放射性废树脂接收 转运技术改进设计

刘宇昊

摘 要：国内老旧核设施产生的废树脂大都暂存于容器中，这些容器在设计时只考虑了废树脂如何进去，没有考虑废树脂如何取出，导致这些核设施在放射性废树脂接收、转运环节存在接口功能不匹配、板结树脂难回取、转运工艺缺陷等一系列问题。针对这些问题，制定一系列的技术改进措施，包括设施接口条件适应性改造，增加废树脂松动措施，废树脂转运设备、管道及动力和其他措施的技术改进等。通过相应的技术改进设计，可以使这些问题得到有效解决。

关键词：废树脂 接收 转运 改进设计

中图分类号：TL94 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（a）-0069-05

Abstract： Most of the domestic old nuclear facilities to produce the spent resin temporary in containers， these containers in the design only consider the spent resin how to enter， not considered spent resin to remove. The nuclear facilities in radioactive spent resin receiving and transferring links exist function interface does not match， resin harden， and difficult to take， transport process defects， such as a series of problems. To solve these problems， we develop a series of technical improvement measures， including adaptation of facilities interface conditions， increasing loose measures for spent resin， technical improvement of waste resin transfer equipment， pipeline and power and other measures. Through the corresponding technical improvement design， these problems can be effectively solved.

Key Words： Spent resin； Receiving； Transferring； Improved design

自20世紀50、60年代以来，随着我国核事业的发展，相继建成、运行了诸多核设施，这些核设施运行期间产生了较多的放射性废物[1]，废树脂是其中的一类重要废物，主要来源于反应堆堆水净化处理和放射性废液处理等系统，这些废树脂的放射性水平可达107 Bq/kg，甚至更高。当前，国内主要采取水泥固化的方法处理废树脂，但这种方法存在废物增容较大、核素浸出率高、未进行无机化处理等缺陷[2]。因此，国内也正在开发与引进焚烧、热态超压、高性能整体容器贮存、湿法氧化分解、蒸汽重整等新技术，但这些技术都为尚未得到大规模应用。

由于之前一直缺乏对废树脂进行妥善处理的良好方法和装置，以前的老旧设施在设计、建造中对产生的废树脂大多采取暂存于容器中的方式，这些容器在设计时只考虑了废树脂如何进去，并没有考虑废树脂如何取出，设备本身也缺少搅拌、液位与树脂界面等可靠的测量措施，并且长期存放后废树脂已板结，难以取出。想对设备进行增加搅拌、加水和废树脂出口管道等改造，也因废树脂的放射性活度浓度高和现场条件等因素使改造实施非常困难。因此，需要从工艺和设备两个方面研究开发与老旧设施接口的适宜技术，取出废树脂并转运到废树脂处理设施去处理。

对于新建设施，在废树脂产生地和处理设施之间的废树脂收集、转运也是其中的关键环节，即针对各类核设施的不同接口关系和现场使用条件与要求，利用不同工艺方法和设备完成废树脂的收集和转运输送。

1 国内各单位废树脂接收、转运现状

1.1 核动力院的现状

中国核动力院在20世纪70、80年代建设的493堆、岷江堆均设置有反应堆堆水离子交换净化处理设施，由于缺乏对废树脂进行处理的良好方法和装置，两堆运行产生的废树脂均采取一次性容器暂存于493排风塔的临时处理方式。

在20世纪90年代末建设的水泥固化车间中，废树脂接收、输送系统仅设计了一个壁龛，内设一个法兰连接的管口作为外来废树脂的入口，缺乏专用设备废树脂转运罐，也没有实施废树脂排出的设置有压空搅拌、补水和排水等相关配套条件的场地。致使现存放于493排风塔下的废树脂容器和目前493堆运行产生的废树脂运输容器内的废树脂无法与水泥固化车间废树脂接收、转运系统连接，废树脂不能转入系统。

1.2 原子能院的现状

原子能院自20世纪50年代以来建设了较多的反应堆和三废处理设施。在这些核设施运行期间，积累了较多的放射性废树脂，这些废树脂采取容器、贮槽临时贮存的方式存放，长期存放后废树脂已板结，难以取出。

