一种放射性金属废物热切割方法

本申请是申请日为2022年5月19日、申请号为2022105529092、发明名称为“一种放射性金属废物热切割装置及热切割方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种放射性金属废物热切割方法。

背景技术

在核电工程中，反应堆压力容器顶盖、蒸汽发生器、稳压器等放射性大型核岛主设备具有体积大、重量较大、设备壁厚较厚等特点，为了减少其退役后的放射性固废体积，降低处置成本，这些设备退役时需要进行就地切割和整备。

反应堆压力容器的顶盖，其总重量达58吨，外径4.7米，总高度近3米，封头部分厚度达到170mm，法兰部分厚度达850mm。蒸汽发生器的外形为立式贮罐类结构，其内径可达1.5米、壁厚达46mm、设备总高达6米。根据核电工程退役要求，其内部的U型管、部分壳体都需要切割设备。稳压器的外形为立式贮罐类结构，其内径可达1.2米、壁厚可达63mm，一般作为整体切割整备。

目前国内外一般采用金刚石绳锯或者水刀工艺切割放射性厚大件。这两种工艺方法存在2个缺点：1.切割速率慢：相同厚度厚大件，热切割(火焰切割、等离子切割)比金刚石绳锯和水刀切割速率快10～50倍。2.切割产生二次废物量大：金刚石绳锯切割放射性设备后，其整体机械结构全部被污染，转为放射性污染物；水刀切割工艺需要在水中添加大量固体磨料，切割期间磨料都转化为放射性污染物。

总体而言，热切割(火焰切割、等离子切割)的二次废物量只相当于金刚石绳锯和水刀切割的5％左右。但是热切割放射性厚大件会产生大量放射性颗粒、放射性粉尘、气溶胶等空气污染物，污染环境的同时，还会威胁到人员安全。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种放射性金属废物热切割方法，可以安全使用火焰切割或等离子切割开展放射性厚大件的切割整备，提升了切割效率，降低了二次废物产生量，还解决了热切割产生的放射性颗粒、粉尘、气溶胶处理问题，确保环境和人员安全。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种放射性金属废物热切割装置，包括负压站本体模块、负压系统和切割收集模块，所述负压系统用于为所述负压站本体模块提供负压以及用于过滤热切割放射性金属废物产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶，所述切割收集模块包括热切割装置，所述负压站本体模块用于放置待切割的放射性金属废物和所述热切割装置。热切割装置和待切割的放射性金属废物放置于负压站本体模块中，负压站系统为负压站本体模块提供负压并对热切割产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶进行吸收处理，切割收集模块对待切割的放射性金属废物进行切割并收集。

上述技术方案中，优选地，所述负压站本体模块包括负压站本体、进气窗、视窗和软帘，所述负压站本体的底部设置有牵引导轨，所述牵引导轨贯穿所述负压站本体，所述牵引导轨上设置有收集运输小车，所述进气窗和所述视窗设置于所述负压站本体的侧面，所述软帘安装在所述负压站本体供所述牵引导轨和所述收集运输小车穿出的部分。进气窗为百叶窗，且负压站本体模块设置软帘，一方面进气窗用于进气作用，软帘用于供牵引导轨和收集运输小车的进出，另一方面通过观察确认百叶窗向内进风、软帘向内侧漂移作为启动负压系统是否成功的其中一个特征，具体的，当负压系统工作时，百叶窗向内开启进风，软帘向内侧漂移，当负压系统不工作时，百叶窗和软帘垂落关闭。

上述技术方案中，进一步优选地，所述负压站本体为长方体型，所述负压站本体包括顶盖板和四块侧板，相邻两块所述侧板之间通过密封胶粘结，所述顶盖板上还设置有吊耳，所述负压站本体内设置有用于切割放射性金属废物的热切割区，待切割的放射性金属废物和所述热切割装置放置于所述热切割区。负压站本体为长方体型，四周的侧板采用彩钢板，拼缝使用密封胶粘接，确保密封不漏气，一侧上部设置进气百叶窗，可根据尺寸大小灵活设置数量，推荐2-4扇，该侧的彩钢板上设置一面视窗玻璃，大小根据实际情况而定，推荐使用不低于1.2M×1.2M，用于人员从外部观察负压站本体内的工作情况，另外，负压站本体的顶盖上设置两个吊耳，当有需要时，可以调离顶盖，从顶部吊运大件进出负压站本体。

