放射性物品运输货包安全性研究

黄春年，周鹏飞

1.杭州卫康环保科技有限公司；2.杭州靖坤环境科技有限公司

随着世界科技的发展，现阶段各个国家都意识到核能量的重要性，有关于核方面的研究开发从来都没有停止过，核工业的生产规模也越来越大。核工业与国民经济的提升有着非常密切的联系，但是在其研发过程中，会出现大量的放射性物质，造成人体伤害，严重时短时间内就可以造成死亡。因此在进行核工业生产的过程当中，放射源的运输成为一大挑战，运输货包的安全性是工业生产最需要重视的问题。

一、放射源概述

（一）放射源

放射源是指会产生放射性辐射的物品，通常可以分为密封放射源与非密封放射源，日常生产中，工业、农业、医用的放射源都属于第一种，大部分密封放射源都需要通过严格的保护措施，防止其渗漏。非密封放射源都仅供实验室研发使用，其放射强度更低，使用时更加安全。放射源的使用虽然可以辅助工农业以及医学的发展，但其危害性也非常大，一旦操作不当，很容易对人体造成伤害，并且受到放射物品辐射，对人体的伤害是不可逆的，几周甚至几天之内就会造成死亡。

（二）放射性物品运输

由于放射性物品的危险性，必须要对其运输过程引起重视，在装载、运输的途中不能出现任何问题。为了减少人们长时间与放射性物品接触，必须对运输环节的时间、次数、路线都作出合理规划，首先是尽量减少运输次数，避免多次运输，造成司机人员的疲劳，其次合理规划运输路线，让放射性物品尽可能在路上少耽误一点时间。对于运输物品，必须要进行全面的密封和屏蔽，严格检查盛放放射源的容器是否合格，每一个运输货包都不能够超出存放限制。运输货包在运输途中也可能受到振动、碰撞等多种情况的损坏，要想完好地进行运输，就要严格按照规定要求进行安全防护。

二、放射源运输货包安全评定准则

根据国际放射源运输的要求进行了多种货包质量测试。经研究，运输货包的内包容边界在正常条件下，薄膜应力设计极限为137Sm，其基本许用应力也为137Sm，极限抗拉强度为520Su，屈服强度为205Sy；膜加弯曲应力极限为205.5Sm，基本许用应力为137Sm，极限抗拉强度为520Su，屈服强度为205Sy。运输货包的螺栓在正常条件下，平均轴向应力极限为666Sm，基本许用应力为333Sm，极限抗拉强度为1070Su，屈服强度为1000Sy，平均剪应力极限为400Sm，其基本许用应力为333Sm，极限抗拉强度为1070Su，屈服强度为1000Sy。

运输货包的内包容边界在事故条件下，薄膜应力设计极限为328Sm，机械性能为364Su，其基本许用应力为137Sm，极限抗拉强度为520Su，屈服强度为205Sy，膜加弯曲应力极限为493Sm，机械性能为520Sm，基本许用应力为137Sm，极限抗拉强度为520Su，屈服强度为205Sy。运输货包的螺栓在事故条件下，平均轴向应力极限为1000Sm，机械性能为749Su，基本许用应力为333Sm，极限抗拉强度为1070Su，屈服强度为1000Sy，平均剪应力极限为600Sm，机械性能为449Su，其基本许用应力为333Sm，极限抗拉强度为1070Su，屈服强度为1000Sy。

三、放射源运输货包的设计要求

放射性物品具有非常强的辐射，会对周边一切有生命的生物造成伤害，在进行运输货包的设计之前，应当注重压力、临界、热工等多方面的问题。目前采用的大部分放射源运输货包材料，都是使用耐火性非常强的针刺纤维毯作为隔热材料，能够起到很好的隔热作用，避免外界温度升高对容器内的物品造成反应。运输容器的重要材质是铅本体，结合减震器、外包边界以及盖子共同组成一个密封的空间，针对运输货包在正常运输或者事故运输的两个种情况下，都做出了相应的试验。首先是正常运输条件下，一共做了四种类型试验，第一，运输货包在喷水试验中至少要在降水量达到5厘米的环境当中暴露一个小时以上。第二，运输货包在自由下落试验中，从30厘米到120厘米的高度自由下落到不变形的水平靶上。第三，运输货包在堆积试验中，承受压力24h的负载。第四，运输货包在贯穿试验中，让直径为3.2厘米，质量为6千克的棒子从一米的高度垂直下落至货包最薄弱的部分。

