氬氣和抽真空裝置工藝研究與調(diào)試

□韓新梅 杜海鷗 王榮東 王國芝 樸 君 姚澤文

在核工業(yè)領(lǐng)域，快堆電站一、二回路通常采用金屬鈉作為堆芯熱量傳遞的冷卻劑，由于金屬鈉的化學(xué)活性很強(qiáng)，在一定溫度下的空氣中能夠自燃，導(dǎo)致它有很大的火險性。它與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)并釋放出氫和熱量，而氫在空氣中可能發(fā)生燃燒甚至?xí)斜ǖ奈ｋU性。因此，鈉冷快堆在正常運(yùn)行工況下，熔融的液態(tài)鈉被包容在容器和管路中，要求該設(shè)備及管路中的氣體氛圍滿足一定要求，并且液態(tài)金屬鈉需受到惰性氣體的保護(hù)。本文以鈉安全綜合試驗(F204)設(shè)施為依托，設(shè)計、建造一套集涉鈉系統(tǒng)的抽真空氬氣置換及系統(tǒng)充氬的試驗裝置。通過調(diào)試試驗，總結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行的一些基本經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)鈉回路的順利運(yùn)行提供安全保證。

一、試驗裝置簡介

氬氣和抽真空裝置主要功能向鈉安全綜合試驗設(shè)施中的鈉火壓力緩解試驗裝置、鈉處理系統(tǒng)、鈉水反應(yīng)試驗裝置、鈉供給試驗回路、鈉氣溶膠專用探測試驗裝置、配管間的管道和設(shè)備中充入一定壓力的氬氣，并彌補(bǔ)上述系統(tǒng)的管道和設(shè)備因檢修造成的氬氣的損失。

氬氣供給功能主要通過下面的步驟實現(xiàn)：第一，由從工廠將液氬用槽車運(yùn)到現(xiàn)場后，用低溫輸液管將液氬送入液氬貯存罐貯存；第二，當(dāng)需要用液氬時，先將液氬送入液氬高壓罐，將進(jìn)氬閥門關(guān)閉后液氬進(jìn)入汽化器，用空氣自然循環(huán)加熱使液氬氣化；第三，在取樣口對氣化后的氬氣進(jìn)行品質(zhì)分析；第四，氣化后合格的氬氣直接進(jìn)入氬氣分配罐中；第五，從氬氣分配罐中向各個裝置或系統(tǒng)輸入氬氣，在每個裝置或系統(tǒng)前設(shè)有鈉蒸汽阱以避免鈉蒸汽進(jìn)入氣管道。

另一方面，滿足抽真空功能，在整個試驗設(shè)施進(jìn)鈉前或設(shè)備維修后進(jìn)鈉前需要對相關(guān)設(shè)備及回路進(jìn)行抽真空以保證鈉回路的品質(zhì)，用真空泵抽出回路中空氣和其它雜質(zhì)氣體，再配合氬氣置換，從而使試驗回路中的氬氣氣氛達(dá)到要求，同時，在試驗設(shè)施各試驗區(qū)緊急、事故工況下要保證向所連接的系統(tǒng)和設(shè)備補(bǔ)充合格的高純氬氣，以保證試驗裝置的安全運(yùn)行。

本裝置由抽真空系統(tǒng)和氬氣分配系統(tǒng)組成，抽真空系統(tǒng)主要由真空泵、真空監(jiān)測設(shè)備及相應(yīng)的管線、閥門和測量儀表等組成，氬氣分配系統(tǒng)主要由氬氣供應(yīng)系統(tǒng)、氬氣分配罐、鈉蒸汽阱、氬氣雜質(zhì)分析儀器及相應(yīng)的管線、閥門和測量儀表等組成。裝置流程圖見圖1。

圖1 氬氣和抽真空裝置流程圖

二、試驗裝置的主要工藝參數(shù)及工藝設(shè)備簡介

氬氣和抽真空裝置設(shè)計溫度300℃，設(shè)計壓力1.2Mpa，抽真空系統(tǒng)主要設(shè)備包括真空泵、真空監(jiān)測設(shè)備、油分離器、蒸氣捕集氣，氬氣分配系統(tǒng)主要由氬氣分配罐、鈉蒸汽阱、氣體分析儀等組成。系統(tǒng)主要特性參數(shù)見表1。