上述技术方案中，再进一步优选地，所述负压系统包括位于所述负压站本体外通过风管依次连通的抽风主风机、粉尘过滤器、放射性气溶胶过滤器和出风口以及位于所述负压站本体内的进风口、送风风机、抽风风机、吸风口和多个压力计，所述进风口位于所述进气窗处，所述送风风机用于向所述热切割区送风以使热切割放射性金属废物产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶吹送至所述抽风风机的入口，所述抽风风机用于接收所述热切割区产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶以及用于向所述风管送风，所述抽风风机和所述吸风口分别通过所述风管和所述抽风主风机连通，所述抽风主风机用于接收所述抽风风机接收的颗粒、粉尘和放射性气溶胶以及用于接收所述吸风口吸收的所述负压站本体内的空气，三个压力计中的其中一个压力计位于所述热切割区内，三个压力计中的另外两个压力计分别靠近所述进风口和所述吸风口。其中，送风风机、抽风风机共同为热切割区建立良好的负压空间；抽风主风机的送风来源包括两部分：抽风风机的送风；从吸风口处吸收负压站本体内的空气；粉尘过滤器用于过滤通风系统中热切割产生的颗粒和粉尘，放射性气溶胶过滤器用于过滤空气中放射性气溶胶，确保无放射性外泄，确保负压站外部环境和人员安全。而多个压力计用于观察确认其读数是否为负压，只有打开抽风主风机、送风风机、抽风风机；观察确认百叶窗向内开启进风，软帘向内侧漂移；观察确认各压力计读数为负压；以上三项工作完成说明负压工作站本体内已形成负压。

上述技术方案中，更进一步优选地，所述负压系统还包括设置于所述负压站本体内的可燃气体浓度监测仪、放射性剂量监测仪和多个监控摄像头。其中，监控摄像头推荐安装8路到10路，确保能观察到负压站本体内的送风风机、抽风风机、百叶窗、牵引导轨、切割装置等设备；可燃气体浓度监测仪用于监测负压站本体内热切割用燃气的浓度，一旦检测到其浓度达到设置阈值，即可触发浓度报警，并且连锁切割设备立即停止工作，燃气供气管路关闭；放射性剂量监测仪持续监测负压站本体内空气中放射性剂量辐射水平，并实时传送到人员集控平台，一旦监测值超过阈值，立即发出报警信号。

上述技术方案中，还进一步优选地，所述切割收集模块包括收集装置和所述热切割装置，所述热切割装置包括龙门架、设置于所述龙门架上的执行机头、设置于所述执行机头上的热切割头以及用于支撑待切割的放射性金属废物的支撑台架，所述龙门架可沿Y轴方向移动，所述执行机头可上下方向收缩且可沿X轴方向在所述龙门架上移动，所述收集装置包括所述收集运输小车和所述牵引导轨，所述收集运输小车用于承接所述待切割的放射性金属废物切割后的切割料块。其中，执行机头可实现上下伸缩，与龙门架配合可以实现热切割头在XYZ三轴空间行走，支撑台架用于支撑待切割件，推荐设计承重70吨，可以承载圆形、方形、板件等大型构件，热切割头则根据待切割件的外形、厚度、材料等选择合理的热切割工艺和对应的切割头。

上述技术方案中，且进一步优选地，所述支撑台架中部留空形成落料口，所述切割料块从所述落料口掉落至所述收集运输小车。支撑台架中部留空，切割料块可以直接掉落至底部的收集运输小车，收集运输小车的幅面包络了支撑台架的中空面积，牵引导轨进而牵引收集运输小车行走，可送收集运输小车进入负压站本体，也可将切割料块运出负压站本体。