同时，原子能院新堆、快堆及其他近几年投入运行的新工号产生的废树脂，设置了废树脂临时贮存槽和向外转运的排放专用接口和场地，但接口配置并不一致，并且由于一直以来缺乏对废树脂进行处理的良好方法和装置，原子能院在20世纪90年代建设，2005年左右投入运行的水泥固化车间没有设置废树脂收集、转运、处理的系统设施，也没有设计建造广泛适用于原子能院的废树脂屏蔽转运容器和专用场地。

1.3 核电站的现状

在秦山核电一期建设的三废处理系统中，由于一直以来缺乏对废树脂进行处理的良好方法和装置，反应堆堆水净化处理和放射性废液处理离子交换系统产生的废树脂用大量水反冲后排入废树脂贮槽存放，不锈钢贮槽考虑了较大容积满足长期贮存反应堆排放废树脂的需求，考虑废树脂如何进去和废液的过滤与转运，但没有考虑废树脂如何取出，贮槽本身也缺少搅拌措施，长期存放后废树脂已板结，难以取出，也没有预留与后期建设的水泥固化系统连接的接口。

在田湾核电，秦山核电等电站随后建设的三废处理系统中，与废树脂收集、转运相关的分系统，在工艺系统上都存在管道管径和材料、阀门类型、泵的类型和功率等方面选择上的失误，在设备、管道、阀门的布置上存在不合理，走向曲折不简洁、采用了过多的直角弯头，使废树脂在管道内残留多、输送阻力大，冲洗不及时就很容易发生管道堵塞现象等问题。

2 废树脂收集、转运存在的问题

根据各单位在废树脂收集、转运现状的总结与归纳，当前主要包括3个方面的问题。

2.1 设施功能和配套接口条件不一致

由于技术缺乏，新旧核设施采用的废树脂收集、转运工艺技术各有不同，接口并不一致，对采用的工艺和设备未进行充分考虑，设施功能欠缺，甚至未建设相关配套接口条件，使废树脂无法安全有效地转运到处理设施，并进行处理。

比如：核动力院49-3堆和水泥固化车间就因存在设施功能和场地配套接口条件缺乏的问题，致使废树脂无法转入固化车间处理，目前只能采取人工舀取装桶的方式进行生产。

2.2 长期存放的废树脂因板结导致回取困难

长期贮存在贮槽、容器等设备内的树脂会板结，必须解决板结废树脂如何松动、回取并转运到后续系统中的技术难题。

比如：原子能院、秦山一期核电站的废树脂经过多年在容器内存放都有不同程度的板结，回取极为困难。

2.3 废树脂转运工艺上存在一系列的技术问题

国内相关单位的废树脂收集、转运系统在实际运行过程中故障频发，经深入分析和试验确认废树脂转运工艺上主要还存在如下技术问题。

（1）废树脂转运工艺、设备的匹配性错误问题。

（2）废树脂接收、转运系统管道材料、管径、阀门选择错误的问题。

（3）在采用泵作为动力进行废树脂输送时，泵的类型、功率选择错误问题。

（4）在采用压缩空气作为动力进行废树脂转运时，压缩空气压力选择不匹配的问题。

（5）废树脂转运相关系统管道布置不合理，输送阻力大，很容易发生管道堵塞故障的问题。

（6）废树脂转运过程中废树脂的搅拌工艺和技术缺乏的问题。

（7）在屏蔽、远距离操作情况下，废树脂在密闭系统管道内实施转运输送，缺乏技术判断废树脂是否进出系统、设备的问题。

（8）废树脂转运管路缺乏冲洗工艺设计的问题。

（9）废树脂接收转运贮槽、移动式废树脂转运罐等核心设备在功能、结构、强度、屏蔽等方面的设备设计问题。

3 技术改进措施

经该院多年的实践检验，针对现有核设施废树脂接收、转运过程中存在的问题，进行了一系列的技术改进措施，主要包括以下几个方面。

3.1 设施功能和配套接口不一致的技术改进措施

针对设施之间分散布置，沒有管沟和管道进行连接，距离不同，产生废树脂的量有大有小，从可行性、可靠性和经济性等各方面综合比较考虑，结合工艺要求和现场实际情况，进行设施功能和配套接口条件的适应性改造。主要技术改进措施包括以下几点。

