大型放射性廢液貯罐頑固沉積物回取裝置設計的仿真模擬研究

張宇軒，韓紅臣，呂海雷，朱振國，初麗麗，朱欣研

(中國原子能科學研究院 退役治理工程技術中心，北京 102413)

我國大型放射性廢液貯罐數量較多，其中有很多已經超過設計壽期，出現了老化、腐蝕等問題，處于待退役狀態。由于多年的運行，有大量沉積物附著在大罐底部，這類大型放射性廢液貯罐內一般有三種形態的廢物，最上層是上清液，中間層是鹽餅，底部層是淤泥[1]。由于罐體一般都埋于地下，底部位于地面以下約10 m，罐體體積較大、罐體較深且罐內積液與沉積物具有較高的放射性劑量水平，導致沉積物的回取成為這類放射性貯罐退役時面臨的最大難題。

美國在大型放射性貯罐退役方面已進行大量工作，作業場所主要有橡樹嶺實驗室、薩凡納河場址、漢福特場址、弗赫納得場址、愛達荷實驗室、西谷示范工程場址等[2-7]，國內從事放射性廢液貯罐底部沉積物回取技術研究的單位有中國核電工程有限公司、中國原子能科學研究院、八二一廠等。國內外的研究主要集中在含水放射性沉積物清理與回取，通常采用機械臂、高壓沖洗器與回取系統結合，完成對罐底沉積物的收集工作。然而許多放射性廢液貯罐在停止運行后，會先將上層上清液轉移到暫存設施中，鹽餅層表面液體會隨著時間而蒸發，最終變成鹽餅和干泥構成的板結形態頑固沉積物，進一步增加了罐底放射性底泥回取難度。

針對干燥后的罐底放射性頑固沉積物，本研究設計回取裝置，對用于破碎鹽餅的旋耕刀進行受力仿真分析，分別采用不同吸力、不同吸塵口對吸塵裝置進行仿真分析，得到最佳的硬件及真空負壓參數，對采用的受力部件進行強度校核，以確保其在各種工況下的強度要求。

1 回取裝置結構

回取裝置硬件及整體結構示于圖1。該回取裝置的硬件設計包括六部分：移動底盤、破碎裝置、清掃裝置、鏟斗、吸塵裝置以及卷揚系統。移動底盤作為硬件平臺，集成了各個功能模塊，其中，破碎裝置采用旋耕刀高速旋轉的方式對鹽餅進行破碎，破碎后的顆粒經鏟斗鏟至廢物回收桶，廢物桶通過卷揚系統運至地面裝入廢物袋中進行放射性廢物暫存。待板結鹽土清理完成后，清掃裝置采用鋼絲刷高速旋轉的方式，將附著在罐底的頑固底泥打成顆粒狀廢物，再通過吸塵裝置進行回取，收集到廢物桶中，經卷揚系統運送至地面裝入廢物袋。

圖1 裝置硬件及整體結構圖Fig.1 Device hardware and overall structure diagram

移動底盤采用麥克納姆輪，可實現全方位運動，增加移動平臺的靈活性。破碎裝置、清掃裝置安裝在移動平臺的同一個位置，兩功能模塊在使用時能夠實現拆裝、相互替換。

2 仿真分析

2.1 破碎裝置旋耕刀受力仿真

破碎裝置配備可高速旋轉的旋耕刀，旋耕刀在與頑固底泥作用的過程中，其材料強度須滿足工作要求，為探究旋耕刀的受力情況及鹽餅顆粒的動態特性，使用Solidworks建立底泥槽、顆粒工廠和旋耕刀的三維實體模型，并將模型導入至EDEM(2020版)中進行仿真分析，模擬旋耕刀對底泥上層鹽餅的作用過程，分析旋耕刀的受力情況。

2.2 吸塵裝置仿真

該裝置的清理工作分為兩部分，首先采用旋耕刀對固結成塊的鹽餅層進行破碎，破碎后的大尺寸鹽土塊利用鏟斗進行清掃處理。位于下層的頑固底泥利用鋼絲刷的高速旋轉進一步破碎，結合車載吸塵裝置，將粉塵吸入儲塵倉。通過鋼絲刷的高速旋轉，粉碎固結成塊的頑固底泥，形成顆粒狀的干泥顆粒與粉塵，通過鋼絲刷高速旋轉帶動粉塵產生一定的初速度，再由真空泵產生負壓形成氣流，從吸風口將淤泥粉塵顆粒吸入儲塵倉，達到回取板結頑固底泥的目的。這種組合式清掃裝置對鋼絲刷與真空泵的配合要求較高，需要選擇合適的吸力，低功耗、高效率的完成清掃。

