核化工设备/搅拌混合器结构优化改进及系统设计

2023-09-20杨秀英宋红攀夏国正闫志男徐仲斌

粘接 2023年9期

杨秀英,宋红攀,夏国正,闫志男,徐仲斌

(中国核电工程有限公司,北京 100840)

桶外搅拌混合器(以下简称搅拌器)是桶外水泥固化处理低、中放射性废液的关键核化工设备,其功能是将水泥、干粉与废液在搅拌器内充分搅拌,然后把达到要求后的水泥浆排入固化桶[1]。搅拌器运行过程中,内壁、搅拌桨、下料口等部位不可避免的存在不同程度的水泥沾污,经清洗去污后搅拌器应可重复使用,从而避免严重水泥沾污导致的设备报废、生产线停产检修等严重后果。搅拌器结构示意图,如图1所示。

图1 搅拌器结构示意图

针对搅拌器的水泥沾污问题,在桶外搅拌混合器基础上设计一套适应放射性使用环境的清洗系统,以期保证搅拌器的清洗效果,确保设备可长期连续运行,并尽可能的减少清洗水的用量。

1 基于搅拌器的清洗方案设计

搅拌器在放射性环境中工作,为搅拌桨底出轴的圆柱形不锈钢容器,下料口为侧出形式,采用活塞封堵[2]。基于此,提出如下方案设计。

1.1 原理方案设计

水泥固化后的硬度与水泥牌号及物料有关,一般可达到30～60 MPa,常用的冲洗、浸泡等手段不再满足需求。自1994年,首次将高压水射流技术应用于反应堆退役领域,并根据工程的需要,先后进行了工艺运输水池、工艺房间、密闭水池、箱井水斗和一些特殊设备的高压水射流清洗去污技术研究,高压水在核领域的应运日渐成熟[3-4]。为达到清洗效果,并实现减少水量的需求,优选高压水清洗。

对于硬化的水泥,主要是以渗透为主的破碎过程,当射流压力大于结垢层的附着力,垢层颗粒便从基体剥离开;对于还未硬化的水泥,清洗过程主要是以压缩和剪切为主的过程[5-6];对于非渗透软垢层,15 MPa左右高压水射流作用下,垢层通常可以被迅速去除。

在理想状态下,连续水射流垂直冲击物体时,流体从冲击中心向四周均匀辐射,射流作用区域半径与射流半径成正比[7],射流冲击物体作用半径约为射流自身半径的2.6倍。根据搅拌器半径及该比例关系,可计算喷头下降速度,使清洗水全面覆盖搅拌器筒体内壁,保证清洗效果。

高压水射流对物体的最大作用力位置是在距离喷嘴一定距离处,对此,一般认为这是因为喷嘴出口处射流较紧密,冲击后沿物体表面流出,打击力大小有限;当靶距增大,射流扩散,冲击物体后引起大量液体返溅,会增大对物体的打击力;但随靶距继续增大,射流速度会降低,打击力也不断减小[8]。理论计算并通过试验验证、调整,选取最佳清洗参数,可有效减少清洗水量。

水泥沾污的主要部位为靠近设备底部的搅拌桨、下料口及整个筒体内壁。为防止搅拌过程中清洗喷头被水泥污染、堵塞,并保证清洗水对筒体内壁的全方位覆盖,清洗喷头为可移动式清洗喷头。

搅拌器各个部位的使用要求不同,对设备的影响程度不同,则清洗周期也不同:搅拌桨为动部件,沾污情况不严重,只在停机时清洗;内壁面积较大,为防止水泥固化后重复结痂,需周期定时清洗[9];下料口处有密封要求,每次下料结束均需要清洗。清洗方式:搅拌桨主要清洗桨中心位置,需要朝下的定向喷头;内壁清洗需要水平方向旋转喷射的喷头[10];下料口清洗需要斜向的定向喷头。由于清洗周期和清洗方式不一致,本着采取较少冲洗次数,单次冲洗彻底,减少总用水量的设计原则,清洗系统采用3个独立的清洗单元,分别对搅拌器搅拌桨、内壁、下料口进行清洗,如图2所示。