（1）新建或改建厂房。

（2）设计、布置相关工艺设备。

（3）设置移动式废树脂收集、转运装置。

（4）管线、阀门布置，并根据工艺操作考虑屏蔽设置。

（5）根据工艺需要增加相关的压空、给排水、通排风、电气、测控、辐射防护等配套措施。

在某三废处理设施改造项目中，针对设施接口不匹配，固化车间没有实施废树脂排出的相关配套条件和场地等问题，进行了相应的改造设计。新增加废树脂接收转运厂房，如图1所示。

3.2 板结废树脂回取的技术改进措施

对于板结废树脂，首先应进行松动处理，然后收集转运，其主要的技术改进措施包括以下几点。

（1）根据现场条件选择废树脂松动、收集技术措施。

（2）勘察可利用的操作空间，进行配套使用条件的改造设置，包括废水的回收和重复使用，压缩空气供气压力、辐射防护措施等。

（3）设计制造具备喷射角度广、体积小、重量轻，喷射物压力高、流速快等特点的废树脂松动专用工器具。

（4）配置合适的泵、阀门、管道，进行废树脂抽吸转运。

某核设施废树脂回取工艺设计时，其废树脂贮槽与一般老旧设施设置情况类似，如图2所示，树脂板结情况较为严重。工程实际过程中，采取适宜的搅拌装置，将板结的树脂松动，最终顺利回取。

3.3 废树脂转运工艺的技术改进措施

3.3.1 管道材料、管径、阀门选择的技术改进措施

废树脂转运管道材料应选择耐酸碱腐蚀的奥氏体不锈钢；大量废树脂长距离的输送选择φ57～φ89的管径，少量废树脂短距离的输送选择φ32～φ45的管径；阀门最好选用球阀，不能选用低进高出的截止阀。

3.3.2 废树脂转运泵选择的技术改进措施

在采用泵作为输送动力时，如果泵的类型，或者泵的规格型号选择不合适，会导致实际使用时转运效果差，甚至出现堵泵现象。试验证明，选择不同型号的螺杆泵和泥浆泵既能进行大体积、大流量的输送，也能进行短距离、小流量的输送。

3.3.3 压缩空气输送压力选择的技术改进措施

在采用压缩空气作为输送动力时，根据不同工况合理进行压力大小的选择是一个关键点。

试验证明：一般30～80m以内近距离、略微有高差输送时，压力选择可以选择0.6～1.2MPa；远距离、较大体积输送时，压力应选择1.5～2.5MPa；输送管路越长、废树脂体积越大，压力选择应越大。

3.3.4 系统管道布置的技术改进措施

系统管道布置应走向简洁，尽量减少管道弯折次数，一般情况下不采用直角弯头，宜采用大半径煨弯或45°弯头；应减少管道上下往复次数。优化的管道布置，能有效降低管道输送阻力损失，减少废树脂在管道内的存留量，降低发生管道堵塞故障的概率。

3.3.5 废树脂搅拌的技术改进措施

以前的废树脂转运工艺未考虑将废树脂与废液混合搅拌均匀，就进行废树脂转运，结果由于废树脂密集过量，阻力过大，造成阀门、管路和泵堵塞，不能实现正常转运。

因机械搅拌装置结构复杂、故障率高、维修困难，目前一般场所已不再使用。

通过改善设计和使用证明：压缩空气搅拌装置结构简单、安装调试完成后没有故障，无需维修，能够充分实现废树脂的均匀搅拌。其技术难点在于针对不同体积、不同结构形状的设备，设计专用的压缩空气搅拌环管，进行搅拌气流方向分配，并可采用边搅拌边转运操作方式，保证不因废树脂沉积导致堵塞故障而影响转运。