為精確確定清掃裝置配備的吸塵裝置吸力、吸頭形狀等工作參數以及相關設備尺寸，需通過有限元數值仿真軟件對清掃吸塵過程進行數值模擬，初步獲得相關參數的近似值，優化設備設計方案。

取旋耕刀粉碎后的底泥顆粒進行實驗分析，經測量表明，碎土顆粒的堆積密度為950 kg/m3，實體密度為1 285 kg/m3。粉碎清理后所剩的淤泥細顆粒粒徑以0.8～6 mm為主，其中顆粒粒徑小于0.8 mm的顆粒占比小于2.3%，顆粒粒徑大于6 mm的顆粒占比小于1.8%，而顆粒粒徑介于0.8～6 mm的顆粒占比超過95%。因此，主要針對顆粒粒徑在0.8～6 mm之間顆粒的運動狀態進行有限元仿真。

根據設計的吸塵裝置結構及掃吸組合作業原理，建立的物理結構模型示于圖2。其中，中間為吸風口，用于將顆粒狀泥塊吸入儲塵倉。為了便于分析關鍵參數對吸塵效率的影響，吸塵裝置建立模型時設定：(1) 模型的中間作為空氣入口；(2) 將地面分為3部分，中間位置為吸風作用區域，兩側為滾刷刷掃作用區域；(3) 在距離吸風口頂面10 mm處分別建立吸風口半截面，用于計算該截面處氣流的平均流量。

圖2 吸塵裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of dust collector

由于吸塵口結構不規則，利用ICEM-CFD對模型進行非結構網格劃分。為保證計算精度，進行網格無關性檢驗。選用標準k-ε方程作為湍流計算模型，選擇二階迎風差分格式和SIMPLE求解算法。邊界條件設置如下：流場計算采用速度入口、壓力入口的邊界條件，吹風速度取正值，吸風速度取負值。對與吹風口平行的兩側進行擴張，其端面作為進風口，與吹風口垂直兩側則根據實際情況作為壁面。

2.3 破碎裝置受力零部件強度校核

為了確保破碎裝置在工作時各部件強度、剛度滿足設計需求，保證裝置安全、穩定工作，采取有限元仿真對結構中主要的零部進行強度校核，確保設計工況下各部件結構強度滿足要求。裝置中受力最大的部件為破碎裝置的支撐桿與旋耕刀頭。

3 結果與討論

3.1 破碎裝置旋耕刀受力仿真分析

3.1.1模型參數設定 由于底泥的顆粒細小、數量多、結構復雜，考慮到計算量及計算精度，為簡化計算，采用半徑為1 mm的球體顆粒模型提高計算效率和仿真效果。建立150 mm×75 mm×30 mm的底泥槽模型，用于盛放土壤粒子。在土壤模型中，將土層分為2層，分別為上層鹽餅顆粒層與下層底泥顆粒層。

通過分析底泥與鹽餅的特性對仿真模型參數進行設定[8-10]，設定參數結果列于表1。根據土壤顆粒間的相互作用，土壤與土壤接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding，土壤與旋耕刀接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no-slip)。

表1 旋耕刀受力仿真中采用的參數Table 1 Parameters used in force simulation of rotary tiller

重力加速度設置為Y軸負向-9.81 m/s2，時間步長設置為Rayleigh時間步長的10%，該時間步長根據顆粒半徑、密度等材料屬性參數自動計算。為了保證計算效率與質量，將計算網格單元的大小設置為最小顆粒半徑的3倍。計算參數設置完成后，開始仿真。生成粒子的過程中，會形成粘結鍵，保證仿真模型結果的可靠性。為了模擬底泥凹凸不平的特性，粒子的生成過程采用全域內隨機生成的方式，保證底泥顆粒具有凹凸不平，較為貼合實際的質感。

3.1.2旋耕刀受力 當所有的顆粒生成完畢后，旋耕刀開始運動，底泥槽中的顆粒在旋耕刀的作用下進行破碎。旋耕刀采用線性平轉，轉速設為300 r/min，并結合線性平動，方向沿X軸正向，速度為0.2 m/s。旋耕刀的受力變化在0.1 s之后趨于穩定，為了便于分析，截取刀軸旋轉一周的實驗數據，即取0.2 s耕作時長的實驗數據進行分析，旋耕刀的受力結果示于圖3。由圖3可知，在一定時間范圍內，旋耕刀開始工作時受力較小，隨著時間推進，受力越來越大，最終趨于穩定。旋耕刀受到的總阻力最大值約330 N，故在進行旋耕刀的選型和強度計算時，需滿足這一要求。為了保證設計強度的要求及底泥破碎工作效果，結合仿真結果，將旋耕刀與土壤間作用力保守設計為350 N，以便后續計算。

