高压水清洗装置研制及其性能验证

滕 磊，夏霜霜，王 帅

(1.中国核动力研究设计院，成都 610213；2.四川省退役工程实验室，成都 610213)

引 言

热室作为研究堆的配套设施，是燃料元件、辐照材料切割检查的主要场所[1～4]，大量的放射性核素在热室内狭小的空间内短时间的集中释放，势必会造成热室内设备表面、热室墙体不锈钢覆面板表面的放射性污染物的沉积；水池同样是核电厂等核设施的最主要的配套设施，作为乏燃料组件、高放射性物项的暂存设施，大量的放射性核素会通过水迁移累积到水池不锈钢覆面板表面上[5]。因此，在核设施运行检修或退役期间，为了实践放射性废物最小化，减少工作人员的受照剂量，均需要一种操作简便、远距离的、清洗效率高的去污技术，去除大面积金属表面的放射性污染。目前，针对大面积金属表面放射性污染的去除，应用最多的、使用频率最高的只有高压水射流去污技术[5～7]。

水射流清洗技术是20世纪30年代发展起来的清洗去污技术，该技术以其通用性和对环境无害性备受清洗去污行业的青睐，其应用也日益广泛。高压水射流技术是水射流技术的进一步发展。1972年英国召开了第一次国际水射流会议，同期，我国成功制造了高压水射流清洗机，到20世纪80年代中期，开始从国外引进成系列的高压水射流清洗技术和设备。1994年，我国首次将高压水射流技术应用于反应堆退役领域[5]。

高压水射流喷射去污是用高压泵打出高压水，正向或切向冲击去污物件的表面污染，利用射流的打击、冲蚀、剥离、切除等作用来除垢、除锈斑和清洗，去除污染的放射性核素。高压水喷射去污特别适用于难以实现擦洗的物体或擦洗工作量大的物体表面去污，现已广泛用于厂房、槽罐、水池和热室的去污。

1994年，中国蓝星化学清洗总公司的刘玉成等人将高压水去污技术应用于801反应堆452工艺水池的去污，水池表面污染水平最高为7 820Bq/cm2。以喷射压力30MPa，喷射距离1m进行试验，去污因子最高达到41.38，去污效果较好[8]。

2004年，中国辐射防护研究院的邬强等人，将高压水清洗技术应用于某压水堆核电厂的换料水池去污[5]。实践表明，工艺参数为：水压20MPa，移动速度1m/min，喷射角45°～70°，水流量为16L/min时，90%的水池覆面经高压水清洗后，去污因子达到了30以上，最大可达126，去污效果较好。

英国三里岛2号堆(TMI-2)事故维修时，用高压水对反应堆厂房地面进行了去污实验。该高压水射流水压为20MPa，流量为30～45L/min，对反应堆厂房地面去污因子达1 000，去污效果较好。但同时，在高压水去污过程中由于水力喷射会产生大量废液，所以必须将水过滤后复用以减少废液量。

唐瑞(Dounreay)快堆后处理厂(英国)设计建造于50年代后期，用于处理快堆的浓缩铀燃料。他们也应用高压水对热室和屏蔽室进行了去污，高压水喷射压力为6.88MPa，去污效果较好。

1 实验装置

根据对国内外高压水射流去污技术研究和工程应用文献调研可知，影响高压水射流去污效果的工艺参数主要包括喷射压力、喷射流量、去污时间、水温度、喷射距离、喷射角度等。在影响高压水射流去污效果的6个因素中，在现有的文献中，关于喷射角度的影响因素的研究结果最多，可以直接引用。另外，针对热室不锈钢覆面的放射性污染的去除，水温度的增加对去污效果的增加效果不明显，另外会额外产生大量的带水汽的放射性气溶胶，对现场工作环境的影响以及后端过滤系统的影响比较大。因此，在本研究中，主要研究喷射压力、喷射流量、去污时间和喷射距离等4项因素对去污效果的影响，根据调研结果，确定喷射角度控制为70°左右，试验在室温下开展。

根据对国内外高压水清洗装置的调研可知，均是在调节高压水喷射压力的基础上开展的设计，无法实现压力、流量等参数的同时调节。为确保可以通过实验的方法验证最优去污效果的高压水射流压力、流量参数组合，本文研制了一种基于PLC控制的、调节管路出口截面积的、可实现压力和流量同时精确调节的高压水清洗装置。具体如图1所示。

图1 高压水清洗装置Fig.1 High-pressure water cleaning device

经性能测试，该装置的主要参数如下：电机功率22kW；电机转速1 450r/min；压力调节范围0～50MPa；流量调节范围0～22L/min；总重约350kg；压力调节精度为±0.2MPa；流量调节精度±0.2L/min。

另外，为了保证去污时间和喷射距离参数调节的准确性，避免去污过程中产生的放射性水雾对工作人员的伤害，在传统放射性操作手套箱的基础上，研制了一种使用高压水清洗放射性工件的手套箱试验台架。通过在手套箱顶部布置步进电机及夹持装置，可以实现高压水喷枪行走速度和喷射距离以及角度的精确调节；通过在手套箱内部布置样片支架，用以固定试验样片；手套箱整体密封，下部设有放射性废液收集装置。具体如图2所示。

图2 高压水去污手套箱试验台架Fig.2 High-pressure water decontamination glove box test bench

2 样品准备

放射性模拟样件的制作：根据典型热室源项调查结果，确定典型污染核素和放射性污染水平确定放射性溶液体系，主要模拟Cs-137、Co-60等核素，样品制备所用放射性废液特性如表1所示；材质与热室壳体一致，选用不锈钢基材，厚度为3mm，样件有效尺寸为200mm×20mm。样品结构示意具体如图3所示。

