核电站废树脂取样器设计研究

高虎

（南京源自电力自动化设备有限公司，江苏 南京 211800）

1 废树脂取样器应用背景

核电站反应堆一回路冷却剂、乏燃料水池池水的净化处理，多用离子交换树脂、活性炭及选择性吸附介质等进行净化处理，失效后这些湿废物在辐照、热解或生物降解时易产生可燃气体，同时，含有较多硫、氮，降解后的产物对设备和储存容器有较强的腐蚀性，放射性固体废物处理对湿废物进行稳定化处理和包装以满足运输和最终处置的要求。初步处理过的湿废物介质会进行采集定量样品进行检测，目前，国内核电站中一般采用取样手套箱或手动取样阀，由操作人员手动进行人工取样。由于高辐照环境，取样过程中必须严格控制取样时间、距离及屏蔽，取样过程存在不确定性及危险性。

依托国际先进的废物管理理念，在放射性固体废物处理系统中设置了废树脂取样器，通过远程控制从循环回路中的湿废物浆液中获取具有定量代表性的样品。由于湿废物放射性水平很高，同时，其取样的对象为固液混合流体，取样对象包括废树脂、活性炭、选择性吸附介质等杂项湿废物，各类对象其流动性能、黏度、比重等存在较大差异，且取样点位于系统运行回路中，考虑在持续的运行压力与流量下取样，故废树脂取样器应具备良好的可靠性、密封性以及取样精度，且整个取样过程都自动运行及远程控制，同时，具备冲洗残留介质功能。

图1 工作原理图

2 废树脂取样器工作原理

为实现取样定量、残留冲洗、自动运行等功能，废树脂取样器应设置电动、气动或液压执行机构以具备无人化远程控制条件，执行机构可带动取样头在循环管路中伸出与收回或回转等动作；取样头上设有采集腔，采集腔的容积通过计算确定，这样在可以伸出与收回或回转动作的过程中，采集到定量的样品介质，同时，采集腔的结构要利于介质自行排出。考虑到湿废物介质可能残留，采集腔应设计冲洗入口，利用水或气进行冲洗，可采用球形腔体避免冲洗死角的存在。在取样过程中，废树脂取样器采用滑动结构就必须考虑到密封的设计、密封结构及方式应具备良好的稳定性及可靠性，杜绝向环境中泄露，且材料应满足高辐照的要求，同时，密封在使用一定周期后方便维护更换。

综合上述功能要求，如图1所示，废树脂取样器由壳体②、取样头③、密封件④和执行机构⑤组成；取样头③采用柱塞型，可以通过执行机构⑤驱动从壳体②内腔中伸出至管线湿废物中并能收回；废树脂取样器与管线①采用法兰连接；

取样头③上设采集腔，在取样头③伸出与收回的过程中，湿废物进入采集腔被取出，从样品出口流出。

采集腔前后设多道密封件，保证取样头在伸出与收回时，管线与样品出口间有多道密封件进行密封。

3 废树脂取样器结构设计

3.1 执行机构选择

废树脂取样器实现远程控制功能必须具备可靠的电动、气动或液压执行机构，可选择的执行机构包括以下方式： （1）采用气缸传动，配置气源系统；（2）采用伺服电机与丝杠传动，配置供电回路；（3）采用液压传动，配置液压泵站系统。

通过比较分析，液压传动需要额外配置液压泵站，系统设计复杂，检修繁琐，同时容易污染工作环境；伺服电机与丝杠结构复杂且外形占用空间较大，不利于维护；气缸传动技术成熟、可靠，执行往复运运动效率高，而且核电站内部一般有独立的供气系统，系统设计更简单、合理，且气缸损坏不会污染周围环境；废树脂取样器取样头与气缸可采用分体式结构，通过螺纹直连，可进行分解拆卸，便于维护。取样头可随气缸活塞进行伸出与收回，实现取样动作，当取样头伸出时为取样状态，收回时为复位状态。通过电磁阀控制气缸的进气方向，具备远程控制条件，通过调整气缸行程调整取样头动作行程，亦可监测气缸活塞位置判断取样头工作状态。所以，相较其他两种方式，选用气缸传动更合理。

