鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置的研制與應(yīng)用

陳福平，李紹海，趙 波，曹 放，苑海濤，張慧研，周麗華，王 欣

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

隨著地浸采鈾技術(shù)的快速發(fā)展，地浸采鈾已成為中國鈾礦采冶的重要組成部分。地浸采鈾是指在巖石不發(fā)生位移的情況下，將所配制的浸出劑通過管道注入含鈾礦層，浸出礦體中的金屬鈾；然后用潛水泵將抽液井中的浸出液提升至地表，浸出液經(jīng)過水冶處理得到產(chǎn)品[1-2]。相對于傳統(tǒng)采礦方法，地浸采鈾生產(chǎn)要素比較集中，生產(chǎn)中的各個工序都需要進行計量、監(jiān)測和控制[3]。

內(nèi)蒙某鈾礦以硫酸為浸出劑進行酸法地浸開采，在每個井場的集控室，將多個生產(chǎn)井的浸出液用潛水泵從地下抽出。為了保證礦石中鈾的浸出率，同時避免硫酸和氧化劑等的過量消耗，需要嚴(yán)格測量或控制浸出液中的鈾濃度、pH、ORP等參數(shù)。地浸鈾礦山的1個井場集控室一般集中控制約35個生產(chǎn)井，1個地浸鈾礦山大約有十幾個井場集控室[4]。該鈾礦山地浸井場采用傳統(tǒng)人工取樣和分析測量方法，耗費大量人工與試劑。因此，研制鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置，用于鈾礦山地浸井場集控室生產(chǎn)井浸出液中鈾濃度、pH、ORP等參數(shù)的自動在線取樣與測量，對及時掌握每個生產(chǎn)井的狀態(tài)、金屬衡算以及對鈾礦山地浸工藝實現(xiàn)自動化、智能化有著重要的意義。

1 自動巡回檢測裝置設(shè)計原則

地浸生產(chǎn)過程中，潛水泵把每個生產(chǎn)井的浸出液經(jīng)抽液支管輸送至的集控室的抽注液管道間，浸出液匯聚至抽液主管后被輸送至水冶廠進一步處理。因此，自動巡回檢測裝置安裝位置選擇在集控室的抽注液管道間最為理想。根據(jù)地浸采鈾工藝過程，自動巡回檢測裝置的設(shè)計遵循以下原則：1)在進行自動巡回檢測和保養(yǎng)維修時，不能影響浸出液正常流動；2)巡回檢測裝置取樣流路、測量流通池和測量傳感器電極需具有一定耐壓能力，以適應(yīng)浸出液輸送管道的密閉性，并保證取樣與測量過程中被測溶液與外界的密封隔離，減少外界因素對測量的影響；3)測量過程不添加任何其他物質(zhì)，測量完成后的溶液能安全返回抽液主管，不會對浸出液造成污染；4)在細長的取樣軟管流路中設(shè)置水樣輸送動力裝置，把從抽液支管中取得的水樣準(zhǔn)確可靠地輸送至密封流通池中進行測量，并把檢測后的水樣輸送回抽液主管；5)在每個抽液支管設(shè)置1個耐腐蝕取樣電動球閥，采用程序控制掃描巡測方式控制電動球閥的開啟和關(guān)閉，完成對每個生產(chǎn)井浸出液的取樣和多參數(shù)測量；6)考慮巡回檢測裝置的可重復(fù)使用性，當(dāng)一個井場的金屬鈾開采完畢后，巡回檢測裝置經(jīng)過簡單拆卸后可移至下一個井場集控室繼續(xù)使用；7)在取樣流路上設(shè)置流量檢測儀表，當(dāng)水樣流量小于設(shè)定值時，自動跳過對該路溶液的測量并進入下一個水樣的測量，提高測量結(jié)果的可靠性；8)在隔膜計量泵出口設(shè)置帶壓力接點的壓力表，提高巡回檢測裝置運行的安全性。

