無(wú)油干式渦旋泵在鈾濃縮工廠的應(yīng)用

孫繼全　關(guān)成明　龐殿玲

【摘 要】鈾濃縮工廠生產(chǎn)應(yīng)用了大量不同類型的真空泵，本文針對(duì)氣體吹洗、零位、抽空等系統(tǒng)使用的真空泵在操作性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面的不足，應(yīng)用無(wú)油干式渦旋泵替代噴射泵、滑閥泵及水環(huán)式真空泵，并對(duì)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析、解決。渦旋泵的成功應(yīng)用，簡(jiǎn)少了系統(tǒng)設(shè)備組成，提高了設(shè)備操作自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備運(yùn)行能耗及維護(hù)成本。

【關(guān)鍵詞】渦旋泵；噴射泵；滑閥泵；水環(huán)真空泵；真空

中圖分類號(hào)： TB752 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0153-002

0 引言

鈾濃縮是核燃料循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，鈾濃縮工廠在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用了大量不同類型的真空泵，部分類型真空泵的應(yīng)用還是上世紀(jì)七、八十年代的設(shè)計(jì)理念，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在諸多不足，與工廠自動(dòng)化、無(wú)人值守的發(fā)展趨勢(shì)不相符。無(wú)油干式渦旋泵（下文簡(jiǎn)稱渦旋泵）發(fā)展已較為成熟，其獨(dú)有的工作特性及優(yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用到航天航空、鋼鐵、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域，但目前在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)到渦旋泵在鈾濃縮工廠應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)告。

1 渦旋泵簡(jiǎn)介

1.1 渦旋泵的發(fā)展

渦旋理論源于法國(guó)人Leno Creux于1905年以可逆轉(zhuǎn)的渦旋膨脹機(jī)為題申請(qǐng)的美國(guó)專利。渦旋泵性能包括其極限真空度、抽速、能耗、噪音和振動(dòng)等，性能是由泵的容積效率、泄露、摩擦等因素造成的，而這些因素主要是由渦旋盤(pán)的加工精度決定，所以在渦旋泵的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，保證渦旋盤(pán)的加工精度非常重要。在渦旋泵的研制早期，限于制造水平，渦旋盤(pán)渦旋齒形線的加工精度無(wú)法得到保證，渦旋機(jī)械在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有被制造出來(lái)。直到20世紀(jì)70年代，高精度數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)才為渦旋機(jī)械的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇[1]。

目前市場(chǎng)上的渦旋泵多屬于風(fēng)冷式無(wú)油干泵，它與潤(rùn)滑油真空泵在于泵腔內(nèi)不含任何油類和液體，因此解決泵內(nèi)的密封性和冷卻問(wèn)題也是其研究的關(guān)鍵，風(fēng)冷式無(wú)油干泵是在1998年才由Sawada T研制成功。

國(guó)外渦旋泵研制能力較強(qiáng)的公司主要有美國(guó)Varian、英國(guó)Edwards、德國(guó)Leybold和日本Iwata等，渦旋泵的初期產(chǎn)品主要以小抽速為主，多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，隨著機(jī)械加工、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量科學(xué)等技術(shù)的快速進(jìn)步，渦旋泵已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、航天航空、食品、醫(yī)藥等行業(yè)，成為清潔無(wú)油真空環(huán)境的優(yōu)選抽氣設(shè)備。國(guó)內(nèi)研制渦旋泵的公司也有好幾家，經(jīng)過(guò)十幾年的沉淀與發(fā)展，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多次的更新?lián)Q代，目前國(guó)產(chǎn)的渦旋泵服務(wù)領(lǐng)域涵蓋了汽車(chē)、航天航空、鋼鐵、石油化工、分析測(cè)試儀器等行業(yè)。

1.2 渦旋泵工作原理

渦旋泵的主要性能特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子間隙小、泄漏少，具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內(nèi)有穩(wěn)定的抽速，工作壓力范圍寬，且大多渦旋泵采用風(fēng)冷卻，這對(duì)于在鈾濃縮工廠應(yīng)用是比較有利的；由于其工作腔容積的變化時(shí)連續(xù)的，因而驅(qū)動(dòng)扭矩變化小，振動(dòng)噪聲低，這是其它大多類型的干式真空泵所不具備的。

