高放贮罐有机废物取样技术研究

唐明山

摘要：某高放贮罐内贮存废物成分复杂，放射性水平较高，且由于贮罐存在着严重的设计缺陷，超期服役多年，急需开展贮罐退役工作。本文对罐内贮存废物的现状进行了描述，对开展源项调查所需的样品指标进行了说明，针对贮罐特殊的环境状况及现场狭窄的操作空间，对贮罐的取样通道及辅助设施进行了整改，通过对罐内物项取样方案的设计研制了专用的取样装置，并开展了罐内物项现场取样工作，获取了罐内界面污物、中部液相及底部沉积物具有代表性的样品，为摸清罐内物项源项数据奠定了基础。

关键词：高放贮罐、源项调查、代表性样品、取样装置

1.前言

某高放贮罐已超期服役多年，罐内贮存物项复旨，放射性水平较高，且由于工艺系统与原厂房隔离，缺乏应急倒料手段，存在重大的安全隐患和环境风险，因此急需开展罐内物项倒出及处理处置技术研究。开展罐内物质处理处置技术研究，首先需要对罐内贮存物项进行源项调查，摸清罐内贮存的有机污物、液态废物、罐底沉积物的物理特性参数及主要放射性核素浓度，而源项调查工作的难点在于取样，如何开展贮罐内各类废物代表性样品的取样工作是源项调查的首要任务，取出的各类样品的代表性决定了源项调查的准确性。

    由于贮罐本身没有人孔，仅有仪表托盘上的备用仪表孔（实测Φ50-Φ55）能通入罐内，同时贮罐上方的操作间十分陕窄，取样空间受限，在这样的条件下要完成罐内各类放射性废物的取样工作很不容易，并且要求取出的样品具有一定的代表性则更加困难，本文根据样品的分析项目及所需样品的具体指标，对罐内几种物项取样方案进行了设计，研制了一套专用取样装置，通过对贮罐相关配套设施的现场整改，开展了罐内物项取样工作，获取了罐内各种物项具有代表性的样品，为准确分析罐内物项的源项数据奠定了基础。

2.贮罐现状

2.1  贮罐设备结构

该贮罐为不锈钢材质，置于圆形钢筋混凝土设备室内，设备室顶部有盖，设备室与大罐间夹层表面有不锈钢覆面，原贮罐顶部设置有操作间，但空间较狭窄，操作间内排风出口去主工艺厂房二区排风。

2.2  罐内物项性状

为了解贮罐有机污物的真实情况，前期开展了污物界面性状探测实验，通过内窥镜对罐内物项探测情况为，罐内表层为大块状漂浮物，连接不紧密，容易破碎；中部液相透明度较好，液相内部有较多颗粒细小的有机污物悬浮；贮罐底部为比重大于液相的有机沉积物，其块径小于顶层漂浮物，连接似更松散，形状更加不规则，有一定粘附性。

近期科研项目实施工作中又通过内窥镜对罐内物项进行第二次探测，探测结果发现，罐内物项情况和前期探测结果明显不同，界面污物整体呈扇形分布在罐内液面的局部区域，形状不规则，界面污物的量明显减少，而贮罐底部沉积物厚度比明显增加，并且底部沉积物密度也有所偏大。

3.样品分析内容及取样要求

本次源项调查需要研制专用取样工装，通过设计取样布点方案，对罐内界面漂浮物、中部液相及底部沉积物具有代表性的样品分别进行取样，样品指标根据样品的具体分析内容确定。样品分析内容见表3-1。

表3-1 样品检测项

样品名称	分析项目
	放射性核素分析项目	化学分析项目
上层界面污物	90Sr、137Cs、239+240Pu、241Am、 Σα、Σβ	比重、含水率
中间液相	90Sr、137Cs、239+240Pu、241Am、 Σα、Σβ	比重、含水率、盐分、 pH值、阴阳离子
底部沉积物	90Sr、137Cs、239+240Pu、241Am、 Σα、Σβ	比重、含水率

