段建偉

【摘 要】本文分析了影響氣體離心機(jī)單機(jī)年分離功的決定因素，對實(shí)際運(yùn)行的規(guī)模離心級聯(lián)分離功提高的方法進(jìn)行了探討，最后針對運(yùn)行多年離心級聯(lián)年分離功逐漸下降的問題進(jìn)行了分析，提出了對料管有堵的離心機(jī)采取清洗疏通或更換主機(jī)的方法來恢復(fù)主機(jī)的分離性能，以期為鈾濃縮工廠提高離心級聯(lián)的年分離功提供參考。

【關(guān)鍵詞】離心機(jī);分離功;級聯(lián)優(yōu)化;混合損失

中圖分類號： TL252 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0084-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.040

Influencing Factors and Analysis of Centrifugal Cascades Separative Power

DUAN Jian-wei

（Shaanxi Uranium Enrichment Company Limited， Hanzhong Shaanxi 723312， China）

【Abstract】This paper analyzes the decisive factors of affecting the annual separative power of a single gas centrifuge. The methods of improving the actual operation of the scale centrifugal cascades separation power are discussed. Finally the problem of gradual decrease of run centrifugal cascades separation power for many years is analyzed. The methods of cleaning and dredging or replace the centrifuge with a new one to centrifuges with blocked material pipe are put forward， in order to provide reference for uranium enrichment plants to improve the annual separation power of centrifugal cascades.

【Key words】Gas centrifuge; Separative power; Cascade optimization; Mixing loss

0 引言

分離功是一種僅作用于鈾濃縮工業(yè)的度量單位，把一定量的鈾富集到一定的235U豐度所需要投入的工作量叫作分離功（SWU），以kgSWU或tSWU為單位。離心級聯(lián)的生產(chǎn)能力取決于離心機(jī)轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速和長度，但轉(zhuǎn)子的線速度受到轉(zhuǎn)子材料的限制，通過發(fā)展高比強(qiáng)度的（抗拉強(qiáng)度對于密度之比叫作比強(qiáng)度）的材料（如高強(qiáng)度鋁合金、馬氏體時(shí)效鋼、玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料）可以提高離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外，也可以發(fā)展超臨界離心機(jī)，增加轉(zhuǎn)子的長度。

隨著高強(qiáng)度、高能量新材料的不斷出現(xiàn)，使轉(zhuǎn)子線速度大幅度提高成為可能;隨著設(shè)計(jì)和工藝水平的提高，轉(zhuǎn)子的長度可以不斷增加，并由亞臨界機(jī)器發(fā)展為超臨界機(jī)器。因此，單機(jī)分離性能可以不斷提高，經(jīng)濟(jì)性越來越好。實(shí)際運(yùn)行的級聯(lián)一旦確定，那么它的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、單機(jī)分離能力等因素均已確定，影響分離功的因素為分流比，可通過級聯(lián)優(yōu)化來提高分離功。分流比是影響離心機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)，其合適與否對于離心級聯(lián)能否達(dá)到最佳的分離狀態(tài)，取得最好的經(jīng)濟(jì)效益有著極其重要的作用。但在工廠運(yùn)行級聯(lián)中離心機(jī)一旦確定，能調(diào)整的也就是級聯(lián)貧料壓力和供料流量來改變離心機(jī)的分流比了。對單機(jī)而言，分流比θ是影響其分離性能ε和分離功率δU的重要因素，而對整個(gè)級聯(lián)而言，各級分流比的合理配置可以有效減少混合損失，進(jìn)一步提高級聯(lián)效率和年分離功。

1 級聯(lián)分離能力下降的原因

一個(gè)實(shí)用的離心分離工廠往往需要幾萬臺甚至幾十萬臺離心機(jī)，鈾濃縮工廠的主工藝回路是處于負(fù)壓下工作的，因此必須保持其嚴(yán)格的真空密封。在實(shí)際運(yùn)行中，每天可通過計(jì)算日空氣漏量來監(jiān)測級聯(lián)的密封性。級聯(lián)管道或設(shè)備可能會存在一定量的微漏（允許范圍內(nèi)）。六氟化鈾極易與水發(fā)生反應(yīng)，只要有微量水蒸氣存在就會立即發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氟化鈾酰和氟化氫，反應(yīng)方程式如下所示：

UF6+2H2O→UO2F2（固）+4HF

隨著離心級聯(lián)運(yùn)行年限的增加，由于管道之間、管道與設(shè)備之間的密封圈老化，失去彈性，會出現(xiàn)一些漏點(diǎn)，漏入的空氣中的水分與UF6反應(yīng)生成固體粉末UO2F2可能會附著在離心機(jī)或管道的內(nèi)壁，這種固體粉末會越積越多，最終造成離心機(jī)失衡或料管堵塞。若離心機(jī)供料料管被堵塞，原料不能進(jìn)入離心機(jī)，則離心機(jī)就不做功;若僅精料或貧料料管堵塞，供、貧或供、精料管暢通，原料會不經(jīng)過分離直接進(jìn)入貧料或精料，造成物料的混合損失。即當(dāng)一個(gè)離心級聯(lián)運(yùn)行若干年后，由于級聯(lián)中固體附著物的累積，必然會導(dǎo)致離心機(jī)分離性能的下降，分流比減小，混合損失增大，從而使級聯(lián)的年分離功逐年下降。

2 提高級聯(lián)年分離功的方法

在日常運(yùn)行中，料管堵塞的離心機(jī)摩擦功耗往往比較高，會出現(xiàn)掉周現(xiàn)象，對其加裝升壓變壓器后或降負(fù)載后，頻率會上升。同步后，可通過對該主機(jī)做缺陷檢查，判斷出該離心機(jī)料管有漏或有堵。對有漏的離心機(jī)，通過緊固螺釘可以消漏，其消漏率可達(dá)90%以上。

