大型放射性废液贮罐顽固沉积物回取装置设计的仿真模拟研究

张宇轩，韩红臣，吕海雷，朱振国，初丽丽，朱欣研

(中国原子能科学研究院 退役治理工程技术中心，北京 102413)

我国大型放射性废液贮罐数量较多，其中有很多已经超过设计寿期，出现了老化、腐蚀等问题，处于待退役状态。由于多年的运行，有大量沉积物附着在大罐底部，这类大型放射性废液贮罐内一般有三种形态的废物，最上层是上清液，中间层是盐饼，底部层是淤泥[1]。由于罐体一般都埋于地下，底部位于地面以下约10 m，罐体体积较大、罐体较深且罐内积液与沉积物具有较高的放射性剂量水平，导致沉积物的回取成为这类放射性贮罐退役时面临的最大难题。

美国在大型放射性贮罐退役方面已进行大量工作，作业场所主要有橡树岭实验室、萨凡纳河场址、汉福特场址、弗赫纳得场址、爱达荷实验室、西谷示范工程场址等[2-7]，国内从事放射性废液贮罐底部沉积物回取技术研究的单位有中国核电工程有限公司、中国原子能科学研究院、八二一厂等。国内外的研究主要集中在含水放射性沉积物清理与回取，通常采用机械臂、高压冲洗器与回取系统结合，完成对罐底沉积物的收集工作。然而许多放射性废液贮罐在停止运行后，会先将上层上清液转移到暂存设施中，盐饼层表面液体会随着时间而蒸发，最终变成盐饼和干泥构成的板结形态顽固沉积物，进一步增加了罐底放射性底泥回取难度。

针对干燥后的罐底放射性顽固沉积物，本研究设计回取装置，对用于破碎盐饼的旋耕刀进行受力仿真分析，分别采用不同吸力、不同吸尘口对吸尘装置进行仿真分析，得到最佳的硬件及真空负压参数，对采用的受力部件进行强度校核，以确保其在各种工况下的强度要求。

1 回取装置结构

回取装置硬件及整体结构示于图1。该回取装置的硬件设计包括六部分：移动底盘、破碎装置、清扫装置、铲斗、吸尘装置以及卷扬系统。移动底盘作为硬件平台，集成了各个功能模块，其中，破碎装置采用旋耕刀高速旋转的方式对盐饼进行破碎，破碎后的颗粒经铲斗铲至废物回收桶，废物桶通过卷扬系统运至地面装入废物袋中进行放射性废物暂存。待板结盐土清理完成后，清扫装置采用钢丝刷高速旋转的方式，将附着在罐底的顽固底泥打成颗粒状废物，再通过吸尘装置进行回取，收集到废物桶中，经卷扬系统运送至地面装入废物袋。

图1 装置硬件及整体结构图Fig.1 Device hardware and overall structure diagram

移动底盘采用麦克纳姆轮，可实现全方位运动，增加移动平台的灵活性。破碎装置、清扫装置安装在移动平台的同一个位置，两功能模块在使用时能够实现拆装、相互替换。

2 仿真分析

2.1 破碎装置旋耕刀受力仿真

破碎装置配备可高速旋转的旋耕刀，旋耕刀在与顽固底泥作用的过程中，其材料强度须满足工作要求，为探究旋耕刀的受力情况及盐饼颗粒的动态特性，使用Solidworks建立底泥槽、颗粒工厂和旋耕刀的三维实体模型，并将模型导入至EDEM(2020版)中进行仿真分析，模拟旋耕刀对底泥上层盐饼的作用过程，分析旋耕刀的受力情况。

2.2 吸尘装置仿真

该装置的清理工作分为两部分，首先采用旋耕刀对固结成块的盐饼层进行破碎，破碎后的大尺寸盐土块利用铲斗进行清扫处理。位于下层的顽固底泥利用钢丝刷的高速旋转进一步破碎，结合车载吸尘装置，将粉尘吸入储尘仓。通过钢丝刷的高速旋转，粉碎固结成块的顽固底泥，形成颗粒状的干泥颗粒与粉尘，通过钢丝刷高速旋转带动粉尘产生一定的初速度，再由真空泵产生负压形成气流，从吸风口将淤泥粉尘颗粒吸入储尘仓，达到回取板结顽固底泥的目的。这种组合式清扫装置对钢丝刷与真空泵的配合要求较高，需要选择合适的吸力，低功耗、高效率的完成清扫。

