一種乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器屏蔽層澆鑄方案

褚長海

(上海阿波羅機(jī)械股份有限公司，上海 201499)

乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器用于安全運(yùn)輸乏燃料組件。主要由容器內(nèi)筒體、外筒體、上法蘭、下法蘭等組成，主材為奧氏體不銹鋼。容器本體通過內(nèi)筒體、外筒體，底部鍛件和頂部鍛件，形成一個(gè)環(huán)形腔體，腔體內(nèi)澆鑄屏蔽材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料的γ射線屏蔽功能。容器簡圖如圖1所示。

圖1 容器簡圖Fig.1 Vessel sketch

在最終確定澆鑄工藝方案前，我們?cè)囼?yàn)了多種解決方案，有些方案內(nèi)筒體和外筒的溫度梯度較高，有些方案的屏蔽層缺陷率較高，屏蔽體的補(bǔ)縮效果較差，同時(shí)冷卻的過程中產(chǎn)生的水汽會(huì)影響加熱效果，不便于澆鑄冒口的操作和觀測(cè)。為保證產(chǎn)品澆鑄一次成功，吸取國內(nèi)、外成功的經(jīng)驗(yàn)案例，總結(jié)澆鑄試驗(yàn)件的經(jīng)驗(yàn)，通過試驗(yàn)件總結(jié)得出對(duì)于產(chǎn)品澆鑄過程適用的數(shù)據(jù)，對(duì)澆鑄方案進(jìn)行各方綜合評(píng)估，確定產(chǎn)品的最終澆鑄工藝方案，以確保乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)容器澆鑄的一次滿足要求。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終本文方案為較優(yōu)的解決方案。

1 屏蔽層澆鑄

1.1 容器和澆鑄層結(jié)構(gòu)1.2 澆鑄過程

屏蔽材料介質(zhì)易氧化，熱態(tài)和冷態(tài)的下的密度差，在澆鑄過程中除易產(chǎn)生氣孔、澆鑄時(shí)噴射在內(nèi)外筒體上的氧化物，還有因冷卻收縮產(chǎn)生的空隙。澆鑄過程中，熔融狀態(tài)的屏蔽體從底部鍛件向上逐漸填滿容器腔體，屏蔽流體需提前加熱至熔融狀態(tài)通過澆鑄管道伸進(jìn)腔體底部。過程通過對(duì)溫度的精細(xì)化控制，降低屏蔽體與容器本體的溫度梯度和熱沖擊，對(duì)容器行預(yù)熱，然后通過逐層冷卻的方式來避免屏蔽層出現(xiàn)溫度快速變化和屏蔽材料介質(zhì)特性而產(chǎn)生的氣孔、盡量將間隙降低到最小。

2 工藝

2.1 工藝方案

加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)、外筒體及澆鑄腔體加熱，達(dá)到澆鑄工藝方案中溫度的要求。

冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)容器本體和屏蔽體層的逐層冷卻，使下部屏蔽體液逐漸冷卻，上部液態(tài)屏蔽體液及時(shí)向下補(bǔ)縮，保證屏蔽體層的質(zhì)量。

屏蔽體熔化加熱系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)屏蔽體塊的熔化和保證工藝要求的灌裝溫度，吸屏蔽體泵及管道系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)屏蔽體液一次性灌入澆鑄腔內(nèi)。

溫度測(cè)量系統(tǒng)是通過布置在容器各部位的熱電偶，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)的溫度測(cè)量、記錄和控制，滿足澆鑄工藝中對(duì)溫度的要求。

排煙除塵系統(tǒng)是將屏蔽體熔化、加熱過程產(chǎn)生的屏蔽體煙及有害氣體吸收凈化。

輔助系統(tǒng)是保證澆鑄系統(tǒng)設(shè)備各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。布置簡圖如圖2所示。