根据样品分析内容确定样品指标如下：

中部液相单次取样量：≥10 ml；

上层界面污物单次取样量：≥10g；

底部沉积物单次取样量：≥10g；

上层界面污物取样数量不少于9个，中部液相取样数量不少于6个，底部沉积物取样数量不少于9个；

4.贮罐现场整改

4.1工作间和气帐搭建

贮罐设备室顶部原操作间尺寸较小，除去两个仪表托盘及仪表罩所占面积，其内部空间十分陕窄，为满足罐内物项调查所需条件及退役实施工作需求，需拆除原操作间、在设备室项部搭建气帐并新建一个操作间。

4.2尾气系统整改

在开展贮罐设备室盖板开孔、贮罐顶部不锈钢罐体开孔、罐内物项取样、罐内样品接收转送等放射性作业过程中，贮罐内部、设备室及罐体上部临时搭建的气帐之间都需要短暂的连通作业，此时必需增大贮罐内呼排负压，确保气流走向正常。因此需增设一套呼排系统，利用贮罐上部两个仪表托盘上的备用仪表套管作为呼排通道，同时利用6个仪表套管分别碰管（Φ57）后连接在一根Φ219的呼排干管上，再经两级高效过滤器后连入新增排风机上，排风出口去后处理厂房二区排风干管。

4.3贮罐开孔

为了满足取样装置要求，需在设备室顶部开一个1000mm×1000mm的方孔，并在其下方贮罐项部开一个530mm×600mm的方孔。设备室开孔采用金刚石链锯切割，以顶板固定、钻孔、切割和吊装的方式，将混凝土块从上方取出。罐体开孔设计了轨道式切割辅助台架，将等离子切割工装固定在台架小车上，通过小车在滑动轨道上定向移动，实现远距离对不锈钢罐体的切割。开孔后采用专用的临时盖板对设备室各罐体进行封堵。

5.取样装置研制

为了满足罐内物项取样要求，需要研制一套专用取样装置，将取样器通过贮罐取样通道送至预定位置，然后进行取样。取样装置应满足罐内各种物项取样的操作功能、工作负载、工作空间、环境约束等要求，并能够进入罐内不同深度不同点位进行取样，具备远程可操作性、取样的可达性、安全性及可维修性等条件。取样器载带装置总图如下图5-1、图5-2，主要性能参数见表5-1。

     

图5-1取样装置设计结构图            图5-2取样装置现场图

（1吊车  2伸缩套筒  3机械动力臂）

表5-1 取样装置主要性能参数

序号	名称	参数	备注
1	取样装置	末端最大允许负载大于100kg；
		取样装置机械臂臂展大于3m；
		取样装置纵向可达的取样范围大于7m。
2	界面污物、沉积物取样头	单次取样量10g~20g。
3	罐内液相取样器	取样量范围：10ml~20ml。

5.1取样装置结构组成

取样装置主要由吊车系统、伸缩套筒系统、动力臂系统、沉积物取样头等模块组成。

5.1.1吊车系统

结合贮罐现场条件确定吊车系统各项性能参数。吊车系统解决了取样装置到达和离开开孔位置的问题，从而实现样品取样和样品转移至指定位置。

5.1.2伸缩套筒

伸缩套筒系统由多节伸缩套筒和上部旋转圆台组成，实现Z向移动和绕Z轴旋转运动。伸缩套筒由5级组成，其中1级固定，4级伸缩，套筒未伸展时，从轨道基面至套筒末端长度为3264mm，每节套筒伸缩长度在2164mm~2183mm。内部采用电力驱动的环链结构，下降依靠伸缩套筒和机械臂自重，其下端与机械臂基座连接。伸缩套筒系统解决了取样装置进入罐内纵向深度和载带动力臂横向覆盖的问题，实现取样装置进入罐内后能够到达指定深度和旋转至指定方向。