其次是事故运输条件下，一共做了五种类型试验，第一，运输货包在自由下落试验中，从九米的高度坠落到不变形的水平靶上。第二，运输货包在贯穿试验中，从一米的高度自由下落，坠落到直径为15厘米，长度为20厘米的垂直靶上。第三，运输货包在叩击试验中，承受五百千克的重块挤压，重块下落高度为九米。第四，运输货包在热试验中，承受八百摄氏度的高温烧制三十分钟。第五，运输货包在水浸没试验中，深入水下十五米，浸没时间八小时。

上述试验完成后，对相应的运输货包进行密封和屏蔽性能监测，判断货包是否还能够满足安全运输的标准，为运输货包的设计提供非常科学的依据。

四、放射源运输货包安全性研究

对正常运输条件与事故运输条件这两个方面的运输货包数值模拟进行分析，建立放射源运输货包的三维立体模型，结合冲击动力学的实验理论以及动态显示算法，对货包的应力与变形数值做好记录，计算货包在不同情况下的形态，最终才能够得到运输货包设计的最大应力，让放射性物品运输更加安全。放射源运输货包在两种不同条件下的安全性评价，能够预测出运输货包耐压、耐高温、耐水性以及最危险的跌落姿态等，并且针对这些问题及时提出货包设计的修改意见。

（一）跌落冲击学性能数值模拟

放射源运输货包的性能必须达到即使出现事故也要保障运输的物品不会出现泄露的目的。只通过提升运输货包的结构强度，让其达到安全质量标准，避免过多的安全事故发生。跌落冲击学性能数值模拟测验是在建立三维模型的基础上，进行正常运输条件或者事故运输条件下的试验模拟，能够分析出运输货包在不同的条件下，受到外界压力、高温等负面作用，会产生怎样的质量变化。值得注意的是，在进行跌落冲击学性能数值模拟之前，要分析运输货包的螺栓部件分布及其大小尺寸，避免试验过程中其他变量对结果造成影响。

跌落冲击学性能数值模拟对放射源运输货包的内外包容边界设计都有直接的影响，根据一次薄膜应力强度、一次薄膜+一次弯曲应力强度、一次应力+二次应力、纯剪切、挤压应力等应力限制实验的设计参数，对运输货包进行了塑性失稳限制评定，让运输货包的数值模拟更加科学合理。在跌落冲击学性能测验当中，试验的准则不包括铅材料以及隔热材料、减振材料等变量的控制，因为在出现跌落冲击时，运输货包这些材料必然会受到影响，因此在试验过程中，就考虑允许这些材料已经出现变形。

（二）有限元网格的划分

放射源运输货包的三维模型建立之后，将其导入处理器当中，对模型进行装配、属性、边界载荷以及网格划分的处理。此时模型数据应当采用x-y格式转换，将模型数据变得更简洁，并且能够全面显示其内部结构的参数，具有兼容性和拓展任。有限元网格的划分需要考虑以下几个方面：第一，运输货包的筋板与隔热盖之间需要使用螺栓连接，这里采用M24螺栓进行辅助连接，让隔热盖与铅塞之间有可以防止减振物件的空间，利用减振环节，对运输货包的连接处进行有效的减振。而与上述连接螺栓不同的是，定位法兰与压盘之间需要采用M10螺栓连接，保持其最终的稳定性。第二，加设划分试验当中各部件之间的连接非常可靠，运输货包的制造不存在任何问题，即没有变形等情况，有限元网格划分才能够充分考虑到螺栓禁锢过程中的预紧力，避免容器建设试验过于复杂。第三，运输货包的内部结构比较多，在各部件形状处理上需要经过更加严格的划分，简化设计原理，减少对前处理网格的过多干扰。在上述内容都得到满足的条件下，在运输货包外加一层隔热材料，实现有限元模型网络的精度计算，衡量运输中报的单元模型大小，防止网格出现畸变等其他错误。

（三）边界条件与载荷

利用有限元软件进行运输货包的模块计算，首先要做的是将3D模型反而本体进行固定，让内部螺栓保持平衡，不会出现抵抗力量，达到平稳状态后，就需要去掉支撑本体的防固边界，利用显示算法，进行运输货包的模拟验算。在这个过程当中螺栓预紧力产生的应力场需要始终作用于运输货包上，维持主体的固定形态，让测算结果更加合理有效。运输货包的自由落体测算，必须要保持高度一致，避免其他变量对测算设计产生过多的影响。

