張玉春

摘 要：本文介紹了鈾濃縮廠日常吹洗操作流程和參數(shù)控制，分析了原吹洗工作中抽空存在的弊端。為提高工作效率，減少對(duì)供料凈化線抽空的占用，避免使用吹洗小車抽空時(shí)連接管的反復(fù)拆裝，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)布局、操作控制參數(shù)和UF6的特點(diǎn)，構(gòu)建了抽空系統(tǒng)專用于吹洗操作。經(jīng)過(guò)抽空、直抽大氣試驗(yàn)以及實(shí)際運(yùn)行的考核，專用抽空系統(tǒng)基本滿足運(yùn)行所需，后續(xù)還可進(jìn)一步將渦旋泵推廣應(yīng)用到其他鈾濃縮廠系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：吹洗 抽空系統(tǒng) 干式渦旋真空泵 抽空速度

中圖分類號(hào)：TL25+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（a）-0117-04

鈾濃縮廠供取料廠房的原料凈化、容器拆裝或工藝管道檢修前的吹洗工作是最為頻繁的工作之一。按生產(chǎn)技術(shù)要求，拆裝前需要對(duì)被拆裝的管道破空吹洗5次并深抽2h以上，方能確保拆裝處管道內(nèi)腔樣中放射性鈾元素滿足安全要求。目前，吹洗工作中的抽空是由供料凈化抽空系統(tǒng)或移動(dòng)抽空小車完成。為提高效率，降低操作次數(shù)，急需構(gòu)建、安裝抽空系統(tǒng)[1-3]專用于吹洗工作。

1 原系統(tǒng)現(xiàn)狀和弊端

1.1 原系統(tǒng)現(xiàn)狀和吹洗工作過(guò)程

系統(tǒng)容器布置如圖1所示，其中1為DN200真空閥門，2為DN25真空閥門，3為工藝管道，4為連接軟管，5為容器，6為工藝支管道，7為盲板和破空點(diǎn)，8為DN25的三通真空閥，其中連接軟管4與其兩端的DN25的閥門的連接方式為法蘭連接。以容器RQ1拆裝前的連接管吹洗為例說(shuō)明吹洗操作過(guò)程：圖1中，首先將與連接管（4）連接的兩個(gè)三通真空閥（8）關(guān)閉，然后用氮?dú)馔ㄟ^(guò)7對(duì)連接管相關(guān)管段破空至大氣，關(guān)閉安裝盲板，打開連接管8與吹洗支管（4）連接經(jīng)供料凈化系統(tǒng)進(jìn)行抽空，抽至0.2mmHg后停止抽空，從而完1次吹洗操作，重復(fù)循環(huán)5次破空和抽空工作并深抽2h以上，取連接管內(nèi)腔樣，如果鈾元素含量合格，則完成1次容器拆裝前的吹洗任務(wù)。

1.2 原系統(tǒng)弊端

吹洗工作中的抽空存在以下弊端：（1）工作中的抽空占用了供料凈化系統(tǒng)的線路和設(shè)備，影響供料凈化的正常進(jìn)行，還需協(xié)調(diào)凈化和吹洗工作，增加操作次數(shù)；（2）供料凈化系統(tǒng)抽空設(shè)備主要用于凈化工作，用于吹洗抽空時(shí)由于管線太長(zhǎng)、管阻大、體積大等因素導(dǎo)致單次抽空需10min以上；（3）采用移動(dòng)抽空小車抽空前，需安裝用于連接抽空的軟管，完成吹洗任務(wù)后拆除，多次安裝和拆除連接件易導(dǎo)致連接處有漏。因此，為提高效率，降低操作次數(shù)，急需構(gòu)建、安裝抽空系統(tǒng)[1-3]專用于吹洗工作。

2 專用抽空系統(tǒng)構(gòu)建

專用抽空系統(tǒng)構(gòu)建只用于容器拆裝前吹洗操作的使用。根據(jù)操作規(guī)程，專用抽空系統(tǒng)工作壓力范圍為101～105Pa，抽空深度應(yīng)低于26.6Pa（0.2mmHg）。此外，原抽空方式單次抽空需耗時(shí)10min，可以在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)考慮降低至5min以下。

2.1 吹洗系統(tǒng)體積與其抽速的關(guān)系

對(duì)密閉真空系統(tǒng)的從常壓下開始抽氣，系統(tǒng)壓力逐步下降，此過(guò)程以及摩爾數(shù)的減少和抽氣速度之間分別存在（1）和（2）微分方程式：

