核化工設備/攪拌混合器結構優化改進及系統設計

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境的清洗系統,以期保證攪拌器的清洗效果,確保設備可長期連續運行,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,并實現減少水量的需求,優選高壓水清洗。

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。

在理想狀態下,連續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為具備3個獨立清洗單元的可移動式高壓水清洗系統。

1.2 布置方案設計

高壓水清洗系統包括高壓水模塊和執行機構兩部分。高壓水模塊主要功能是為系統輸出符合要求的高壓水,主要包含高壓泵機組、控制系統[11],一般設置于橙區或者綠區;清洗執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。

清洗系統對攪拌器內部結構進行清洗,清洗區域為放射性環境(紅區),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行機構元件布置在紅區外。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,實現分區。將噴頭與其他執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。屏蔽蓋板設置屏蔽塞,當噴頭檢維修時,打開屏蔽塞,將噴頭取出紅區進行操作;當其他執行機構元件檢修時,由于其位于屏蔽蓋板外側(非紅區),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、聯軸器、高壓水管路通斷閥、低壓供水系統和底盤系統等組成;高壓水模塊示意圖,如圖4所示。

清洗系統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降壓。

2.2 執行機構設計

清洗桶壁、攪拌槳和下料口的執行機構相對獨立,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,由于執行機構跨區運行,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行機構

清洗桶壁和攪拌槳的執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行機構如圖5所示。

圖5 清洗桶壁及攪拌槳的執行機構

(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下料口清洗的執行機構

清洗下料口密封面的執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執行機構懸臂噴桿強度校核

在執行機構中,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,待系統壓力升壓穩定后開啟切斷閥;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流量監測

為確保數據系統流量監測準確,采用液位監測和數據計算2種方案。

(1)液位監測法:通過監測供水箱液位變化進行測算。系統啟動后,液位計監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解決了運行過程中水泥沾污的問題,保證攪拌器連續可靠運行的同時,兼具如下優越性:

(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、后處理等行業中的設備清洗提供借鑒經驗。