综上,基于搅拌器的清洗系统为具备3个独立清洗单元的可移动式高压水清洗系统。

1.2 布置方案设计

高压水清洗系统包括高压水模块和执行机构两部分。高压水模块主要功能是为系统输出符合要求的高压水,主要包含高压泵机组、控制系统[11],一般设置于橙区或者绿区;清洗执行机构负责完成清洗活动,包括驱动电机、喷头、电动导轨、导轨支撑及密封件等;两部分通过高压管连接。

清洗系统对搅拌器内部结构进行清洗,清洗区域为放射性环境(红区),对引进设备的使用寿命和人员进入检修均有一定的影响和限制[12-13],所以对清洗系统的布置有较高要求。

为保证检修方便,提高电气元器件的使用寿命,核化工设备的布置原则是把尽可能多的执行机构元件布置在红区外。通过在搅拌器上方设置屏蔽盖板的方式,降低盖板外侧放射性水平,实现分区。将喷头与其他执行机构分别设置在屏蔽盖板两侧,用高压水硬管将二者连接。电机驱动硬管带动喷头进行上下往复运动,保证清洗功能实现。屏蔽盖板设置屏蔽塞,当喷头检维修时,打开屏蔽塞,将喷头取出红区进行操作;当其他执行机构元件检修时,由于其位于屏蔽盖板外侧(非红区),人员可直接进入操作;布置方案如图3所示。

图3 布置方案示意图

2 清洗系统设备设计

2.1 高压水模块设计

高压水模块主要由驱动电机、柱塞泵、联轴器、高压水管路通断阀、低压供水系统和底盘系统等组成;高压水模块示意图,如图4所示。

清洗系统经过反复试验确认合适的参数后,可对设备进行全自动清洗。但不排除特殊情况下需要手动清洗。因此高压水模块应保证相关参数可调,并反应精准。

(1)驱动电机:采用变频步进电机,使机械自动化程度和生产效率大为提高、节约能源,同时具备无级调速、调速范围宽等特点;

(2)高压水管路通断阀:能够实现管路带压通断,减少开关机等待升压和降压时间段非必要清洗用水的浪费。通过阀门以及水泵的控制,压力从0升到清洗指定压力只需要2 s,也可以在同样的时间内实现降压。

2.2 执行机构设计

清洗桶壁、搅拌桨和下料口的执行机构相对独立,均布置在屏蔽板外侧,放射性水平较低。因此均考虑采用电动导轨对喷头进行驱动,该结构简单可靠,维修方便。此外,由于执行机构跨区运行,自清洁及密封设计尤为重要。

2.2.1清洗桶壁及搅拌桨的执行机构

清洗桶壁和搅拌桨的执行机构根据清洗需求,设置在上封头处,由伺服电机、电动导轨、导轨支架、喷头1、喷头2、硬管1、硬管2、高压软管、硬管与人孔盖密封等部件组成。硬管1与喷头1通过螺纹连接,由伺服电机带动其在电动导轨上由顶盖下移,同时喷头自旋转,形成螺旋型轨迹,保证清洗水对桶壁全方位覆盖;硬管2与喷头2通过螺纹连接,由伺服电机带动至接近搅拌桨中心的特定位置,完成对搅拌桨的定向冲洗;导轨支架为电动导轨及伺服电机提供支撑。清洗桶壁及搅拌桨的执行机构如图5所示。

图5 清洗桶壁及搅拌桨的执行机构

(1)高压硬管:高压硬杆采用厚壁精加工不锈钢材质,提高清洗系统的可靠性。硬管与喷头螺纹连接,另附加安全扣,防止螺纹松动、喷头掉落;