（四）货包整体变形与应力

通过冲击跌落实验，了解到在正常运输条件下或者事故运输条件下，运输货包的顶角、侧面、顶面会出现什么样的变形。首先是在正常运输条件下运输货包的顶角正常下落时（120厘米的高度），受到冲击的中心位置附近七块筋板都出现不同程度的变形，运输货包的其余形态也受到了影响，整体长度会减少，在冲击中心60度范围内的结构都会向下翘曲，产生大量变形，长度减少95毫米，高度变形25毫米。但是，值得注意的是内部结构当中连接的螺栓并未发生变形。运输货包的侧面正常下落时（120厘米的高度），受到冲击的中心位置附近三块筋板出现变形，其余各沿径处有轻微的扭曲，其余部件并未发生明显的弯曲变化。运输货包顶面正常下落时（120厘米的高度），只有一块筋板出现变形，那就是与靶面直接接触的那一块，出现扭曲变形状态。

其次是事故运输条件下，运输货包的顶角正常下落时（900厘米的高度），受到冲击的中心位置严重变形，在冲击中心附近的十一块筋板都产生了严重的扭曲，运输货包的其余形态也受到了影响，连接冲击点处的螺栓遭到不可逆转的破坏，但其余螺栓都没有受到影响。运输货包的侧面正常下落时（900厘米的高度），受到冲击的中心位置附近六块筋板出现变形，冲击处向内弯曲尺寸达到54毫米，冲击辐射周边70度的范围，螺栓连接处的隔热层也由于压力的冲击产生变形，其余部件并未发生明显的弯曲变化。运输货包顶面正常下落时（900厘米的高度），货包的隔热盖直接被压力冲击，造成内提手损坏，减振环损坏等严重问题。可以看出不论是在哪一种情况下，运输货包的顶角受到的冲击压力都是最大的，受到的伤害也是最高的。

五、放射源运输货包安全性研究总结

通过上述运输货包的各项测验数据以及放射源运输的安全设计准则等多个方面的内容，综合分析运输货包的安全性能，在有限元分析软件的基础上，得到了以下几点安全性提升结论：

运输货包在自由下落过程中，对货包内螺栓进行预应力的预测控制，能够有效对货包提升减振作用，冲击试验模拟的数据显示，螺栓连接处的稳定性直接影响到运输货包的安全性。

结合有限元分析软件，将预应力场进行施加，能够发现正常运输条件下，当运输货包的顶角正常下落时（120厘米的高度），内包容边的最大薄膜应力以及其他盈利数据都在许用值的范围之内，同样，外包容边也能够满足设计使用，螺栓的连接都非常安全。运输货包的侧面正常下落时（120厘米的高度）、顶面正常下落时（120厘米的高度），都能够满足基本的应力安全许用值。事故运输条件下，上述货包的顶角正常下落时（900厘米的高度），运输货包的侧面正常下落时（900厘米的高度）、顶面正常下落时（900厘米的高度），也同样能够满足安全设计的规范要求。运输货包在进行塑性变形测量当中，冲击跌落实验的数据显示，运输货包承受能量的主要位置是本体周围的筋板，从能量曲线的变化情况来看，运输货包不论是以什么样的姿态发生跌落，都可以承受住变能的改变，只要筋板的承受载荷在限定范围内，都能够保障运输货包的安全性。

放射源运输货包内壁或者外壁的热应力值计算嗾使非常重要的，尤其是主体结构当中涉及放射物品可能出现泄漏的重要区域，针对暴晒或者无暴晒两个情况分别做出了数据测试。根据抗热冲击性能的测验，可能看出铅体的屏蔽性非常好，完全可以保障运输货包的抗热冲击性。

六、结语

放射性物品运输一直以来都是非常危险的工程建设行为，一旦出现任何纰漏，都会造成大量人员的伤亡或者环境污染问题。针对放射源运输货包的安全设计与使用，本文经过力学等多方面的实验模拟探讨，结合货包设计准则对安全性能作出更好的评估，减少全尺寸货包的过多使用，在今后的放射源运输过程当中，不断吸收经验，创新安全性能提升的方法，为放射源运输提供更加安全的环境，保障社会公共安全。