判斷有堵的離心機(jī)往往不做功或做負(fù)功（造成混合損失），且隨著運(yùn)行年限的增長，有堵的離心機(jī)會越來越多，這就造成了離心級聯(lián)年分離功的逐年下降。

（1）對于異常離心機(jī)，及時(shí)判斷并斷開因料管有堵而造成混合損失的離心機(jī)，可以提高級聯(lián)的年分離功;

（2） 對于離心機(jī)料管堵塞較嚴(yán)重、數(shù)量較多的機(jī)組，可以嘗試對離心機(jī)的料管進(jìn)行清洗疏通，以恢復(fù)離心機(jī)的性能，提高年分離功。

如采用BrF3等強(qiáng)氧化劑作為清洗介質(zhì)進(jìn)行清洗疏通，三氟化溴的理化性質(zhì)：分子量：136.899;熔點(diǎn)（101.325kPa）：8.87℃;沸點(diǎn)（101.325kPa）： 125.75℃;液體密度（125.75℃，101.325kPa）：2518kg/m3;相對密度（空氣=1，15℃，氣體）： 2.37;蒸氣壓（40℃）：2.55kPa。三氟化溴在常溫常壓下為無色或淡黃色液體。暴露在空氣中能發(fā)生濃煙，空氣中不燃?；瘜W(xué)性質(zhì)很活潑，是強(qiáng)氧化劑，能使可燃物或有機(jī)物著火，在火場中能助長火勢。遇水猛烈反應(yīng)，放出劇毒煙霧。與酸類或酸霧接觸也能放出毒性強(qiáng)的溴蒸氣和氟。三氟化溴有強(qiáng)氧化性和強(qiáng)反應(yīng)活性。

三氟化溴與氟化鈾酰的反應(yīng)方程式為：

當(dāng)然，用BrF3等強(qiáng)氧化劑作為清洗介質(zhì)進(jìn)行清洗疏通的方法還需要進(jìn)一步論證。

（3）對于料管有堵的離心機(jī)也可以采用超聲波清洗，即利用超聲波在液體中的空化作用、機(jī)械作用及熱作用對液體和污物直接或間接作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在機(jī)械、電子、醫(yī)療、航空等行業(yè)，在原子能工業(yè)方面也有應(yīng)用，可以清洗燃料棒、燃料泵、鋁管類等設(shè)備。對于運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)的料流孔板有堵、主機(jī)料管有堵及增壓泵入口過濾網(wǎng)有堵等問題，可以嘗試?yán)贸暡ㄇ逑醇夹g(shù)進(jìn)行清堵。

（4）對于離心機(jī)料管堵塞較嚴(yán)重、摩功高、數(shù)量較多的機(jī)組，也可以考慮更換離心機(jī)，恢復(fù)離心機(jī)的性能，以提高級聯(lián)分離功即將某一個(gè)區(qū)段或機(jī)組退出運(yùn)行，對其吹洗，分析吹洗后設(shè)備內(nèi)的劑量合格后，拆除堵塞嚴(yán)重的離心機(jī)，安裝新的分離性能好的離心機(jī)，再進(jìn)行真空干燥、試啟動、沖擊、升周、氟里昂處理、鈍化，投入系統(tǒng)運(yùn)行等一系列工序，可恢復(fù)級聯(lián)的分離性能，提高年分離功。缺點(diǎn)：工序較多，工作量與建一個(gè)新的級聯(lián)相當(dāng)，但預(yù)后效果好。

3 結(jié)論

本文分析了影響鈾濃縮工廠離心級聯(lián)年分離功的因素，研究了提高離心級聯(lián)年分離功的幾種方法，以期為鈾濃縮工廠提高離心級聯(lián)的年分離功提供參考：

1）通過發(fā)展高比強(qiáng)度的材料可以提高離心機(jī)的轉(zhuǎn)速或增長轉(zhuǎn)筒的長度，可以提高單機(jī)分離能力，從而提高整個(gè)級聯(lián)的年分離功。

2）離心級聯(lián)的規(guī)模、離心機(jī)的類型一旦確定，可以通過對級聯(lián)的工藝工況、級聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對于級聯(lián)而言，各級分流比的合理配置可以減少混合損失，提高級聯(lián)的分離能力。

3）對于運(yùn)行多年的級聯(lián)，由于固體粉末的增多，離心機(jī)的料管、孔板及相關(guān)管道堵塞越來越嚴(yán)重，造成單機(jī)分離性能下降，影響整個(gè)級聯(lián)的分離功。

（1）對于異常離心機(jī)，及時(shí)判斷并斷開因料管有堵而造成混和損失的離心機(jī)，可以提高級聯(lián)的年分離功;

（2）可嘗試采用BrF3或超聲波對離心機(jī)進(jìn)行清洗疏通，以恢復(fù)主機(jī)的分離性能，提高級聯(lián)的年分離功。

（3）更換成分離性能好的離心機(jī)即采用新的離心機(jī)更換料管堵塞的異常離心機(jī)以恢復(fù)主機(jī)的分離性能，提高級聯(lián)的年分離功。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《化工百科全書》編輯委員會.化工百科全書（第五卷）[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社.1993：11～13.

[2]司徒杰生.化工產(chǎn)品手冊[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社.1999：1026.

[3]張存鎮(zhèn)主編，離心分離理論[M].1987：268.

[4]趙晶，曾實(shí).離心機(jī)特性參數(shù)的水力學(xué)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，46（9）：1577-1580.