(2)硬管密封:硬管与人孔盖间有滑动轴承,由PVDF材质的密封圈和防尘圈组成,使用快拆螺钉固定于人孔盖上。滑动轴承起导向作用,PVDF和防尘圈密封热室与外界环境;

(3)孔盖密封及喷头自清洁:除硬管处密封,人孔盖法兰间采用密封垫需要维护喷头喷嘴时,打开人孔法兰上的快拆螺栓即可取出。人孔直径较大,喷头通过反射水流自清洗。

2.2.2下料口清洗的执行机构

清洗下料口密封面的执行机构在下料口的正上方,由伺服电机、电动导轨、导轨支撑、喷头3、硬管3及高压软管等部件组成,硬管3与喷头3通过螺纹连接,由伺服电机带动至接近下料口的特定位置,对下料口密封面进行清洗[14-15];具体如图6所示。为防止水泥通过出料清洗口溢出,污染喷头,特设计人孔延长结构。人孔延长结构直径大,反射水量大,喷头自清洗效果佳。

图6 下料口密封面清洗执行机构

喷头3使用混凝土清洗专用喷头,且与喷嘴采用螺纹连接,更换简单;可以通过压力与流量参数调整,适应不同的清洗状况。

2.2.3执行机构悬臂喷杆强度校核

在执行机构中,清洗喷头与竖直方向成一定的角度,高压水的反作用力分力垂直作用在悬臂喷杆上。由于高压水压力较大,需要校核悬臂喷杆的强度。

受力模型:一端固定,一端自由。

式中:F为喷头作用力,N;l为悬臂杆长度,mm;E为杆弹性模量,GPa;I为杆的惯性矩,mm4;d为悬臂杆直径,mm。

2.3 管路设计

高压水主管道根据距离选择管路类型。硬管寿命长,适合长距离输送,但安装所用转接和弯头较多,压损较大;软管安装方便,短距离可以使用软管,无需转接。输送距离小于30 m建议使用金属软管连接,大于30 m使用定制不锈钢无缝管。移动连接部分采用高压软管。主管道3条,通过分配器连接清洗搅拌器桶壁喷头1、搅拌桨喷头2及下料口密封面清洗喷头 3。3根管道均有气动切断阀单独控制每条管路通断。软管外套专用硬管防护,提高安全性。阀门设置在热室外,方便检修。由于3个喷头清洗不同步,热室外设置3个切断式阀门。需要清洗工作时,待系统压力升压稳定后开启切断阀;清洗结束关闭切断阀,溢流式阀门打开,管路泄压[16]。

高压水模块可根据试验输入的压力数据自动调整,如单独启动其中一个喷头,溢流阀压力按输入值自动调整。

2.3.1流量监测

为确保数据系统流量监测准确,采用液位监测和数据计算2种方案。

(1)液位监测法:通过监测供水箱液位变化进行测算。系统启动后,液位计监测初始液位和终止液位数据,得出水箱液位的高度变化△h,已知水箱底面积及管路截面积之和S,计算出此次清洗作业的用水量(Q):Q=S×△h;

(2)数据计算法:水箱安装液位传感器,根据喷头喷嘴直径和工作压力计算得出流量:

式中:D为喷嘴直径,mm;Q为额定流量, L/min;n为喷嘴个数;P为额定压力,MPa。

2.3.2易损件快速检修结构设计

核化工设备工作环境中放射性水平较高,不宜人员直接进入检修。因此,热室内的易损件快速检修结构是本方案设计中必不可少的一部分。热室内的易损件主要包括喷头、喷嘴。喷嘴与喷头采用NPT形式螺纹连接,提高密封和防松性能[17],减少检修次数,且更换操作简易;喷头与硬管采用反螺纹方式连接,喷头旋转方向与螺纹方向相反,防止螺纹松动,增加结构可靠性;导轨支架与人孔、导轨、滑块等部位和更换喷头、喷嘴相关,用快拆螺钉代替普通螺钉连接,方便拆装。