5.1.3机械臂

机械动力臂由底座、大臂、小臂、腕部和夹钳五个部分组成，平底座通过法兰与伸缩套筒第5级底部连接。机械动力臂有5个（含夹钳）运动自由度，采用液压驱动方式，供油系统安装于设备室盖板上方，油路通过伸缩套筒内部传递，动力臂各关节油路采用内嵌式布置。机械臂各关节连接处可拆，腕关节上设置了摄像机安装接口，用于安装摄像机和照明。机械臂示意图见图5-3。

5.1.4沉积物取样头

沉积物取样器由金属长杆、取样头及控制系统构成，采用气动方式控制，其中取样头长230mm，直径38mm，样品获取容器最大张角为60°，有效容积＞10cm3。取样头设计了外部密封碗，取样球被内部夹持碗夹持，密封于密封碗内，以保证取样球在进入沉积物前或从沉积物内取出过程，均不会被中部液相和界面污物污染。

5.2取样装置安装及验证试验

取样装置安装在贮罐上方新建气帐内。

取样装置安装完成后，先进行机械臂、伸缩套筒的动作、性能参数测试，测试完成后，再进行模拟取样验证实验，试验结果见表5-2、表5-3。

表5-2 性能测试结果

序号	测试内容	标准要求	测试结果
1	机械动力臂的伸展速度	0-2.5m/min	0-2.5m/min
2	机械动力臂的伸展长度	2500mm	2504mm
3	机械动力臂的旋转角度	360°	±280°
4	机械动力臂末端最大负载	>100Kg	116Kg
5	伸缩套筒旋转角度	±180°	±180°
6	伸缩套筒伸缩长度	8000mm	8400mm

表5-3 模拟取样验证试验结果

测试内容		测试指标	测试结果
模拟取样	是否满足取样范围	①机械臂水平范围4000mm内 ②竖直方向上下移动大于7000mm	①机械臂水平范围5000mm ②竖直方向上下移动7300mm
	是否满足抓取沉积物	单次取样大于10g	单次取样最少量为12.5g
	是否满足界面污物取样	单次取样大于10g	单次取样最少量为14.2g
	是否满足有机相抽吸取样	单次取样量在10ml~20ml范围内	单次取样量均在10ml~20ml内

经测试，取样装置均各项性能参数均满足设计要求。

6.取样实施

6.1取样工作方案

为保证罐内取样可达性、代表性，利用统计学取样方式，对三层不同的物项分别进行取样，对分布不均匀上层界面污物采用分扇区随机取样、分布相对均一液相采用分层取样、分布较为均一底部沉积物采用简单随机取样。上层界面污物取样量为9个，中部液相取样量为6个，底层沉积物取样9个。

6.2上层界面污物取样

通过前期内窥镜观察发现贮罐内上层界面污物分布并不均匀，且只占整个罐内液面的1/3，因此采用分扇区随机取样，将大罐平均分为8个扇区，再采用极坐标方程理论，在曲线与扇区交叉点位上进行随机取样，可以保障所取的每个样品都处于不同半径上具有独立代表性的样品。

取样时首先操作取样装置，利用机械臂前端夹钳夹持界面污物取样头，通过设备室及罐体开孔进入罐内，再操作伸缩套筒和机械臂将界面污物取样头送达罐内液面指定位置，并通过内窥镜及机械臂前端的视频监控确定取样头是否到达指定位置，然后操作机械臂进行打捞取样，样品取出后，操作机械臂原路返回地面，松开夹钳，将界面污物取样头和样品同时投放到屏蔽装置内的样品收集容器中，完成一次取样。重复以上操作，共取样9个界面污物样品取样。