式中：V為系統(tǒng)氣相空間的體積；P為系統(tǒng)壓力；n為系統(tǒng)內(nèi)氣體的摩爾數(shù)；T為系統(tǒng)溫度；S為抽氣速率；t為抽氣時(shí)間。將（2）式帶入（1）式，積分得抽氣時(shí)間計(jì)算式：

式中P1為起始?jí)毫?；P2為終點(diǎn)壓力。

我們根據(jù)（3）式計(jì)算吹洗操作中連接管破空至大氣后用吹洗系統(tǒng)將其抽空至0.2mmHg所需時(shí)間和吹洗系統(tǒng)體積的關(guān)系，具體計(jì)算過(guò)程如下：

破空體積：管徑為DN25，長(zhǎng)度為2m，體積（V1）為0.9815L，考慮連接兩端的閥門部分內(nèi)腔，則破空處管段的體積為1L。設(shè)專用抽空系統(tǒng)的體積為V，壓力長(zhǎng)期維持在0.2mmHg左右，打開抽空閥后吹洗系統(tǒng)的平衡壓力P2由（4）式計(jì)算，將V1=1，P1=760mmHg，V=1+V1，P=0.2mmHg帶入（4）可得（5）：

（5）將（5）式帶入（3）式替換其中的P1，而終點(diǎn)壓力為0.2mmHg，得：

對(duì)（6）式中V進(jìn)行求導(dǎo)，得：

當(dāng)V大于介于區(qū)間[0，107]均為正，因此（6）式為增函數(shù)，即1次吹洗操作所需抽空時(shí)間隨抽空系統(tǒng)體積增大而延長(zhǎng)。由此，在抽空系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)應(yīng)盡量減低系統(tǒng)總體積V。

2.2 專用抽空系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 設(shè)備配置

由于被抽空氣體中含有UF6，其不僅含有放射性，化學(xué)性質(zhì)較為活潑，易與水起反應(yīng)生成固體小顆粒氟化鈾酰和HF氣體。為減少UF6、HF氣體、氟化鈾酰顆粒對(duì)泵和尾氣的放射性污染和腐蝕，須在真空泵前配置以下設(shè)備：

（1）化學(xué)吸附裝置：用于對(duì)UF6和HF氣體的吸附。

（2）過(guò)濾裝置：用于對(duì)氟化鈾酰顆粒的過(guò)濾。

上述設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾元素的回收和再利用，確保尾氣排放合格。

2.2.2 抽空線路構(gòu)建

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算，管道線路設(shè)計(jì)上盡量用最小的體積實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的搭建工作。線路設(shè)計(jì)中具體考慮如下：

（1）管徑：為了降低管阻對(duì)抽空的影響，專用抽空系統(tǒng)的吹洗線管徑和容器連接管管徑保持一致均為DN25；過(guò)濾器后至真空泵處以及真空泵后至局排管道由真空泵的進(jìn)、排口管徑?jīng)Q定；

（2）管道長(zhǎng)度：根據(jù)廠房布局和現(xiàn)場(chǎng)的空間，盡量控制管道的長(zhǎng)度，以期實(shí)現(xiàn)最小的抽空體積；

（3）儀表設(shè)計(jì)：管線上設(shè)置壓力儀表用于檢測(cè)抽空管線的壓力并把壓力信號(hào)傳至控制室的DCS系統(tǒng)，至少設(shè)置3個(gè)壓力儀表，降低壓降的影響；

（4）干管和抽空線連接位置：干管和抽空線的連接位置最好選擇吹洗線的中間位置，以降低離泵最遠(yuǎn)和最近容器的連接管的抽空差異。

根據(jù)上述分析，我們構(gòu)建出專用抽空系統(tǒng)如圖2所示，其中1為與容器連接管的連接處（圖1中的7），2為真空閥門，3為吹洗線支管，4為電動(dòng)真空閥門，5為真空泵，6為壓力表，7為干管，8為化學(xué)吸附塔，9為過(guò)濾器，10為抽空系統(tǒng)與吹洗線干管的連接處，11為軟管，12為DN3真空閥。

整個(gè)抽空系統(tǒng)體積為：DN25管道長(zhǎng)度為70m，體積約為35L，化學(xué)吸附塔體積為24L，過(guò)濾器體積為20L，過(guò)濾器后至真空泵前管道長(zhǎng)度為1.5m，管徑與真空泵入口管徑一致，整個(gè)系統(tǒng)的體積將超過(guò)80L。