2 自動巡回檢測裝置設(shè)計內(nèi)容

依據(jù)上述巡回檢測裝置設(shè)計原則，設(shè)計了多路生產(chǎn)井浸出液自動巡回檢測裝置，如圖1所示。該自動巡回檢測裝置包括：多路取樣系統(tǒng)、多參數(shù)分析系統(tǒng)、被測水樣返回系統(tǒng)以及計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 自動巡回檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 多路取樣系統(tǒng)

多路取樣系統(tǒng)包括以下部件。

2.1.1 電動球閥

閥體通徑為DN15，閥體材料為耐腐蝕UPVC，由驅(qū)動電機帶動球形閥芯正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動球閥的開啟或關(guān)閉。該電動球閥由工業(yè)平板計算機控制。

2.1.2 水樣軟管

巡回檢測裝置各個部件之間，從抽液支管取樣口至巡回檢測裝置水樣入口，以及被測水樣出口至抽液主管之間均采用內(nèi)徑8 mm、外徑12 mm的PU塑料軟管連接。

2.1.3 多通管件

各抽液支管的浸出液通過多根內(nèi)徑8 mm、外徑12 mm的PU塑料軟管，通過多通管件連接至隔膜計量泵入口，實現(xiàn)巡回檢測裝置多路取樣功能。

2.1.4 計量泵

選用KD180/0.5型隔膜計量泵，確保巡回檢測裝置從不同抽液支管上取樣流量的一致性。該泵與水樣接觸部分選用UPVC材料。

2.1.5 流量計

選用LDY-10S型電磁流量計，測量范圍0.2～2.0 m3/h，供電電壓24 V，輸出RS485標(biāo)準(zhǔn)信號，供平板計算機采集被測水樣流量。當(dāng)被測水樣流量小于設(shè)定值時，平板計算機判定該路抽液鉆孔無水樣而自動跳過測量。

2.1.6 壓力表

選用YXH-100型不銹鋼電接點壓力表，測量范圍0～1 MPa。當(dāng)巡回檢測裝置取樣流路壓力達到壓力表設(shè)定的報警上限時，上限報警接點斷開，隔膜計量泵停止運行。

2.2 多參數(shù)分析系統(tǒng)

2.2.1 鈾濃度測量

鈾濃度測量流通池容積約5 L，選用UPVC材料，流通池上設(shè)置鉛金屬屏蔽罩，以防止環(huán)境γ射線對鈾濃度測量探頭的干擾。

利用內(nèi)嵌黃餅的NaI(Tl)探測器對溶液進行γ能譜測量，分析235U在185.7 keV的γ能量峰峰面積，扣除黃餅的自有本底后，得出235U在185.7 keV的γ能量峰凈峰面積。由于被測溶液的體積一定，故根據(jù)以上面積可計算出溶液的鈾濃度。

NaI(Tl)探測器在長期工作過程中，受到環(huán)境溫度變化、電子學(xué)線路參數(shù)變化、自身性能變化等因素的影響，235U在185.7 keV的γ能量峰峰位會發(fā)生變化，進而影響鈾濃度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。NaI(Tl)探測器中的內(nèi)嵌黃餅，可作為235U在185.7 keV的γ能量峰峰位的指示器；一旦獲得被測鈾溶液的γ能譜，就可利用這個指示器尋找到235U在185.7 keV的γ能量峰峰位，進而消除上述因素對測量的影響[5]。

