高完整性容器HIC封蓋工藝應(yīng)用探討

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

隨著核電站的運(yùn)行，將不可避免地產(chǎn)生一定量的放射性廢物，其中液態(tài)的廢物(蒸殘液和廢樹脂)占了相當(dāng)大的比例，這些廢物必須進(jìn)行必要的處理，使之形成均一、穩(wěn)定的固體廢物包，以滿足臨時(shí)貯存和外運(yùn)要求。臨時(shí)貯存的廢物包(如：200 L桶)在送到處置場(chǎng)之前需要進(jìn)行二次包裝，包裝容器為混凝土高完整性容器(以下簡(jiǎn)稱“HIC”)。為了保證二次包裝后的廢物包的安全性能[1]，需要通過HIC封蓋設(shè)備將密封材料(水泥砂漿)注入HIC容器和200 L鋼桶之間及HIC容器桶體與蓋板之間的環(huán)形空間。經(jīng)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，固化后的密封材料將HIC容器、200 L鋼桶和蓋板粘結(jié)為一體，形成滿足外運(yùn)處置要求的混凝土高完整性容器廢物包。

1 HIC封蓋工藝介紹

工藝流程

田灣核電站T4UKT采用的HIC容器(見圖1)有效容積為300 L，每個(gè)HIC容器能夠盛裝1個(gè)200 L鋼桶[2](見圖2)。裝有廢樹脂、蒸殘液干燥壓實(shí)餅的200 L鋼桶在送往最終處置場(chǎng)前，需裝入HIC容器內(nèi)。

圖1 HIC容器Fig.1 HIC container

圖2 200 L鋼桶Fig.2 Steel drum 200 L

HIC容器(含蓋板)經(jīng)廠房設(shè)置的數(shù)控起重機(jī)運(yùn)至HIC封蓋設(shè)備接收位置，通過HIC取封蓋裝置將HIC蓋板打開，再通過另一臺(tái)數(shù)控起重機(jī)將200 L鋼桶吊入HIC容器內(nèi)后將蓋板復(fù)位，通過HIC封蓋設(shè)備將配置好的密封材料注入HIC容器桶與蓋板之間的環(huán)形空間。灌注封蓋完畢后，HIC廢物包被吊至HIC廢物包暫存區(qū)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。工藝流程示意圖如圖3所示。

圖3 HIC封蓋操作工藝流程示意圖Fig.3 HIC capping operation process

HIC封蓋設(shè)備主要由密封材料配置單元、密封材料灌注單元、HIC取封蓋單元和清洗水回用循環(huán)單元組成。主要設(shè)備性能及運(yùn)行特性[3]如表1所示。

表1 主要設(shè)備一覽表Table 1 Main equipment

(1)密封材料配置單元

密封材料配制單元包括料倉(cāng)(帶除塵)、螺旋輸送機(jī)、水計(jì)量倉(cāng)、砂計(jì)量倉(cāng)、水泥計(jì)量倉(cāng)、攪拌機(jī)等，用于配置密封材料。密封材料主要由硅酸鹽水泥、硅微粉、粗石英砂和細(xì)石英砂等4種原材料組成，并分別設(shè)置了料倉(cāng)，料倉(cāng)上配有開袋裝置和除塵裝置，確保人工上料時(shí)能夠方便、快速地將原材料投入料倉(cāng)，并避免揚(yáng)塵。

每個(gè)料倉(cāng)配有一個(gè)螺旋輸送機(jī)，用于將原材料輸送至計(jì)量倉(cāng)，其中硅酸鹽水泥和硅微粉共用一個(gè)計(jì)量倉(cāng)，粗石英砂和細(xì)石英砂共用一個(gè)計(jì)量倉(cāng)。共用的計(jì)量倉(cāng)采用增法計(jì)量。硅酸鹽水泥和硅微粉計(jì)量倉(cāng)采用氣動(dòng)蝶閥控制下料，粗石英砂和細(xì)石英砂計(jì)量倉(cāng)采用電動(dòng)卸料裝置下料。還設(shè)有一個(gè)水計(jì)量倉(cāng)，水計(jì)量倉(cāng)的出口配有增壓泵，用于快速地將拌合用水添加至攪拌容器。

除硅酸鹽水泥、硅微粉、粗石英砂和細(xì)石英砂等4種大劑量的原材料外，其他的少量添加劑采用人工投加至攪拌容器，其中固體原材料通過攪拌容器的加料口添加，液體原材料投入至水計(jì)量倉(cāng)后與水一起添加。攪拌機(jī)每次攪拌出來的砂漿最大量為300 L，可滿足3個(gè)HIC封蓋用量，也可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)1～3個(gè)HIC封蓋用量的配置量。密封材料配置單元如圖4所示。