上述技术方案中，再进一步优选地，所述热切割头为火焰切割头或等离子切割头。根据待切割件的外形、厚度、材料等选择合理的热切割工艺和切割路径，一般而言，对于厚度超过60mm的碳钢件，可选择火焰切割工艺；对于厚度低于60mm的不锈钢和碳钢件，可选择等离子切割工艺，进而选择相应规格的热切割头。

另外，以上所有设备控制系统都集成到负压站本体外部的集控平台，实现人员远程操作控制。

本发明的还提供了一种放射性金属废物热切割方法，包括如下步骤：

放置热切割头和待切割的放射性金属废物；启动负压系统以使负压站本体内形成负压；切割待切割的放射性金属废物、运输并收集掉落的切割料块。

上述技术方案中，优选地：

启动所述负压系统包括如下步骤：开启抽风主风机、送风风机和抽风风机；观察确认进气窗向负压站本体内开启进风，软帘向负压站本体内侧漂移；观察确认各压力计读数为负压。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的放射性金属废物热切割方法，通过负压站本体模块和负压系统的配合，确保放射性包容在负压站内，不会发生外泄，确保环境安全和人员安全；借助于视频监控系统和集控系统，切割、运输等操作可远程手动或自动化操作，不需要人员近距离手动作业，因此大幅降低人员受照辐射剂量；适应多种热切割头，可应用于火焰切割、等离子切割；整套装置可以切割放射性厚大件，对象包括：蒸发器、稳压器、反应堆压力容器顶盖等大型核电设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中放射性金属废物热切割装置的俯视图；

图2为本发明优选实施例中放射性金属废物热切割装置的正视图；

图3为本发明优选实施例中放射性金属废物热切割装置的正视图(切割反应堆压力容器顶盖)。

其中：负压站本体-10，百叶窗-11，视窗-12，软帘-13，吊耳-14，抽风主风机-20，风管-21，粉尘过滤器-22A，放射性气溶胶过滤器-22B，监控摄像头-23，可燃气体浓度监测仪-24，送风风机-25A，抽风风机-25B，放射性剂量监测仪-26，第一压力计-27A，第二压力计-27B，第三压力计-27C，出风口-28，吸风口-29，龙门架-30，执行机头-31，支撑台架-32，热切割头-33，收集运输小车-34，牵引导轨-35，热切割区-40，反应堆压力容器顶盖-50。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1一种放射性金属废物热切割装置

参照附图1和图2，本实施例的放射性金属废物热切割装置，包括负压站本体模块、负压系统和切割收集模块。其中，切割收集模块包括热切割装置和收集装置。

负压站本体模块包括负压站本体10、百叶窗11、视窗12、软帘13和吊耳14，负压站本体10为长方体型，包括顶盖板和四周的四块侧板，负压站本体10内设置有用于切割放射性金属废物的热切割区40，待切割的放射性金属废物和热切割装置放置于热切割区40，其中，负压站本体10四周采用四块彩钢板拼合而成，相邻两块侧板之间的拼缝使用密封胶粘接，确保密封不漏气，一侧的侧板上部设置两扇百叶窗11，当然，百叶窗11可根据尺寸大小灵活设置数量，推荐2-4扇。该侧的彩钢板上设置一面视窗12，大小根据实际情况而定，推荐使用不低于1.2M×1.2M，用于人员从外部观察负压站本体10内的工作情况。负压站本体10的底部设置贯穿的牵引导轨35，牵引导轨35上安装收集运输小车34，软帘13则安装在负压站本体10供牵引导轨35和收集运输小车34穿出的部分，两个吊耳14设置于顶盖板上，当有需要时，可以调离顶盖板，从顶部吊运大件进出负压站本体10。负压站本体10上设置百叶窗11和软帘13，一方面百叶窗11用于进气作用，软帘13用于供牵引导轨35和收集运输小车34的进出，另一方面通过观察确认百叶窗11向内进风、软帘13向内侧漂移作为启动负压系统是否成功的其中一个特征，具体的，当负压系统工作时，百叶窗11向内开启进风，软帘13向内侧漂移，当负压系统不工作时，百叶窗11和软帘13垂落关闭。