表1 样品制备所用放射性废液特性Tab.1 Characteristics of radioactive waste liquid used for sample preparation

图3 模拟样品示意图Fig.3 Schematic of the simulated sample

在手套箱内，采用放射性污染液，采用移液枪准确移取0.5 mL放射性污染液滴于不锈钢样片两圆心的中间位置，晾干后得到污染后的样片(图4)，经测量，样片表面污染水平范围为419.0～477.9Bq/cm2。

图4 放射性污染样片Fig.4 Samples of radioactive contamination

3 试验结果与分析

3.1 组合因素影响试验

医疗检测设备是医院进行医疗活动的基础和保障，是医疗服务机构的实力和医疗水平的综合体现。随着人们对健康需求的不断增大和医疗水平不断提高，先进的医疗设备已成为医院必要的辅助手段。

根据国内外高压水去污工程应用经验可知，各参数取值范围确定如下：喷射压力控制范围20～40MPa；喷射流量控制范围14～18L/min；去污时间(在待去污表面停留时间)控制范围3～9s；喷射距离控制范围为200～600mm。考虑到去污试验要既能有效反应各参数变量对去污效果的影响，又要减少二次放射性废物的产生量，确定每个参数分别选取3个变量开展去污试验，即4因素3变量的试验模型。

在图2所示的高压水射流去污手套箱试验台架上，开展了影响去污效果的4因素3变量的去污试验，试验前、后对比结果如表2所示。

从表2中可以看出，对于放射性不锈钢试验样品，压力为40MPa、喷射流量为18L/min、去污时间为6s、喷射距离为200mm时的去污因子最大，为238.9。综合去污因子变化规律，在实际工程大面积应用高压水去污时，去污因子将达到100以上。

表2 试验结果Tab.2 Test results

3.2 流量影响规律试验

从表2中可以看出，对于放射性不锈钢试验样品，随着水压力的升高、去污时间的增加，去污因子逐渐变大，成近似正比关系；随着喷射距离的增加，去污因子减小，成近似反比关系；这些结果和调研数据基本吻合。但是，随着水流量的升高，去污因子变化不明显，这是由于其他因素的变化对去污结果造成的影响。

进一步的，扩大喷射流量控制范围为8～18 L/min；去污压力取40 MPa、去污时间取9 s、喷射距离取200 mm，喷射角度控制在70°，试验在室温下开展，试验前、后对比结果如表3所示。

表3 试验结果Tab.3 Test results

整理后的去污因子随流量的变化规律如图5所示。

图5 去污因子随流量的变化规律Fig.5 Variation of decontamination factors with flow

从图5中可以看出，去污因子随着高压水流量的减少逐渐增大，这与我们的常识理解不太一样。但是，由于市场上没有一台高压水清洗装置可以实现在压力不变的条件下调节流量，故在调研的相关报道中并没有实例来证明这一结论的准确性。

在工程流体力学中，高压水射流属于厚壁孔口外伸管嘴定常出流，试验参数中的压力不变仅代表通过压差计的水的压力没有变化。水射流由喷嘴喷出后，进入到充满空气的无限大空间中，由于湍流的脉动，周围的空气被卷吸进入水射流，如图6所示[10]。

图6 基于理论和实验的高压水射流结构图Fig.6 Structure of high-pressure water jet based on theory and experiment

基于理论和实验可知，在压力不变的情况下，随着水流量的增大，水射流的截面不断扩张，核心区域水的能量会有一定的发散，因此，较大的水流量的去污因子反而较小，但是这种变化趋势是趋于平缓的。

从表3中可以看出，对于表面污染水平范围为412.08～478.84Bq/cm2的放射性不锈钢试验样品，去污后其表面污染水平均小于2Bq/cm2，因此有必要研究最优去污参数组合的去污因子上限。通过浓缩制样用的放射性废液，分别制作了表面污染水平为498.3Bq/cm2、1 005.2Bq/cm2、1 995.1Bq/cm2、4 992.8Bq/cm2、10 023.6Bq/cm2的试验样品，设定去污压力参数值为40 MPa、去污时间为9 s、喷射距离为200 mm、去污流量为8L/min，喷射角度控制在70°，试验在室温下开展，试验前、后对比结果如表4所示。

表4 试验结果Tab.4 Test results

整理后的去污因子增长率变化规律如图7所示。

从表4中可以看出，2号试验值偏离曲线变化规律太大，可作为误差数据舍弃不用。从表4和图7中均可以看出，随着试验样件表面污染水平的增大，其去污后的表面污染水平随之变大，去污因子变大，但去污因子的增长率明显减低，趋于平缓。

图7 去污因子增长率变化规律Fig.7 The change law of the decontamination factor growth rate

4 结 论

利用自行建立的高压水去污装置及手套箱试验台架开展了针对金属表面的高压水射流去污实验，该装置可实现压力和流量的同时调节。对于放射性不锈钢试验样品，试验结果表明：

4.1 采用不同的影响因素参数组合，压力为40MPa、喷射流量为18L/min、去污时间为6s、喷射距离为200mm时的去污因子最大；

4.2 去污因子随着高压水流量的减少逐渐增大；

4.3 单次去污因子随着去污前试验样件表面污染水平的增大而增大，但去污因子的增长率明显降低。