2.2.3 真空泵的選型

因系統(tǒng)中含鈾，為避免鈾放射性真空泵油的產(chǎn)生，首選無(wú)油干式真空泵。干式真空泵主要有兩類：一類是以渦旋泵[4]為代表的動(dòng)量傳輸式干泵；另一類是羅茨泵或螺桿泵為代表的容積式干泵，具體見表1，極限壓力介于10～10-2Pa，抽速介于20～3000m3/h。

根據(jù)吹洗技術(shù)參數(shù)、抽空系統(tǒng)體積不到100L及工作壓力范圍，所選真空泵應(yīng)具有較高的壓縮比且抽空范圍要大，而抽速不需太大，而抽空深度為1Pa以下即可。根據(jù)表2，渦旋泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效容積利用系數(shù)大，較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的抽速，真空度高，可靠性高、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合用于專用抽空線。用20L/s抽速的渦旋泵安裝于專用抽空系統(tǒng)完成1次吹洗抽空，理論耗時(shí)約20s，可滿足要求。國(guó)內(nèi)外渦旋泵生產(chǎn)商很多，主要有ULVAC（愛發(fā)科）、IWATA（鹽田）、Varian公司和Edwards公司、沈科儀公司、郎禾公司等品牌。為提高抽速，渦旋泵選型時(shí)盡可能地選用相對(duì)大抽速的型號(hào)，考慮國(guó)外價(jià)格較為昂貴和抽空系統(tǒng)真空泵主備用設(shè)置，郎禾和鹽田公司的渦旋泵（20L/s抽速）各安裝1臺(tái)。表2為鹽田品牌渦旋泵的性能參數(shù)，圖3未鹽田渦旋泵不同型號(hào)的抽速曲線，從圖中可以看出鹽田ISP-1000渦旋泵可以在10-2～105Pa入口壓力范圍內(nèi)工作，且50～105Pa抽速接近20L/s，能夠滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)還可以為系統(tǒng)深抽提供方便。

2.2.4 控制系統(tǒng)

將干管壓力、泵的溫度、轉(zhuǎn)速、泵入口壓力、變頻器頻率等信號(hào)引入至控制室已有的DCS[5]系統(tǒng)并與泵、電動(dòng)真空閥之間建立聯(lián)鎖關(guān)系，從而遠(yuǎn)控實(shí)現(xiàn)泵的啟停操作和監(jiān)控，確保設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 抽空試驗(yàn)情況

3.1 抽空速度

選取離泵最遠(yuǎn)的容器RQ8連接管拆裝前的吹洗抽空工作，用于測(cè)試抽空系統(tǒng)在1次吹洗抽空中的抽空速度。試驗(yàn)方法為：將RQ8連接管管段用液氮破空至大氣，關(guān)閉破空閥后打開抽空閥開始抽空并計(jì)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，鹽田和郎禾渦旋泵均用時(shí)3min將不同位置連接管抽空至0.2mmHg以下，相比原系統(tǒng)節(jié)約6min。圖4為鹽田渦旋泵在RQ8容器連接管1次吹洗工作的抽速曲線。

3.2 直抽大氣試驗(yàn)

關(guān)閉所有支管中的閥門8（圖1），通過(guò)破空閥12（圖2）進(jìn)行對(duì)整改吹洗線系統(tǒng)進(jìn)行破空至大氣平衡后開始啟動(dòng)抽空并計(jì)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，鹽田和郎禾渦旋泵均能在20min內(nèi)將系統(tǒng)抽空至0.2mmHg以下，可以滿足系統(tǒng)技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)前期的計(jì)算、構(gòu)建、安裝、試驗(yàn)，專用抽空系統(tǒng)基本滿足工廠生產(chǎn)所需，提高了效率。干式渦旋泵的應(yīng)用，有效避免放射性真空泵油的產(chǎn)生，可推廣應(yīng)用其他系統(tǒng)，比如替代取樣系統(tǒng)的水環(huán)式真空泵、滑閥泵等。此外，后續(xù)可進(jìn)行國(guó)產(chǎn)渦旋泵的考核試驗(yàn)，以驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口渦旋泵的性能、穩(wěn)定性等差異，如果差異不大，可以考慮選用國(guó)產(chǎn)渦旋泵，其成本直接降低1/3以上。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊乃恒.真空獲得設(shè)備[M]北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[2] 郭方淮.實(shí)用真空技術(shù)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社， 2012.

[3] 張以忱.真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 2013.

[4] 李澤宇，李連生.渦旋式真空泵的發(fā)展回顧[J].通用機(jī)械，2010（1）：87-90.

[5] 崔起明.PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)基本特點(diǎn)和差異[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（3）：91-93.