圖4 密封材料配置單元Fig.4 Sealing material configuration unit

(2)密封材料灌注單元

密封材料灌注單元包括砂漿泵、流量計(jì)、灌注頭等。密封材料配制單元將攪拌好的砂漿注入至砂漿泵的料斗后，開啟砂漿泵，密封材料通過灌注頭注入至HIC容器與蓋板之間的環(huán)形空間或200 L鋼桶與HIC容器的縫隙，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的累計(jì)流量時(shí)，砂漿泵停機(jī)，以防止因流量過大而導(dǎo)致密封材料溢出HIC容器。

當(dāng)灌注操作完成后，向料斗內(nèi)注入清洗水，砂漿泵開啟清洗管道和灌注頭，清洗完成后，開啟氣動(dòng)排污閥，料斗內(nèi)殘余的廢水排放至沉降池。密封材料灌注單元如圖5所示。灌注后的HIC容器如圖6所示。

圖5 密封材料灌注管線和灌注頭Fig.5 Sealing material filling line and filling head

圖6 灌注后的HIC容器Fig.6 HIC container after filling sealing materials

(3)HIC取封蓋單元

取封蓋單元包括蓋板架、蓋板抓具、抓具回轉(zhuǎn)裝置、抓具升降裝置、灌注頭回轉(zhuǎn)裝置、HIC回轉(zhuǎn)裝置、HIC容器接收平臺(tái)、廢液收集裝置等。

HIC容器接收平臺(tái)用于接收起重機(jī)吊運(yùn)過來的HIC容器，并將HIC容器對(duì)中，HIC容器接收平臺(tái)安裝在回轉(zhuǎn)支承上，具有旋轉(zhuǎn)功能，便于灌注頭準(zhǔn)確找到HIC容器上的澆注口。

HIC容器就位后，抓具回轉(zhuǎn)裝置將蓋板抓具旋轉(zhuǎn)至HIC容器上方，抓具升降裝置控制蓋板裝置伸入至HIC容器蓋板的環(huán)形空間處，蓋板抓具上的三爪卡盤收緊，控制抓爪抓住蓋板。抓起蓋板后，抓具復(fù)位至蓋板架的上方。

蓋板取走后，起重機(jī)將200 L鋼桶吊入至HIC容器內(nèi)，就位后將蓋板移回蓋好。然后灌注頭回轉(zhuǎn)裝置將灌注頭旋轉(zhuǎn)至HIC容器上方，控制HIC容器旋轉(zhuǎn)使?jié)沧⒖趯?duì)準(zhǔn)灌注頭的出料口，對(duì)準(zhǔn)后進(jìn)行200 L鋼桶固定的灌注操作。當(dāng)灌注到環(huán)形腔與蓋板的接觸界面時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)灌注，直至灌注面與蓋板面平齊。當(dāng)灌注完成后，灌注頭復(fù)位。HIC取封蓋單元如圖7所示。

圖7 HIC取封蓋單元Fig.7 HIC decapping unit

(4)清洗水回用循環(huán)單元

為節(jié)約清洗用水，設(shè)置了清洗水回用循環(huán)單元。清洗水回用循環(huán)單元包括清洗水循環(huán)泵、管道、閥門等。所有灌注操作完成后，清洗攪拌機(jī)、灌注管道和灌注頭，清洗的廢水通過廢液收集裝置流入至沉降池。需要用水時(shí)，清洗水循環(huán)泵將沉降池中經(jīng)過沉降處理的水抽出，經(jīng)過Y型過濾器過濾后輸送到用水設(shè)備中以達(dá)到水循環(huán)利用的目的。每次清洗產(chǎn)生的廢液量不大于0.1 m3。

2 需關(guān)注的技術(shù)問題

2.1 鋼桶漂浮

在灌注密封材料的過程中，因浮力過大使得200 L鋼桶在HIC容器內(nèi)漂浮。通常情況下，200 L廢物包的重量在200 kg到300 kg(取決于內(nèi)容物是廢樹脂還是蒸殘液)，但經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得鋼桶及內(nèi)容物總重至少在520 kg才不至漂浮。因此，一次灌注的方法肯定不能使鋼桶穩(wěn)定地固定住。為了避免鋼桶漂浮，可以采用兩次灌注的方式來解決。第一次灌注高度500 mm(約為HIC容器的1/2高度)，待養(yǎng)護(hù)固定鋼桶后再進(jìn)行第二次灌注。兩次灌漿的操作工藝有利于密封材料的充分流動(dòng)、填充鋼桶底部與HIC容器之間的間隙，更重要的是能固定住鋼桶，確保鋼桶在第二次灌注時(shí)鋼桶不漂浮。由此可見，鋼桶漂浮問題應(yīng)在灌注過程中給予重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 密封材料配方