3.3.6 废树脂进出设备的判断技术改进措施

由于废树脂的放射性活度浓度高，它的收集轉运都是在屏蔽、远距离操作情况下，在密闭系统管道内实施转运输送的，如何判断废树脂是否完全进出某个设备是废树脂收集转运操作控制的一大难点。

通过多次实践验证，采用高量程和低量程搭配的管道式计量监测仪表，安装在设备进出口管段上，或者安装在某个预先设定的系统管道上。通过远传实时监测管道的放射性水平变化，可以有效监测到废树脂转出转入设备的情况，并能判断废树脂是否在管段中残留。

3.3.7 管路冲洗工艺的技术改进措施

在过去的使用中，经常发生废树脂堵塞管路的现象，每次需要人工采取各种措施去疏通管路，工作时间长，要接受很大的辐射照射。

深入分析工艺系统及操作过程发现，最根本的原因是在众多核设施的废树脂转运工艺中忽视了废树脂转运操作即将结束时对管道的冲洗，当水和废树脂的混合物液位较低时，就选择了停泵或停压缩空气，关闭阀门结束转运操作，使得正处于管道中的废树脂由于动力丧失而沉积在管道中。试验表明，解决废树脂转运的管路堵塞故障，根本办法是进行合理的管路冲洗工艺设计。

管路冲洗有两种工艺：一种是向废树脂贮存设备内供冲洗废液。这种工艺适宜设备内大体积废树脂需一次性完成转运，并且有大量本身也需转运的低放废液。另一种管路冲洗工艺是冲洗废液只进入转运管道，不进入废树脂贮存设备内，主要使用在设备内废树脂需多次完成短距离、小流量的转运操作中。

在某项目的一次性长距离，大流量转运；废树脂贮槽向计量槽上料的多次短距离、小流量的转运中，分别使用了以上两种管路冲洗工艺（管路冲洗流程示意见图3），效果良好，未再发生管路堵塞事件。

3.3.8 设备设计改进措施

总结以前的设备功能缺陷和出现的故障，废树脂接收转运贮槽、移动式废树脂转运罐等核心设备设计时应重点考虑以下方面。

（1）应合理设置管口、树脂过滤器、压空搅拌装置等功能。

（2）应充分考虑泵压和压空压力对设备的影响，设备应按承压设备设计。

（3）应有合理的排气管路和压力保护设置。

（4）应考虑溢流水补水管路和冲洗管路的工艺设置。

（5）考虑源项水平、辐射防护、操作要求，进行屏蔽设计。

（6）必要时设置气体高效过滤处理后就地排放的装置。

图4为某项目设计的移动式废树脂转运罐。

4 应用建议

在国内各单位老旧设施改造和新设施设计建造过程中，形成了固定设施式、移动式、固定+移动式等三套废树脂接收与转运成套技术。

在新建的反应堆和三废处理设施中，废树脂产生与处理设施通常位于不同的区域，建设时间和接口设置也一般不一致，各设施产生废树脂的量有大有小，不宜在各新旧废树脂产生设施到处理设施之间全部建立管沟和管道设施。

从可行性、可靠性和经济性等方面综合考虑，建议采用适用面最广的“固定式+移动式废树脂收集、转运工艺技术”方案来实施对各新旧核设施产生的废树脂进行收集和转运。

5 结语

该文概括总结了国内相关单位在废树脂收集、转运技术应用上所出现的典型问题，在剖析原因的基础上，提出了针对性的技术改进措施。这些技术改进措施是技术人员近几年的一些研究、设计、试验和工程实际应用的成果，为全面解决老旧核设施及新建核设施在废树脂收集、转运方面的问题提供了技术支撑，也为国内新建的废树脂收集、转运设施提供了可行的技术参考，使各核设施产生的废树脂具备有效处理的技术条件保证。

参考文献

[1] 叶奇蓁，张志根.我国核电厂放射性废物管理进展及挑战.中国核电，2010，3（3）：194-199.

[2] 中华人民共和国国家标准.GB/T 14569.1-2011，低、中水平放射性废物固化体性能要求水泥固化体[S].

[3] 罗上庚.废离子交换树脂的优化处理[J].核科学与工程，2003，23（2）：165.