负压系统包括：抽风主风机20、风管21、粉尘过滤器22A、放射性气溶胶过滤器22B、监控摄像头23、可燃气体浓度监测仪24、进风口、送风风机25A、抽风风机25B、放射性剂量监测仪26、第一压力计27A、第二压力计27B、第三压力计27C、出风口28、吸风口29。其中，抽风主风机20、粉尘过滤器22A、放射性气溶胶过滤器22B、出风口28设置于负压站本体10外部且抽风主风机20、粉尘过滤器22A、放射性气溶胶过滤器22B、出风口28通过风管21依次连通，监控摄像头23、可燃气体浓度监测仪24、进风口、送风风机25A、抽风风机25B、放射性剂量监测仪26、吸风口29、第一压力计27A、第二压力计27B、第三压力计27C设置于负压站本体10内，其中，第一压力计27A位于热切割区40内，第二压力计27B靠近进风口，第三压力计27C靠近吸风口29。

送风风机25A直接向热切割区40送风，将切割产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶强制吹动送到抽风风机25B的入口，抽风风机25B接受送风风机25A的送风和热切割区40产生的颗粒、粉尘和放射性气溶胶，并送风至通风管道21。送风风机25A、抽风风机25B共同为热切割区40建立良好的负压空间。抽风主风机20的送风来源包括两部分：(1)抽风风机25B的送风；(2)从吸风口29处吸收负压站本体10内的空气。粉尘过滤器22A用于过滤热切割产生的颗粒和粉尘，放射性气溶胶过滤器22B用于过滤空气中放射性气溶胶，确保无放射性外泄，确保负压站外部环境和人员安全。推荐安装8路到10路监控摄像头23，确保能观察到负压站本体10的送风风机25A、抽风风机25B、百叶窗11、牵引导轨35、切割装置、待切割的放射性金属废物等。可燃气体浓度监测仪24用于监测负压站本体10内热切割用燃气的浓度，一旦检测到其浓度达到设置阈值，即可触发浓度报警，并且连锁切割设备立即停止工作，燃气供气管路关闭。放射性剂量监测仪26持续监测负压站本体10内空气中放射性剂量辐射水平，并实时传送到人员集控平台，一旦监测值超过阈值，立即发出报警信号。

负压系统启动方法如下：(1)打开抽风主风机20、送风风机25A、抽风风机25B；(2)观察确认百叶窗11向内开启进风，软帘13向内侧漂移；(3)观察确认第一压力计27A、第二压力计27B、第三压力计27C读数为负压。以上三项工作完成说明负压工作站本体10内已形成负压，推荐负压站本体10内压力值低于大气压3000Pa以上，负压站本体10内空气循环次数为10次/小时。

切割收集模块包括收集装置和热切割装置，具体的，热切割装置包括龙门架30、设置于龙门架30上的执行机头31、设置于执行机头31上的热切割头33以及用于支撑待切割的放射性金属废物的支撑台架32，收集装置包括收集运输小车34和牵引导轨35。龙门架30是热切割头33执行切割的行走机构，龙门架30可沿Y轴方向移动，执行机头31可上下方向收缩且可沿X轴方向在龙门架30上移动，执行机头31可实现上下伸缩，与龙门30配合可以实现热切割头33在XYZ三轴空间行走，支撑台架32用于支撑待切割件，推荐设计承重70吨，可以承载圆形、方形、板件等大型构件，且支撑台架32中部留空，放射性金属废物的切割料块直接掉落至底部的收集运输小车34，其中，根据待切割件的外形、厚度、材料等选择合理的热切割工艺和对应的热切割头33，具体的，对于厚度超过60mm的碳钢件，可选择火焰切割工艺，进而选择火焰切割头；对于厚度低于60mm的不锈钢和碳钢件，可选择等离子切割工艺，进而选择等离子切割头。收集运输小车34用于承接切割料块，其幅面包络了支撑台架32的中空面积，牵引导轨35牵引收集运输小车34行走，可送收集运输小车34进入负压站本体10，也可将切割料块运出负压站本体10。以上所有设备控制系统都集成到负压站外部的集控平台，实现人员远程操作控制。