圖2 澆鑄布置簡圖Fig.2 Casting layout Sketch

澆鑄采用天然氣紅外加熱熔化屏蔽體，液態(tài)屏蔽體由屏蔽體泵從熔屏蔽體爐底部通過進(jìn)料管道導(dǎo)入澆鑄口的澆鑄杯中，澆鑄口延伸到澆鑄腔體底部，距離腔體底面200 mm。外部繼續(xù)加熱保溫，澆鑄時(shí)，加熱全部停止。當(dāng)液位達(dá)到300～400 mm時(shí)，開啟冷卻管；冷卻系統(tǒng)隨著屏蔽體液的升高而逐層開啟，保證冷卻系統(tǒng)逐層冷卻但不超過屏蔽體液高度，從而達(dá)到屏蔽體液凝固要求。

2.2 澆鑄前的安裝準(zhǔn)備工作

對(duì)屏蔽體的表面逐塊檢查清潔度，不得有灰塵、泥土、油污等污物。若屏蔽體表面存在污物，應(yīng)用壓縮空氣或者氮?dú)膺M(jìn)行吹掃。若屏蔽體錠表面存有油污，則用丙酮擦洗。保證屏蔽體錠表面干燥無水汽。安裝設(shè)備和支撐，安裝熱電偶固定裝置。熔爐裝置如圖3所示。

圖3 屏蔽體熔爐裝置圖Fig.3 Shield Melting pot

筒體內(nèi)部采用工裝支撐板，對(duì)內(nèi)筒體既起到支撐作用，同時(shí)也可以增強(qiáng)冷卻效果，減少溫度的過快上升產(chǎn)生的熱沖擊。

內(nèi)部支撐工裝與冷卻水管按一定的間距布置，同外部的熱電偶形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備長度方向上的溫度精準(zhǔn)控制。

容器安裝就位，安裝熱電偶，安裝加熱系統(tǒng)。連接相關(guān)的管線及水、電、氣管線，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試。安裝固定熱電偶時(shí)，在每一路熱電偶的兩端用金屬標(biāo)牌標(biāo)記，熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線兩端使用紙質(zhì)標(biāo)號(hào)牌。標(biāo)號(hào)牌的標(biāo)號(hào)按內(nèi)外筒體熱電偶展開圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)制作，標(biāo)號(hào)牌應(yīng)牢固可靠，不允許脫落。每一路熱電偶上都多處標(biāo)記。

安裝完成后，統(tǒng)一將熱電偶、加熱片連接線接入DCS控制柜和電加熱片控制柜，接線后對(duì)各個(gè)線路進(jìn)行調(diào)試，保證每個(gè)線路均聯(lián)通無故障。

澆鑄管道上面布置加熱裝置，能夠?qū)茶T管道單獨(dú)加熱，保證加熱溫度在，達(dá)到溫度后，持續(xù)保溫，待所有設(shè)備的溫度均達(dá)到澆鑄要求時(shí)，開始澆鑄。

在對(duì)容器進(jìn)行加熱時(shí)，開啟通風(fēng)系統(tǒng)，供氧助燃。

屏蔽體液溫度滿足要求，容器外壁各點(diǎn)溫度滿足要求，澆鑄管道的溫度滿足要求。

管路提升系統(tǒng)已經(jīng)與屏蔽材料液體泵和澆鑄口連接完成。

加熱系統(tǒng)以及管路提升系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、回水系統(tǒng)檢查正常。起吊澆鑄管道用行車準(zhǔn)備就位。

2.3 澆鑄

當(dāng)上述條件均滿足時(shí)，開始澆鑄。

打開管道閥門和吸屏蔽體泵電源，將屏蔽材料液體通過管道導(dǎo)入澆鑄杯內(nèi)，由澆鑄杯向澆鑄腔體灌入屏蔽材料，記錄灌裝溫度和時(shí)間。

管路系統(tǒng)采用不銹鋼管和活節(jié)連接。行車的吊鏈套提升裝置行架上，待屏蔽體液澆鑄量達(dá)到澆鑄口底端時(shí)，行車開始起吊澆鑄管道，連同澆鑄口一起向上提起。此時(shí)，澆鑄人員需要注意澆鑄口，防止其出現(xiàn)劇烈竄動(dòng)，提升緩慢而均勻，盡量避免急突然停止、突然啟動(dòng)現(xiàn)象。觀察屏蔽體鍋內(nèi)的液面變化和冒口處屏蔽體液升高，等冒口處的屏蔽體接近指定標(biāo)線時(shí)，關(guān)閉吸屏蔽體泵電源，關(guān)閉閥門。加熱器抬升至冒口上端，開啟最下面兩側(cè)加熱模塊，對(duì)冒口實(shí)行保溫，使屏蔽體液進(jìn)一步補(bǔ)縮。