为精确确定清扫装置配备的吸尘装置吸力、吸头形状等工作参数以及相关设备尺寸，需通过有限元数值仿真软件对清扫吸尘过程进行数值模拟，初步获得相关参数的近似值，优化设备设计方案。

取旋耕刀粉碎后的底泥颗粒进行实验分析，经测量表明，碎土颗粒的堆积密度为950 kg/m3，实体密度为1 285 kg/m3。粉碎清理后所剩的淤泥细颗粒粒径以0.8～6 mm为主，其中颗粒粒径小于0.8 mm的颗粒占比小于2.3%，颗粒粒径大于6 mm的颗粒占比小于1.8%，而颗粒粒径介于0.8～6 mm的颗粒占比超过95%。因此，主要针对颗粒粒径在0.8～6 mm之间颗粒的运动状态进行有限元仿真。

根据设计的吸尘装置结构及扫吸组合作业原理，建立的物理结构模型示于图2。其中，中间为吸风口，用于将颗粒状泥块吸入储尘仓。为了便于分析关键参数对吸尘效率的影响，吸尘装置建立模型时设定：(1) 模型的中间作为空气入口；(2) 将地面分为3部分，中间位置为吸风作用区域，两侧为滚刷刷扫作用区域；(3) 在距离吸风口顶面10 mm处分别建立吸风口半截面，用于计算该截面处气流的平均流量。

图2 吸尘装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of dust collector

由于吸尘口结构不规则，利用ICEM-CFD对模型进行非结构网格划分。为保证计算精度，进行网格无关性检验。选用标准k-ε方程作为湍流计算模型，选择二阶迎风差分格式和SIMPLE求解算法。边界条件设置如下：流场计算采用速度入口、压力入口的边界条件，吹风速度取正值，吸风速度取负值。对与吹风口平行的两侧进行扩张，其端面作为进风口，与吹风口垂直两侧则根据实际情况作为壁面。

2.3 破碎装置受力零部件强度校核

为了确保破碎装置在工作时各部件强度、刚度满足设计需求，保证装置安全、稳定工作，采取有限元仿真对结构中主要的零部进行强度校核，确保设计工况下各部件结构强度满足要求。装置中受力最大的部件为破碎装置的支撑杆与旋耕刀头。

3 结果与讨论

3.1 破碎装置旋耕刀受力仿真分析

3.1.1模型参数设定 由于底泥的颗粒细小、数量多、结构复杂，考虑到计算量及计算精度，为简化计算，采用半径为1 mm的球体颗粒模型提高计算效率和仿真效果。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，将土层分为2层，分别为上层盐饼颗粒层与下层底泥颗粒层。

通过分析底泥与盐饼的特性对仿真模型参数进行设定[8-10]，设定参数结果列于表1。根据土壤颗粒间的相互作用，土壤与土壤接触模型选择Hertz-Mindlin with Bonding，土壤与旋耕刀接触模型选择Hertz-Mindlin(no-slip)。

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

重力加速度设置为Y轴负向-9.81 m/s2，时间步长设置为Rayleigh时间步长的10%，该时间步长根据颗粒半径、密度等材料属性参数自动计算。为了保证计算效率与质量，将计算网格单元的大小设置为最小颗粒半径的3倍。计算参数设置完成后，开始仿真。生成粒子的过程中，会形成粘结键，保证仿真模型结果的可靠性。为了模拟底泥凹凸不平的特性，粒子的生成过程采用全域内随机生成的方式，保证底泥颗粒具有凹凸不平，较为贴合实际的质感。

3.1.2旋耕刀受力 当所有的颗粒生成完毕后，旋耕刀开始运动，底泥槽中的颗粒在旋耕刀的作用下进行破碎。旋耕刀采用线性平转，转速设为300 r/min，并结合线性平动，方向沿X轴正向，速度为0.2 m/s。旋耕刀的受力变化在0.1 s之后趋于稳定，为了便于分析，截取刀轴旋转一周的实验数据，即取0.2 s耕作时长的实验数据进行分析，旋耕刀的受力结果示于图3。由图3可知，在一定时间范围内，旋耕刀开始工作时受力较小，随着时间推进，受力越来越大，最终趋于稳定。旋耕刀受到的总阻力最大值约330 N，故在进行旋耕刀的选型和强度计算时，需满足这一要求。为了保证设计强度的要求及底泥破碎工作效果，结合仿真结果，将旋耕刀与土壤间作用力保守设计为350 N，以便后续计算。