a——受力最大值；b——受力平均值圖3 旋耕刀受力隨時間變化曲線Fig.3 Curve of force on rotary tiller with time

3.2 吸塵裝置仿真分析

3.2.1吸力對吸塵效果的影響 吸塵設備的吸力評價指標為真空度。真空度過小，產生的吸力不足以將全部底泥顆粒清理干凈；真空度過大，可能會導致設備的功耗增加，負載過大，造成不必要的能源消耗，增加設計與使用成本。模擬采用不同型號的真空泵所達到的吸塵效果，為了統一變量，吸塵設備設置為扁平入口、圓形出口，同時固體顆粒的粒徑設置為3 mm，探究吸塵設備吸力對除塵效果的影響。

目前，市面上的小型吸塵裝置吸力范圍是4～30 kPa，采用4、19、30 kPa吸力的居多。分別針對吸力為4、19、30 kPa的真空泵吸塵過程進行有限元仿真，作為真空泵選型的參考。采用不同吸力的粒子在吸頭內部的固體顆粒速度分布及腔內氣體速度分布情況示于圖4～5。

從圖4a、圖5a中可以發現，當選用的真空泵吸力較小時，吸頭內部固體顆粒的運動速度較小，最大速度僅為1 m/s，僅有少部分的顆粒可以從吸塵設備出口逸出進入儲塵倉，且大部分顆粒的速度遠小于該值，此時吸頭內部大部分區域氣體的流速較小，不能達到帶動固體顆粒流動的最低速度，因此，采用4 kPa吸力的真空泵不能滿足此工況下的吸塵要求。

從圖4b、圖5b中可以發現，吸力增加到19 kPa時，吸頭內部固體顆粒運動速度明顯增大，其最大速度達到3.22 m/s，且大部分顆粒物都能逸出吸頭的出口端進入儲塵倉。隨著吸力的增大，吸頭內部氣體的流速也隨之增大，最大流速達42.3 m/s，內部大部分位置的氣體流速均能達到帶動顆粒運動的臨界速度。

從圖4c、圖5c中可以發現，當吸力增加到30 kPa時，隨著吸力的增大，吸頭內部固體顆粒的運動速度也隨之增大，最大速度已高達7.37 m/s，腔內氣體流速已高達92.1 m/s，此時的內部流體速度過快，多數固體顆粒高速接觸腔內壁產生較大反作用力，導致固體顆粒從出口逸出，降低了固體顆粒從出口端逸出的比例，反而降低除塵效果。因此，綜合三種吸力的有限元仿真結果，真空泵的吸力不能太低，也不能太高；太低會導致吸塵效果不理想，降低吸塵效率；太高也會因為流體速度過大而降低除塵效果，同時造成不必要的能源浪費，提高成本。因此，選擇吸力約為19 kPa的真空泵既能保證除塵效果，又能降低使用成本和制造成本。

a——吸力4 kPa；b——吸力19 kPa；c——吸力30 kPa圖4 固體顆粒速度分布Fig.4 Solid particle velocity distribution

a——吸力4 kPa；b——吸力19 kPa；c——吸力30 kPa圖5 腔內氣體速度分布Fig.5 Gas velocity distribution in cavity

3.2.2吸塵設備形狀對吸塵效果影響 吸塵效率不僅與吸力有關，還與吸塵裝置的形狀、尺寸有關[11]。假設粒子直徑為3 mm，真空泵吸力為19 kPa，吸塵裝置可根據需要配置不同的吸頭，為對比不同形狀的吸頭對吸塵效果的影響。分別選取橢圓形入口、圓形出口吸頭，出入口均為橢圓形的吸頭以及扁平入口、圓形出口的吸頭(圖6)進行有限元分析。