渦旋泵由泵頭、電機(jī)、機(jī)座等構(gòu)成，其中泵頭含有動(dòng)、定渦旋盤(pán)、曲軸、密封件、風(fēng)扇和泵殼等，渦旋盤(pán)為圓形平面和其上伸出的一條或幾條漸開(kāi)線型螺旋盤(pán)組成，定渦旋盤(pán)與動(dòng)渦旋盤(pán)組成渦旋盤(pán)付構(gòu)成渦旋泵的基本工作腔。工作過(guò)程中動(dòng)、定渦旋盤(pán)依靠相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成容積不斷縮小的新月形吸氣腔和壓縮腔，通過(guò)吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)，使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)被抽腔體抽真空[2]。圖1為渦旋泵工作腔吸、排氣原理示意圖，（a）動(dòng)渦旋盤(pán)作行星（偏心）運(yùn)行，氣體從開(kāi)口外緣被吸入；（b）氣體進(jìn)入渦旋盤(pán)后，開(kāi)口封閉；（c）隨著動(dòng)渦旋盤(pán)繼續(xù)作行星運(yùn)行，氣體被壓入越來(lái)越小的空間；（d）氣體從中央排氣口排出；（e）事實(shí)上，在工作中6個(gè)氣體通道均處于不同的壓縮階段，從而保證吸、排氣過(guò)程連續(xù)不間斷。

2 氣體吹洗系統(tǒng)的應(yīng)用

鈾濃縮工廠氣體吹洗系統(tǒng)是在設(shè)備、容器、管道拆裝或檢修時(shí)為減少?gòu)S房環(huán)境的污染及保護(hù)工作人員健康而設(shè)置的。氣體吹洗系統(tǒng)后端還設(shè)有尾氣處理裝置，尾氣經(jīng)處理裝置處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排入大氣。國(guó)內(nèi)的吹洗工藝為：當(dāng)廠房?jī)?nèi)有開(kāi)放操作時(shí)，首先將內(nèi)腔的絕大部分殘余物料（六氟化鈾、氟化氫）冷凝到特定的容器內(nèi)，在拆裝作業(yè)前啟用噴射泵保證拆裝點(diǎn)內(nèi)腔處于負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)拆裝點(diǎn)內(nèi)腔殘留的極少數(shù)物料，會(huì)被大量的空氣一并帶入氣體吹洗系統(tǒng)，從而保證了廠房的清潔以及工作人員的安全。

使用噴射泵需要耗費(fèi)大量的壓縮空氣，需要專門(mén)為噴射泵配置了一套壓空系統(tǒng)，且噴射泵運(yùn)行效率極低，鈾濃縮工廠使用的噴射泵耗氣量約為0.20kg/s，相當(dāng)9.28Nm3/min，需要配套60kW的空氣壓縮機(jī)及相應(yīng)的輔助設(shè)備。因此，吹洗操作耗能?chē)?yán)重，且配套設(shè)備較多，維護(hù)費(fèi)用較大[3]。

渦旋泵能直抽大氣，選擇合適抽速的渦旋泵，完全可以應(yīng)用于氣體吹洗系統(tǒng)。相對(duì)于為噴射泵配套的60kW的空氣壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)相同的功能，渦旋泵的功率只需幾千瓦，節(jié)能效果明顯；并且，擺脫了噴射泵配套的輔助壓縮空氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)化線路，降低設(shè)備維護(hù)成本。

3 零位等系統(tǒng)的應(yīng)用

鈾濃縮工廠零位系統(tǒng)的作用是給相對(duì)壓力表負(fù)腔維持較低壓力的真空腔，是保證壓力儀表正常工作必不可少的輔助系統(tǒng)。零位系統(tǒng)抽空用真空泵采用的滑閥真空泵，其工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的高限值時(shí)，滑閥泵自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)系統(tǒng)抽空小于設(shè)定的低限值時(shí)，泵自動(dòng)停機(jī)，但為了防止滑閥泵停機(jī)時(shí)泵油返到系統(tǒng)而使真空系統(tǒng)受到泵油污染，停泵時(shí)需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)向泵口破空充氣，以確保泵內(nèi)的真空油返回到油箱內(nèi)。

鈾濃縮工廠抽空系統(tǒng)的作用是在工廠安裝、調(diào)試以及試啟動(dòng)時(shí)，抽空工廠內(nèi)設(shè)備、管道內(nèi)的空氣、氮?dú)獾?，抽空量巨大。抽空系統(tǒng)采用的也是滑閥真空泵，經(jīng)常要抽空壓力很高的腔體，而滑閥泵的工作特性決定其不能用于長(zhǎng)時(shí)間抽空大氣，滑閥泵在進(jìn)氣壓力超過(guò)75mmHg時(shí)，排氣孔會(huì)放出油霧，造成油霧的原因?yàn)椋哼M(jìn)氣壓力高造成泵內(nèi)壓縮腔的壓力顯著增高，被排氣體從小的排氣口猛烈地沖出，在小孔和排氣閥近旁的油被霧化，和氣體一起排出泵外[4]。因此當(dāng)抽空較高壓力的腔體時(shí)，需要手動(dòng)控制泵前閥門(mén)，以保證滑閥泵進(jìn)氣壓力不超過(guò)75mmHg，操作繁瑣。

