软管相接，为确保废树脂罐溢流口位置高于废水接收槽液位点，废树脂罐采用立式结构，废水接收槽采用卧式结构。考虑到耐腐蚀性、强度、韧性和去污要求，废树脂罐、废水接收槽、箱体内壳和管道等材料均采用06Cr18Ni11Ti不锈钢。在箱体左下侧隔出一小块空间用于放置操作柜，操作柜用于启停废水转运泵并显示监测仪表信号。在废树脂罐顶部设置吊装孔，用于当废树脂罐单独使用时将其吊出。

图1 装置结构示意图

箱体按1CC集装箱进行设计，为防止废水在低温恶劣环境下冻结，箱体采用聚氨酯硬泡结构保温集装箱，箱体框架材料采用耐低温材料Q345C。经计算，箱体各面保温层厚度分别为顶部80 mm、底部100 mm、侧壁60 mm。废树脂罐设计压力为2.5 MPa，有效容积为550 L。对废树脂罐采用蒙特卡罗方法进行屏蔽计算，废树脂源项按1 MBq/kg考虑，经计算废树脂罐满载时表面最大剂量率为0.27 mSv/h，距离废树脂罐表面2 m处最大剂量率为0.007 mSv/h，满足放射性物质安全运输规定[6]。废水接收槽设计压力取常压，有效容积为6 m3。

2 动力学分析和强度评定

2.1 计算模型

根据装置在运输时保持结构完整性及对放射性物质包容性的要求，选取箱体框架、废树脂罐和废水接收槽为研究对象，装置在设计温度下的材料参数列于表1[7-8]，装置建模时忽略微小结构，并忽略废树脂罐和废水接收槽小接管对区域强度的影响，储槽内液体引起的惯性力通过附加质量[9-10]将其等效转移到储槽壳体上。在运输过程中，装置4个底角件与半挂车铰接固定，按此情况，在底角件底面施加固定约束。废树脂罐通过压紧装置固定在箱体框架上，因此，将废树脂罐与箱体框架的连接近似处理为刚性连接，废水接收槽通过螺柱螺母与箱体框架连接，螺柱与箱体框架焊接，因此，废水接收槽鞍座与箱体框架以及鞍座与螺柱的连接均设置为摩擦连接，摩擦系数取0.3，计算模型主要采用计算精度较高的六面体网格，模型划分单元数为434 978个，节点数为625 048个，装置有限元模型如图2所示。

表1 装置材料参数

图2 装置有限元模型

2.2 载荷组合和校核准则

废树脂罐、废水接收槽分别用于接收并暂存废树脂和废水，为核安全3级，按RCC-M规范D篇进行应力强度评定；箱体框架作为废树脂罐和废水接收槽的支撑件，为S2级，按照RCC-M规范H篇进行应力强度评定；螺柱作为螺栓紧固件，按照规范ZVI2461的要求进行强度评定。本文主要计算装置在设计工况下的应力，此工况下的载荷组合为：设计压力+自重+内装液体+运行基准地震载荷，对应的应力准则为O级准则。废树脂罐和废水接收槽按照3级部件的要求，采用弹性分析法和TRESCA评定准则，其应力限制为：

Pm≤Sm

PL≤1.5Sm

Pm(PL)+Pb≤1.5Sm

(1)

式中：Pm为一次薄膜应力，MPa；PL为一次局部薄膜应力，MPa；Pb为一次弯曲应力，MPa；Sm为材料的基本许用应力强度，其值取min(Su/4，2Sy/3)。箱体框架按照S2级线性支承件的要求，采用弹性分析法和最大应力评定准则，其应力限制为：

σ1≤min(0.6Sy,0.5Su)

τmax≤min(0.4Sy,0.33Su)

(2)

式中：σ1为最大拉应力，MPa；τmax为最大切应力，MPa。

螺柱按螺栓紧固件的要求，其应力限制为：

Ft≤Ftb

Fv≤Fvb

(3)

式中：Ft为计算拉伸应力，MPa；Fv为计算剪切应力，MPa；Ftb为许用拉伸应力，其值为0.5Su；Fvb为许用剪切应力，其值为5Su/24。

2.3 计算结果和评定

采用BlockLanczos法对有限元模型进行模态计算，得到前50阶固有频率，装置前10阶固有频率和振型列于表2。采用谱分析法，先分别独立计算三维模型在x、y和z方向的应力，再将3个方向的应力用平方和的平方根方法进行组合，得到装置在地震载荷作用下的应力。计算输入的反应谱由技术规格书提供，计算模型阻尼比取2%。图3为装置满载时在运行基准地震载荷作用下的响应谱分析结果，最大应力强度产生在废水接收槽鞍座上，其值为168.5 MPa，将装置在地震载荷作用下的响应谱分析结果与装置在其他设计载荷下的静力学分析结果进行组合，组合后应力强度结果如图4所示。从图4可看出，组合后最大应力强度增大至235.9 MPa，其位置在废树脂罐上封头与接管连接处。

表2 装置前10阶固有频率及振型

图3 响应谱分析结果

图4 设计工况下的应力强度

依据RCC-M规范O级准则对装置进行应力强度评定。对于废树脂罐和废水接收槽，均在支座区域、封头区域、筒体区域和接管区域取相应的路径进行应力强度评定；对于同一部件，薄膜应力和弯曲应力均取各路径中的最大值；对于螺柱，拉伸应力和剪切应力均取4个螺柱中的最大计算值。表3为装置应力强度评定结果。表3数据表明，装置在设计工况下应力强度满足RCC-M规范O级准则的强度要求。

表3 装置应力强度评定结果

3 试验验证

装置加工完毕后，对其进行了起吊和运输试验。试验结果表明，装置未出现影响正常使用的永久性变形和异状。

对废树脂罐和废水接收槽进行了水压试验。试验过程中废树脂罐和废水接收槽均无渗漏，无可见的变形和异常声响，满足RCC-M规范对容器水压试验的要求。

最后，对装置进行了联合调试以及废树脂的接收和运输试验，并对其在满载时进行了剂量监测，均满足技术规格书的要求。

4 小结

本文基于核电站应急接收废树脂的需要，研制了一套车载式废树脂接收装置，研制过程中利用有限元分析软件ANSYS对装置进行了动力学分析，并根据RCC-M规范对装置结构在设计工况下进行了应力强度评定。结果表明，装置符合RCC-M规范O级准则的强度要求。验证试验结果表明，本文研制的装置满足废树脂接收和安全运输的要求。

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