圖6 扁平入口、圓形出口的吸頭Fig.6 Suction head with flat inlet and circular outlet

三種形狀下吸頭內部粒子速度的分布情況示于圖7，三種形狀的吸頭內部氣體速度分布情況示于圖8。結合圖7a、圖8a發現，當出、入口均為橢圓形時，吸塵裝置內部粉塵顆粒的速度較小，僅為1.03 m/s，且顆粒速度隨著高度的升高逐漸減小，而吸頭內部氣體速度分布呈現由低到高逐漸增大的趨勢，吸頭入口附近的速度較低，吸塵效果不理想。結合7b、圖8b發現，當采用入口為橢圓形設計、出口為圓形時，吸塵裝置內部固體顆粒的速度顯著增大，最大速度達到3.17 m/s，裝置內部氣體速度也較大。從粒子的速度分布情況可以推斷，采用這種結構形式的吸頭，固體粒子吸入儲塵倉的效率較低，多數粒子集中分布在吸頭內部，雖然這種結構形式粒子運動速度有所提高，但吸塵效果并未明顯提高。結合圖7c、圖8c發現，當采用扁平入口、圓形出口的吸頭時，吸頭內部粒子的運動速度明顯提高，最大速度達到3.59 m/s，并且大部分粒子均能通過吸頭進入儲塵倉。從吸頭內部空氣的速度分布來看，吸頭前端空氣速度已達到固體顆粒啟動的速度，并且大部分固體顆粒都可以通過吸頭進入儲塵倉。對比三種布置形式發現，采用扁平入口、圓形出口的布置形式可以實現最高效率吸塵。

a——出入口均為橢圓形；b——橢圓形入口、圓形出口；c——扁平入口、圓形出口圖7 固體顆粒速度分布Fig.7 Solid particle velocity distribution

a——出入口均為橢圓形；b——橢圓形入口、圓形出口；c——扁平入口、圓形出口圖8 腔內氣體速度分布Fig.8 Gas velocity distribution in cavity

3.3 破碎裝置受力零部件強度校核

破碎裝置支撐桿采用鋁合金材質(牌號2A90)，其彈性模量為71 GPa，抗拉強度為280 MPa。支撐桿主要用于承受破碎裝置自重及工作過程中的附加載荷，為保證破碎裝置正常運行，需要確保支撐桿在最大負荷條件下工作不產生較大變形及破壞。破碎裝置自重及其工作過程中的最大載荷不超過400 N，有限元仿真結果示于圖9。在最大拉力400 N的作用下，拉桿產生的形變量非常小，僅為0.038 mm，且變形主要集中在支撐桿的下端，對結構穩定性不會造成任何影響。同時，支撐桿內部的最大應力僅為69.39 MPa，遠低于該種材料的強度極限，能夠承受工作時的載荷要求。

旋耕刀擬采用錳鋼材料加工，其硬度較大，強度高。為確保旋耕刀在碎土過程中強度滿足設計要求，對其耕作過程進行仿真計算，以確保工作過程中旋耕刀不會出現較大形變，亦不會發生因應力集中而產生的結構破壞。旋耕刀在碎土過程中，為確保碎土效果，刀頭要承受較大阻力，根據上述分析，旋耕刀最大受力取值350 N。通過仿真計算發現，在此工作載荷下，旋耕刀刀頭的形變量極小，僅為0.40 mm，同時，刀頭附近的最大應力為175.88 MPa，遠低于該種材料的許用載荷(圖10)。因此，選用此種刀頭可以保證在此工況下的強度要求。

a——變形；b——應力圖9 破碎支撐桿云圖Fig.9 Cloud diagram of broken support rod

a——變形；b——應力圖10 旋耕刀云圖Fig.10 Cloud diagram of rotary blade

4 小結

在移動底盤、鹽餅破碎裝置、機械鏟斗、卷揚系統的組合作業下，實現了鹽餅層鹽土的回取工作。此過程的關鍵是破碎裝置的可靠性，通過對旋耕刀的受力仿真分析，得到旋耕刀最大受力、平均受力與時間的變化關系，確定了作業中最大受力值330 N，并保守選取350 N作為最大受力值對擬采用的錳鋼材質旋耕刀進行強度校核，對擬采用的鋁合金破碎裝置支撐桿進行強度校核，分別驗證選材的可靠性。

在移動底盤、底泥清掃裝置、吸塵裝置、卷揚系統的組合作業下，實現了頑固底泥的回取工作。實現此過程的關鍵是將碎土顆粒、粉塵高效吸入儲塵倉。為此，對不同吸口形狀、吸力進行了仿真探索，得到了不同吸口形狀下，顆粒、氣體流速的分布圖，確定最佳的吸塵口形狀；分別選取4、19、30 kPa對不同吸力情況下的顆粒、氣體速度的分布情況進行了仿真對比分析，結果顯示，真空泵的吸力不宜太低，也不宜太高，太低會導致吸力不足以將粉塵顆粒吸入儲塵倉，吸力太高會導致流速過大，一定比例顆粒溢出的情況，同時也造成能源浪費，提高成本。因此選用約19 kPa的真空泵為最佳。

該工作針對干燥的頑固放射性沉積物設計了回取裝置，通過對各部件的受力分析，強度校核及吸塵裝置的選型分析，得到各關鍵零部件的最佳選型結果。研究成果可為國內外相關放射性廢液貯罐底部沉積物的回取工作提供參考和借鑒。