密封材料配方會(huì)直接影響廢物包的物理性能、機(jī)械性能以及化學(xué)性能[4]等。采用合適的配方，密封材料具有良好的流動(dòng)性，固化體具有良好的強(qiáng)度和耐久性；采用不恰當(dāng)?shù)呐浞?，密封材料體積穩(wěn)定性差，在養(yǎng)護(hù)過程及HIC廢物包存放期間，密封結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)裂紋、空洞，與HIC容器及蓋板之間出現(xiàn)脫離、分層現(xiàn)象，還可能造成HIC封蓋設(shè)備密封材料輸送管道堵塞。因此，必須重視密封材料配方的研制。

2.3 灌漿密封面沉降

灌注完成后，在HIC養(yǎng)護(hù)過程中可能會(huì)出現(xiàn)灌漿密封面沉降的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因一方面是由于鋼桶底部存在一定的空隙，水泥砂漿流動(dòng)緩慢導(dǎo)致HIC廢物包在養(yǎng)護(hù)階段灌漿密封面下沉；另一方面在灌注的過程中會(huì)有氣泡產(chǎn)生，氣泡排出速度較慢，在養(yǎng)護(hù)階段氣泡逐漸排出后造成灌漿密封面下降。密封面的沉降對(duì)灌漿后HIC容器的物理性能、機(jī)械性能有非常不利的影響。因此無論哪種原因，灌漿密封面沉降都要給予妥善解決。針對(duì)上面的問題，可以采用兩次或多次的灌注方式澆筑密封材料，使密封材料能夠充分填充鋼桶底部間隙，待密封材料固化后再進(jìn)行下一次灌注；也可以在HIC容器接收平臺(tái)底部增加振動(dòng)裝置，在灌注后振動(dòng)HIC容器，加速密封材料中氣泡的快速排出。

3 模擬試驗(yàn)

HIC封蓋設(shè)備進(jìn)行了多次聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和模擬封蓋試驗(yàn)，并對(duì)HIC廢物包封蓋后的質(zhì)量性能進(jìn)行了驗(yàn)證，分別進(jìn)行了跌落試驗(yàn)和剖切試驗(yàn)。

(1)跌落試驗(yàn)

HIC廢物包做了2組頂部45°角和底部45°角跌落試驗(yàn)[5](如圖8所示)，HIC從1.2 m處自由墜落，撞擊地面上放置40 mm厚的鋼板。試驗(yàn)結(jié)果顯示蓋板沒有脫離桶體，HIC容器與蓋板之間的環(huán)形密封處無裂紋，內(nèi)容物無散落，僅撞擊處表面發(fā)生局部破損，滿足GB 36900.2—2018《低、中水平放射性廢物高完整性容器—混凝土容器》的要求。

圖8 HIC跌落試驗(yàn)Fig.8 Drop test of HIC

(2)剖切試驗(yàn)

封蓋后的HIC做了縱向剖切試驗(yàn)(如圖9所示)。剖切試驗(yàn)旨在檢驗(yàn)水泥砂漿是否完全填滿HIC廢物包的間隙，固化體中是否存在較大的空洞。試驗(yàn)結(jié)果顯示密封材料在桶內(nèi)流動(dòng)良好，僅有少量直徑較小(<2 mm)的氣孔均勻分散在密封材料中，滿足技術(shù)要求。

圖9 HIC剖切試驗(yàn)Fig.9 Incision test of HIC

4 結(jié)束語

HIC封蓋工藝系統(tǒng)中的設(shè)備都是技術(shù)成熟、可靠的產(chǎn)品，但把這些設(shè)備組合起來進(jìn)行HIC封蓋的工程應(yīng)用在國(guó)內(nèi)尚屬首次，缺少實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在一些技術(shù)方面值得進(jìn)一步研究和探討。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，國(guó)內(nèi)一些核電站已經(jīng)成功引入廢樹脂熱態(tài)超壓技術(shù)和蒸殘液蒸干壓實(shí)工藝處理放射性廢物，并被越來越多的核電站所采用，其產(chǎn)生廢物包(廢樹脂、蒸殘液)外運(yùn)前必須裝入HIC進(jìn)行二次包裝。因此，HIC封蓋工藝必將成為廢物包外運(yùn)前的一項(xiàng)重要工藝；同時(shí)，其在田灣核電站的成功應(yīng)用具有很強(qiáng)的示范作用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該工藝上的空白，為后續(xù)HIC封蓋工藝進(jìn)一步優(yōu)化提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。