6.3中部液相取样

贮罐内液相分布较为均匀，且均为水相，因此，中部液相的取样可以分上、中、下三层进行随机取样，上、中、下每层对角线取样2个，层与层之间取样对角线成60度角。中部液相取样采用真空抽吸原理进行取样，将液体取样器集成为可移动的取样箱，将取样瓶、过滤器、缓冲罐及真空泵等集中放置于一个可移动的不锈钢工作箱内。具体过程为操作专用取样装置动力机械手夹持取样抽吸软管，根据取样管下放深度，在内窥镜配合下，调整机械臂的角度和深度，将取样软管前端的金属管下放到罐内液相指定点位，然后开启真空取样系统进行取样，共完成6个液相样品取样。

6.4底部沉积物取样

前期内窥镜探测发现，贮罐底部沉积物分布较为均匀，因此可采取随机取样的方式进行沉积物取样。首先操作取样装置，将沉积物取样头及取样加长杆送入到贮罐内液面以下，再通过调整机械臂的角度和深度将取样头送到贮罐底部沉积物预定位置，然后人工控制取样器气缸，打开取样头密封碗和夹持碗，使取样球获取沉积物样品。取样球获取样品后，关闭取样器密封碗和夹持碗，再远程操作取样装置，使取样器离开罐底，按原路径返回到贮罐设备室项部，当取样球移至地面样品收集罐正上方时，松开取样器密封碗和夹持碗，取样球掉入样品罐中，完成一个样品取样。重复以上操作，共9完成个沉积物样品取样。取样可靠性分析

7.1取样可达性分析

为了完成罐内物项取样，并保证操作人员尽可能少受辐照，需要解决取样器的可达性和可操作性问题。为此，研制了一套取样装置，该取样装置采用电动、液压和气动三种动力驱动形式，其中，桥架、滑架、伸缩套筒等采用电动驱动控制，为取样装置提供X、Y、Z及绕Z旋转四个方向的运动控制，可载带动力臂到达不同的纵向深度和不同的横向平面；机械动力臂采用液压驱动控制，为取样装置提供5个运动自由度，机械臂上载带照明和摄像，便于对机械臂前端取样器位置进行实时观察和调整，从而实现了取样点位的可达性。

7.2取样代表性分析

为保证实现取样的代表性，首先对罐内物项的特征进行了探测，依据物项的特征和分布特点对物项的取样点进行设计，再对设备室和贮罐进行开孔，拓宽了取样通道，最后利用取样装置进入罐内在设计的取样点位上进行取样。为避免取样过程样品的交叉污染，在中部液相取样过程中，取样管从无界面漂浮物的位置进入液相内，到达指定取样位点后开始取样，取样完成后，提起取样管并排空管内积液，再到下一指定取样位点继续取样；在底部沉积物的取样中，需要穿过中间液相层，为避免沉积物取样样品在从罐内提取出来的过程中，被中部液相稀释或与界面漂浮物发生交叉污染，沉积物取样头采用密封设计，取样碗闭合状态下保持绝对密封，在取样前不会进液，取样后也不会相互渗透，从而确保了所取样品的代表性。

7.结论

（1）本项目根据高放贮罐的现场条件和罐内有机物项取样要求，对贮罐的取样通道及辅助设施进行了整改，建立了现场取样条件，通过对罐内物项取样方案的设计研制了专用的取样装置，并开展了罐内物项现场取样工作，最终安全顺利完成了罐内三种物项具有代表性样品的取样工作。

（2）通过对贮罐尾气系统整改，建立了贮罐备用呼排系统，增大了尾气流量，确保在取样过程中罐内负压及气流走向正常，确保了操作人员及设施环境安全。

（3）本项目研制的沉积物取样工具头，实现了高放贮罐内有机沉积物的现场取样。该取样头采用压空作动力，不采取电机给出动力方式，避免了电机在液下保护或电机故障的风险，取样头部件纯机械模式充分体现了设计的先进性理念，为行业内其它有机沉积物取样提供了借鉴经验。

参考资料：

【1】《后处理工艺设计说明书》  核工业第二研究设计院

【2】姜圣阶,任凤仪等,核燃料后处理工学,北京:原子能出版社,1995.12