2.2.2 pH和ORP測量

根據(jù)鈾礦山地浸井場集控室工藝及環(huán)境條件，要求測量生產(chǎn)井浸出液pH和ORP的傳感器探頭具有結(jié)構(gòu)簡潔、安裝使用方便等特點。自動巡回檢測裝置采用復(fù)合型測量電極，該電極集成了指示電極、參比電極以及測溫元件[6-7]。選用的傳感器探頭具有以下特點：1)采用聚四氟乙烯(PTFE)環(huán)狀隔膜，抗污染、抗阻塞，耐強酸腐蝕；2)采用夾有KCl的聚合塑料基體，即采用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，使參比電極的耐壓能力大為提高；3)采用包含測溫元件的復(fù)合電極，使其具有溫度補償功能；4)采用小型數(shù)字化一體式傳感器探頭，即傳感器探頭將復(fù)合型電極產(chǎn)生的與pH、ORP相關(guān)的模擬信號就地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的RS485數(shù)字信號，供工業(yè)平板計算機進行數(shù)據(jù)采集與處理。

2.3 被測水樣返回系統(tǒng)

被測水樣流經(jīng)測量流通池測量后，在隔膜計量泵的驅(qū)動下，通過塑料軟管輸送至抽液主管，形成完整閉環(huán)系統(tǒng)，避免因被測水樣外排造成金屬鈾的損失和對環(huán)境的污染。

2.4 計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

用工業(yè)平板計算機對巡回檢測裝置的電動球閥、隔膜計量泵等的啟動或停止進行控制；采集鈾濃度、pH、ORP探頭的信號，進行數(shù)據(jù)處理后在液晶屏上顯示，并將各參數(shù)的測量數(shù)據(jù)自動存儲和輸出給PLC控制系統(tǒng)。

3 自動巡回檢測裝置研制樣機

設(shè)計完成的巡回檢測裝置寬2.0 m、厚1.1 m、高1.8 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 巡回檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

巡回檢測裝置工業(yè)平板計算機顯示屏如圖3 所示。左邊顯示每個抽液鉆孔的運行狀態(tài)，包括停止、運行、待機；右邊顯示每個抽液鉆孔的測量結(jié)果。如果不需要顯示測量結(jié)果，可以點擊設(shè)置菜單中的隱藏測量結(jié)果子菜單，即可實現(xiàn)全屏顯示所有抽液鉆孔運行狀態(tài)。

圖3 工業(yè)平板計算機顯示屏

4 巡回檢測裝置現(xiàn)場應(yīng)用

為了檢驗巡回檢測裝置的實際效果，在內(nèi)蒙某鈾礦山地浸井場集控室進行了現(xiàn)場連續(xù)試驗。對試驗井場集控室的38路生產(chǎn)井浸出液進行在線多參數(shù)測量，測量每路生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP，并與人工取樣實驗室分析數(shù)據(jù)進行對比，以檢驗巡回檢測裝置的性能和測量精度。

設(shè)計的巡回檢測裝置測量范圍及精度要求：1)鈾質(zhì)量濃度測量范圍為5～100 mg/L，精度≤±15%；2)pH測量范圍為1.00～7.00，精度≤±0.1 pH；3)ORP測量范圍為-1 000～+1 000 mV，精度≤±10 mV。

進行了約1個月的現(xiàn)場試驗，部分生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP在線分析結(jié)果與人工取樣實驗室分析結(jié)果見表1。

表1 自動巡回檢測裝置在線分析結(jié)果與實驗室人工分析結(jié)果對比

表1(續(xù))

從表1可看出，鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置對集控室生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP進行在線測量時，鈾濃度測量誤差≤±15%；pH測量誤差≤±0.1 pH；ORP測量誤差≤±10 mV，達到了自動巡回檢測裝置的設(shè)計目標(biāo)。自動巡回檢測裝置性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足鈾礦山地浸井場集控室多路生產(chǎn)井浸出液的在線測量需要。

5 結(jié)論

研制的鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置采用工業(yè)平板計算機循環(huán)掃描各個取樣電動球閥的方式，實現(xiàn)對各生產(chǎn)井浸出液的自動取樣，并在線測量每路生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP。現(xiàn)場試驗表明，自動巡回檢測裝置測量精度能夠滿足工藝要求，裝置運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)24 h無人值守在線測量。