a——受力最大值；b——受力平均值图3 旋耕刀受力随时间变化曲线Fig.3 Curve of force on rotary tiller with time

3.2 吸尘装置仿真分析

3.2.1吸力对吸尘效果的影响 吸尘设备的吸力评价指标为真空度。真空度过小，产生的吸力不足以将全部底泥颗粒清理干净；真空度过大，可能会导致设备的功耗增加，负载过大，造成不必要的能源消耗，增加设计与使用成本。模拟采用不同型号的真空泵所达到的吸尘效果，为了统一变量，吸尘设备设置为扁平入口、圆形出口，同时固体颗粒的粒径设置为3 mm，探究吸尘设备吸力对除尘效果的影响。

目前，市面上的小型吸尘装置吸力范围是4～30 kPa，采用4、19、30 kPa吸力的居多。分别针对吸力为4、19、30 kPa的真空泵吸尘过程进行有限元仿真，作为真空泵选型的参考。采用不同吸力的粒子在吸头内部的固体颗粒速度分布及腔内气体速度分布情况示于图4～5。

从图4a、图5a中可以发现，当选用的真空泵吸力较小时，吸头内部固体颗粒的运动速度较小，最大速度仅为1 m/s，仅有少部分的颗粒可以从吸尘设备出口逸出进入储尘仓，且大部分颗粒的速度远小于该值，此时吸头内部大部分区域气体的流速较小，不能达到带动固体颗粒流动的最低速度，因此，采用4 kPa吸力的真空泵不能满足此工况下的吸尘要求。

从图4b、图5b中可以发现，吸力增加到19 kPa时，吸头内部固体颗粒运动速度明显增大，其最大速度达到3.22 m/s，且大部分颗粒物都能逸出吸头的出口端进入储尘仓。随着吸力的增大，吸头内部气体的流速也随之增大，最大流速达42.3 m/s，内部大部分位置的气体流速均能达到带动颗粒运动的临界速度。

从图4c、图5c中可以发现，当吸力增加到30 kPa时，随着吸力的增大，吸头内部固体颗粒的运动速度也随之增大，最大速度已高达7.37 m/s，腔内气体流速已高达92.1 m/s，此时的内部流体速度过快，多数固体颗粒高速接触腔内壁产生较大反作用力，导致固体颗粒从出口逸出，降低了固体颗粒从出口端逸出的比例，反而降低除尘效果。因此，综合三种吸力的有限元仿真结果，真空泵的吸力不能太低，也不能太高；太低会导致吸尘效果不理想，降低吸尘效率；太高也会因为流体速度过大而降低除尘效果，同时造成不必要的能源浪费，提高成本。因此，选择吸力约为19 kPa的真空泵既能保证除尘效果，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图4 固体颗粒速度分布Fig.4 Solid particle velocity distribution

a——吸力4 kPa；b——吸力19 kPa；c——吸力30 kPa图5 腔内气体速度分布Fig.5 Gas velocity distribution in cavity

3.2.2吸尘设备形状对吸尘效果影响 吸尘效率不仅与吸力有关，还与吸尘装置的形状、尺寸有关[11]。假设粒子直径为3 mm，真空泵吸力为19 kPa，吸尘装置可根据需要配置不同的吸头，为对比不同形状的吸头对吸尘效果的影响。分别选取椭圆形入口、圆形出口吸头，出入口均为椭圆形的吸头以及扁平入口、圆形出口的吸头(图6)进行有限元分析。

图6 扁平入口、圆形出口的吸头Fig.6 Suction head with flat inlet and circular outlet

三种形状下吸头内部粒子速度的分布情况示于图7，三种形状的吸头内部气体速度分布情况示于图8。结合图7a、图8a发现，当出、入口均为椭圆形时，吸尘装置内部粉尘颗粒的速度较小，仅为1.03 m/s，且颗粒速度随着高度的升高逐渐减小，而吸头内部气体速度分布呈现由低到高逐渐增大的趋势，吸头入口附近的速度较低，吸尘效果不理想。结合7b、图8b发现，当采用入口为椭圆形设计、出口为圆形时，吸尘装置内部固体颗粒的速度显著增大，最大速度达到3.17 m/s，装置内部气体速度也较大。从粒子的速度分布情况可以推断，采用这种结构形式的吸头，固体粒子吸入储尘仓的效率较低，多数粒子集中分布在吸头内部，虽然这种结构形式粒子运动速度有所提高，但吸尘效果并未明显提高。结合图7c、图8c发现，当采用扁平入口、圆形出口的吸头时，吸头内部粒子的运动速度明显提高，最大速度达到3.59 m/s，并且大部分粒子均能通过吸头进入储尘仓。从吸头内部空气的速度分布来看，吸头前端空气速度已达到固体颗粒启动的速度，并且大部分固体颗粒都可以通过吸头进入储尘仓。对比三种布置形式发现，采用扁平入口、圆形出口的布置形式可以实现最高效率吸尘。