参见图3，为本实施例的放射性金属废物热切割装置用于切割反应堆压力容器顶盖50的正视图，由于反应堆压力容器的顶盖，其总重量达58吨，外径4.7米，总高度近3米，封头部分厚度达到170mm，法兰部分厚度达850mm，在对其进行切割时，选择火焰切割工艺，进而热切割头33选择火焰切割头。

实施例2一种放射性金属废物热切割方法

本实施例提供了一种根据实施例1中所述的放射性金属废物的热切割方法，包括：放置热切割头和待切割的放射性金属废物；启动负压系统以使负压站本体内形成负压；切割待切割的放射性金属废物、运输并收集掉落的切割料块。

具体的包括以下步骤：

(1)制定放射性金属件切割工艺和切割路径：根据待切割件的外形、厚度、材料等选择合理的热切割工艺和切割路径，一般而言，对于厚度超过60mm的碳钢件，可选择火焰切割工艺；对于厚度低于60mm的不锈钢和碳钢件，可选择等离子切割工艺。

(2)安装相应的热切割头，根据路径设定切割头行走程序：选择相应规格的热切割头(火焰切割头或者等离子切割头)，安装到执行机头31上，按照预先设定的切割路径，在集控系统中设置龙门架30和执行机头31的行走程序。本实施例用于切割反应堆压力容器的顶盖，选用火焰切割头安装到执行机头31上。

(3)将待切割放射性金属件安置到支撑台架32：吊运待切割的放射性金属废物(本实施例为反应堆压力容器顶盖)安放到支撑台架32上，吊运负压站本体10的顶盖板就位，关闭负压站本体10。

(4)启动负压系统，工作站内形成负压：按要求启动负压系统，打开抽风主风机20、送风风机25A、抽风风机25B；观察百叶窗11向内开启进风，软帘13向内侧漂移；第一压力计27A、第二压力计27B、第三压力计27C读数为负压。确认站内已形成负压。

(5)按既定路径开展切割：人员远程操作启动热切割头33，操作龙门架30和执行机头31按既定路径开展切割。

(6)运出并收集切割掉落的切割料块：底部收集运输小车34承接相应的切割料块，适时运输出负压站本体10。

本实施例的放射性金属废物的热切割方法解决了放射性颗粒、粉尘、气溶胶处理问题，可以安全使用火焰切割或等离子切割开展放射性厚大件的切割整备，提升了切割效率，降低了二次废物产生量。

为了进一步理解本申请的方案，以下以具体应用的实施案例和对比案例来说明：

应用案例：对于反应堆压力容器的顶盖，其总重量达58吨，外径4.7米，总高度近3米，封头部分厚度达到170mm，法兰部分厚度达850mm。运用实施例1中的放射性金属废物的热切割装置结合实施例2中的放射性金属废物的热切割方法进行切割，热切割头选用火焰热切割头。

对比案例1：对于反应堆压力容器的顶盖，其总重量达58吨，外径4.7米，总高度近3米，封头部分厚度达到170mm，法兰部分厚度达850mm。运用传统的金刚石绳锯切割方法进行切割。

对比案例2：对于反应堆压力容器的顶盖，其总重量达58吨，外径4.7米，总高度近3米，封头部分厚度达到170mm，法兰部分厚度达850mm。运用传统的水刀切割方法进行切割。

表1应用案例和对比案例的参数和测试结果

表1的测试结果表明应用案例中的切割时间大大缩短切割效率高，只有对比案例的1/5～1/8，二次废物产量很低，只有对比案例中的1/4～1/60。

本发明的放射性金属废物热切割装置，通过负压站本体模块和负压系统的配合，确保放射性包容在负压站内，不会发生外泄，确保环境安全和人员安全；借助于视频监控系统和集控系统，切割、运输等操作可远程手动或自动化操作，不需要人员近距离手动作业，因此大幅降低人员受照辐射剂量；适应多种热切割头，可应用于火焰切割、等离子切割；整套装置可以切割放射性厚大件，对象包括：蒸发器、稳压器、反应堆压力容器顶盖等大型核电设备。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。