還有類似的系統(tǒng)采用滑閥泵真空泵，限于滑閥泵的工作特性以及系統(tǒng)的特殊要求，不能實(shí)現(xiàn)泵啟停的遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作，并且日常維護(hù)中需要對(duì)滑閥泵定時(shí)加油、更換皮帶等，維護(hù)成本較大。而渦旋泵有較高的極限抽空能力，并且是干式無(wú)油的，應(yīng)用到零位等系統(tǒng)后，將會(huì)解決上面描述的一系列問(wèn)題，提高工廠的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

4 尾氣處理系統(tǒng)的應(yīng)用

鈾濃縮工廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的尾氣具有放射性，必須經(jīng)過(guò)尾氣處理系統(tǒng)處理且采樣分析其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，才能將尾氣排入大氣。尾氣處理系統(tǒng)采樣時(shí)抽氣采用水環(huán)式真空泵，而水環(huán)式真空泵運(yùn)行效率極低，并且如果操作順序稍微出點(diǎn)差錯(cuò)，泵內(nèi)的水就會(huì)倒流至系統(tǒng)，導(dǎo)致后續(xù)處理放射性廢水廢液的成本很大。渦旋泵無(wú)水無(wú)油，應(yīng)用到尾氣處理系統(tǒng)后，將增加系統(tǒng)固有安全性。

5 實(shí)際應(yīng)用情況

為了驗(yàn)證渦旋泵在鈾濃縮工廠的應(yīng)用效果，對(duì)渦旋泵進(jìn)行了長(zhǎng)期的耐久性運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)半年后發(fā)生了故障，故障現(xiàn)象均為渦旋盤(pán)卡死。圖2為拆解后的照片。

渦旋泵渦旋盤(pán)的加工精度的直接影響到其使用壽命，除此之外，其散熱問(wèn)題、密封問(wèn)題、材料選擇問(wèn)題、組裝過(guò)程以及調(diào)試運(yùn)行等對(duì)泵的運(yùn)行可靠性都起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)拆解情況對(duì)渦旋泵的故障原因進(jìn)行分析。

（1）泵體內(nèi)壁與動(dòng)動(dòng)渦旋盤(pán)接觸面磨損最為嚴(yán)重。渦旋泵電機(jī)傳動(dòng)軸與泵動(dòng)渦旋盤(pán)不是采用零泄漏的連接形式，因此少量的工作介質(zhì)（六氟化鈾）能通過(guò)連接軸進(jìn)入泵體內(nèi)壁處，六氟化鈾具有強(qiáng)烈的腐蝕性，而渦旋泵電機(jī)的軸承采用普通潤(rùn)滑油，所以工作介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)壁與軸承潤(rùn)滑油反應(yīng)產(chǎn)生顆粒物造成磨損。

（2）動(dòng)、靜渦旋盤(pán)接觸面摩擦痕跡不是很明顯，且靜渦旋盤(pán)內(nèi)和泵出口管道內(nèi)存有少量的顆粒物，此顆粒物是系統(tǒng)帶入的。顆粒物進(jìn)入泵腔會(huì)影響泵的工作性能，因此一般在泵的入口處都裝有過(guò)濾網(wǎng)，但裝于入口處的過(guò)濾網(wǎng)網(wǎng)眼較大（毫米級(jí)），對(duì)小型的顆粒物沒(méi)有過(guò)濾效果。

針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，對(duì)泵進(jìn)行全面清洗后，重新組裝，所有連接部件均使用耐六氟化鈾腐蝕的潤(rùn)滑脂；在泵入口安裝能有效過(guò)濾直徑大于10微米的塵埃顆粒、化學(xué)煙霧的過(guò)濾器。重新投入系統(tǒng)使用，至今已運(yùn)行4年多，效果良好。

6 結(jié)論

使用無(wú)油干式渦旋泵替代鈾濃縮工廠在生產(chǎn)中應(yīng)用的真空泵，針對(duì)鈾濃縮工廠的特殊性即工作氣體的強(qiáng)氧化性，渦旋泵使用了耐六氟化鈾腐蝕的潤(rùn)滑脂，并在泵安裝了特定的過(guò)濾器，解決了實(shí)際使用過(guò)程中渦旋盤(pán)卡死的問(wèn)題。渦旋泵的應(yīng)用，改進(jìn)了原真空泵在操作性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面的不足，簡(jiǎn)少了系統(tǒng)設(shè)備組成，提高了設(shè)備操作自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備運(yùn)行能耗及維護(hù)成本。

【參考文獻(xiàn)】

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