a——出入口均为椭圆形；b——椭圆形入口、圆形出口；c——扁平入口、圆形出口图7 固体颗粒速度分布Fig.7 Solid particle velocity distribution

a——出入口均为椭圆形；b——椭圆形入口、圆形出口；c——扁平入口、圆形出口图8 腔内气体速度分布Fig.8 Gas velocity distribution in cavity

3.3 破碎装置受力零部件强度校核

破碎装置支撑杆采用铝合金材质(牌号2A90)，其弹性模量为71 GPa，抗拉强度为280 MPa。支撑杆主要用于承受破碎装置自重及工作过程中的附加载荷，为保证破碎装置正常运行，需要确保支撑杆在最大负荷条件下工作不产生较大变形及破坏。破碎装置自重及其工作过程中的最大载荷不超过400 N，有限元仿真结果示于图9。在最大拉力400 N的作用下，拉杆产生的形变量非常小，仅为0.038 mm，且变形主要集中在支撑杆的下端，对结构稳定性不会造成任何影响。同时，支撑杆内部的最大应力仅为69.39 MPa，远低于该种材料的强度极限，能够承受工作时的载荷要求。

旋耕刀拟采用锰钢材料加工，其硬度较大，强度高。为确保旋耕刀在碎土过程中强度满足设计要求，对其耕作过程进行仿真计算，以确保工作过程中旋耕刀不会出现较大形变，亦不会发生因应力集中而产生的结构破坏。旋耕刀在碎土过程中，为确保碎土效果，刀头要承受较大阻力，根据上述分析，旋耕刀最大受力取值350 N。通过仿真计算发现，在此工作载荷下，旋耕刀刀头的形变量极小，仅为0.40 mm，同时，刀头附近的最大应力为175.88 MPa，远低于该种材料的许用载荷(图10)。因此，选用此种刀头可以保证在此工况下的强度要求。

a——变形；b——应力图9 破碎支撑杆云图Fig.9 Cloud diagram of broken support rod

a——变形；b——应力图10 旋耕刀云图Fig.10 Cloud diagram of rotary blade

4 小结

在移动底盘、盐饼破碎装置、机械铲斗、卷扬系统的组合作业下，实现了盐饼层盐土的回取工作。此过程的关键是破碎装置的可靠性，通过对旋耕刀的受力仿真分析，得到旋耕刀最大受力、平均受力与时间的变化关系，确定了作业中最大受力值330 N，并保守选取350 N作为最大受力值对拟采用的锰钢材质旋耕刀进行强度校核，对拟采用的铝合金破碎装置支撑杆进行强度校核，分别验证选材的可靠性。

在移动底盘、底泥清扫装置、吸尘装置、卷扬系统的组合作业下，实现了顽固底泥的回取工作。实现此过程的关键是将碎土颗粒、粉尘高效吸入储尘仓。为此，对不同吸口形状、吸力进行了仿真探索，得到了不同吸口形状下，颗粒、气体流速的分布图，确定最佳的吸尘口形状；分别选取4、19、30 kPa对不同吸力情况下的颗粒、气体速度的分布情况进行了仿真对比分析，结果显示，真空泵的吸力不宜太低，也不宜太高，太低会导致吸力不足以将粉尘颗粒吸入储尘仓，吸力太高会导致流速过大，一定比例颗粒溢出的情况，同时也造成能源浪费，提高成本。因此选用约19 kPa的真空泵为最佳。

该工作针对干燥的顽固放射性沉积物设计了回取装置，通过对各部件的受力分析，强度校核及吸尘装置的选型分析，得到各关键零部件的最佳选型结果。研究成果可为国内外相关放射性废液贮罐底部沉积物的回取工作提供参考和借鉴。