澆鑄過程中，澆鑄人員在冒口處觀察，屏蔽體液高度，確保提升澆鑄口時(shí)，澆鑄口底端在靠近液面或者剛進(jìn)入液面下。

澆鑄完成后，移開澆鑄口，拆卸澆鑄管道。

澆鑄材料保溫?cái)?shù)小時(shí)后，內(nèi)部加熱關(guān)閉，外部加熱系統(tǒng)提升，并在底部開啟冷卻，依次類推，由下至上逐漸關(guān)閉內(nèi)部加熱，并在外部繼續(xù)在同等高度位置進(jìn)行冷卻。當(dāng)接近頂部冒口時(shí)外部加熱保持繼續(xù)加熱，保證屏蔽層有足夠的補(bǔ)縮，整個(gè)過程需緩慢進(jìn)行，溫度的變化不應(yīng)超過設(shè)定值，溫度的變化應(yīng)緩慢平穩(wěn)，避免升溫或降溫速率過大，整個(gè)過程需耗時(shí)十幾個(gè)小時(shí)。加熱和冷卻過程如圖4所示。

圖4 加熱冷卻過程圖Fig.4 Heating and cooling process

2.4 澆鑄后的控制

監(jiān)控外筒體內(nèi)、外表面溫度，確保外筒體上部溫度不得低于下部溫度，溫差不低于設(shè)定值，否則應(yīng)開啟對(duì)應(yīng)區(qū)域的外部加熱系統(tǒng)。

提升高于冒口高度的外部加熱環(huán)可逐層向下關(guān)閉。隨時(shí)觀察冒口處屏蔽材料的狀態(tài)，保證其始終處于熔融狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化情況，可適當(dāng)調(diào)整冷卻水的流量和時(shí)間。我們選用特殊的噴頭，噴頭經(jīng)過試驗(yàn)，噴射角度和噴射高度均經(jīng)過試驗(yàn)，符合預(yù)設(shè)尺寸。全程的冷卻水量要求上層冷卻水管的流量比下層流量略低，通過流量和時(shí)間控制不同高度位置的溫度梯度。整個(gè)過程通過熱電偶反饋的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整來對(duì)實(shí)時(shí)的溫度進(jìn)行調(diào)整和控制。

待容器徹底冷卻到室溫后，按要求標(biāo)記位置，測(cè)量內(nèi)外筒體的尺寸、橢圓度并記錄。

3 結(jié)果與討論

通過本文的屏蔽材料澆鑄方案，在屏蔽檢測(cè)結(jié)果中，在均布在外筒體的150 mm×150 mm的網(wǎng)格，均布在容器上的1314個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位上，經(jīng)過修正計(jì)算，其中最大劑量當(dāng)量率為28.4 μSv/h，最小劑量當(dāng)量率為12.4 μSv/h。檢測(cè)結(jié)果中僅34個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)大于標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度的平均劑量當(dāng)量率，合格率超過97%。而且屏蔽層的厚度比較均勻，說明工藝方案可行，達(dá)到了預(yù)期的澆鑄效果。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 屏蔽檢測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.5 Shielding detection data

4 結(jié)束語

以上澆鑄工藝和專用工裝可以有效降低澆鑄過程中對(duì)筒體的熱沖擊，保障屏蔽體澆鑄層的厚度，同時(shí)不允許屏蔽材料存在氣孔、縮孔、夾雜等缺陷，保證了屏蔽檢測(cè)的合格率。