3.2 废树脂取样器的密封结构及密封件类型

取样头通过气缸在壳体内腔中进行伸出、收回往复滑动，滑动过程中，通过密封环的径向压缩实现密封，防止湿废物介质泄露，而密封环从密封类型和安装方式可以选择不同的方式，如图2所示密封环常见的安装方式。

图2 密封件安装方式

安装方式一，密封环嵌入壳体内腔上，在取样头伸出与收回的过程中，密封环固定不动；这种安装方式，由于密封环不受径向约束，在取样头往复滑动过程中，受到取样头的冲击时存在脱落的可能，而且密封环嵌入壳体内腔，安装与更换时需要借助专用工具，操作十分不便。

安装方式二，密封环嵌装在取样头上，随取样头进行伸出与收回动作，由于密封环受到一定的径向约束，稳定性好；同时，密封环可随取样头取出观察、直观判断磨损状态，也更方便进行安装、更换，无须借助其他工具，相较安装方式一设计更合理。

图3 密封件类型

密封环通常采用0型圈，如图3所示，密封环嵌装在取样头，需要在取样头上设计环形安装槽，由于环形安装槽只能加工成矩型（£）截面，这样在O型密封环与安装环形槽之间存在一定的缝隙死角，而湿废物介质颗粒直径普遍很小，一般在0.3～1mm，很容易进入这些缝隙死角内并残留，在后期维护中对工作人员产生辐照危险，所以O型密封环不适用废树脂取样器的设计要求。介于此种情况，密封环应考虑采用矩型（£）截面设计，与环形安装槽完全贴合，减少死角的存在，同时，径向压缩面采用渐变面形式，可以减少滑动过程中的冲击磨损，延长工作寿命。

3.3 废树脂取样器的取样头采集腔结构选择

取样头采集腔用于定量取样，应能根据取样量调整容积，由于冲洗过程是自上向下进行喷射，湿废物介质从采集腔底部流出，采集腔应无冲洗、残留死角，尽量采用圆弧、流线型设计。如图4所示，环形采集腔、孔形采集腔容积均可以根据取样量进行调整；环形采集腔腔体呈流线型，与壳体间形成的空间均为圆弧面，无任何死角，在冲洗过程中，湿废物介质在水流作用下无阻力汇集至采集腔底部排除，能够做到无残留；而孔型采集腔体内部同样为圆弧面，但在腔体顶部与壳体会在两侧形成空间死角，不利于冲洗，存在残留的可能，相较环形采集腔有一定的弊端。

图4 采集腔型式

3.4 废树脂取样器材料选用

废树脂取样器工作的环境一般常温、潮湿，且长时间受辐照影响，耐辐照、耐腐蚀应作为主要考虑因素。

废树脂取样器主要部件取样头、壳体、气缸、紧固件应选用不锈钢如S31603、S30408，具有良好的耐腐蚀性，且不受辐照影响，同时，应避免采用铅、铜、铝等低熔点制品。

常用密封材料有硅胶、聚四氟乙烯（PTFE）、丁基橡胶、三元乙丙橡胶（EPDM）等，考虑到密封环工作在湿废物介质中，湿废物介质是水和树脂、活性炭等的混合物，润滑性好，不需要耐油性，但要长时间受辐照影响，所以，废树脂取样器密封材料选用三元乙丙橡胶更为合适。

4 结语

本文结合废树脂取样器的功能、环境工况等要求，针对废树脂取样器的执行机构、结构、材料选用等方面作了研究探讨，做出了理论上合理的设计选择，本文未针对密封件辐照环境下寿命进行研究。废树脂取样器设计的定形还需要相关理论计算依据支撑，同时，借助试验平台模拟实际工况进行验证，设计出满足核电站实际运行需要的废树脂取样器。