表1 氬氣和抽真空裝置技術(shù)特性表

(一)真空泵。主要功能是對相關(guān)設(shè)備及回路進(jìn)行抽真空以保證鈉回路的品質(zhì)，其主要技術(shù)指標(biāo)為：額定抽氣速：70L/s；極限真空度：1.333Pa；設(shè)計溫度：70℃；入口工作溫度：<40℃；電機(jī)功率：5.5kW。

(二)油分離器。主要功能是安裝在真空泵排氣管道中，截留真空泵排出的氣體(含油蒸汽)，以防或減少將油蒸汽排出大氣中，從而減少空氣污染，其主要技術(shù)參數(shù)為：工作壓力：0.12MPa；設(shè)計壓力：0.15MPa；工作溫度：<100℃；設(shè)計溫度：120℃；空積：0.037m3；材料：304不銹鋼；分離效率：95%(油蒸汽粒子小于10μm)。

(三)蒸汽捕集器。主要功能是蒸汽捕集器安裝在真空泵的入口管道上，用來捕集和消除真空系統(tǒng)中的水蒸氣及真空泵工作液油蒸汽，以防止其返流到真空設(shè)備中造成污染，從而提高真空系統(tǒng)的真空度，其主要技術(shù)參數(shù)為：工作壓力：1×105～13.3Pa；設(shè)計壓力：0.15MPa；工作溫度：-196～150℃；設(shè)計溫度：-196～150℃；材料：304不銹鋼，捕集效率：95%

(四)氬氣分配罐。主要功能是接受汽化的氬氣，貯存并向各用戶的設(shè)備及管道分配氬氣的設(shè)備，容器的主要參數(shù)為：容器總高為6,000mm，直徑1,530mm，容器壁厚為15mm；工作介質(zhì)：氬氣；容積：10m3；工作壓力：1.0MPa；設(shè)計壓力：1.2MPa；工作溫度：>25℃；設(shè)計溫度：100℃；材料：主體材料為304不銹鋼，底板材料為16MnR；測點(diǎn)：壓力表。

(五)鈉蒸汽阱。鈉蒸汽阱結(jié)構(gòu)形式采用雙套管逆向換熱，壓縮空氣走外套管，含鈉蒸汽的氬氣走內(nèi)管，在內(nèi)管填充不銹鋼絲網(wǎng)用以攔截冷凝下來的鈉液滴。主要功能是鈉蒸汽阱是用于冷凝鈉設(shè)備氣腔中覆蓋氬氣中的鈉蒸汽，以防止鈉蒸汽進(jìn)入管道，阻塞閥門的設(shè)備。其主要要技術(shù)參數(shù)為：工作壓力：1.0MPa；設(shè)計壓力：1.2MPa；工作溫度：>25℃；設(shè)計溫度：300℃；最大流量：20m3/h；工作介質(zhì)：含鈉蒸汽的氬氣、壓縮空氣；內(nèi)管為Ф168×8，外套管為Ф194×8；材料：304不銹鋼；測點(diǎn)：二個熱電偶、一個壓力表。

(六)氣體分析儀。包含便攜式水分析儀和便攜式氧分析儀，主要用于分析氬氣中的雜質(zhì)含量，主要是水氧含量，以監(jiān)控氬氣品質(zhì)。

1.水分析儀技術(shù)特性。量程：(-110～+20)°C DP；測量氣體種類：壓縮空氣、O2、H2、CO2、N2、CO、SF6、天然氣、甲烷和乙炔等大多數(shù)化工氣體，以及所有的惰性氣體等；準(zhǔn)確度：+/-2°C DP；重復(fù)性：+/-0.5°C DP；顯示單位：°C(DP)、PPMv、PPMw、g/升、；響應(yīng)時間：正常操作時20秒可達(dá)到讀數(shù)的95%，每次測量時間小于5分鐘；工作溫度：(-20～+50)°C；存儲溫度：(-50～+70)°C。

2.氧分析儀技術(shù)特性。量程：0-10/100/1,000ppm/0-1%O2；測量氣體種類：類似N2、惰性氣體的一般性氣體，含CO2或硫化物的酸性氣體，含劇毒的有毒氣(測量時出氣口不能排空)；靈敏度：0.05ppm；工作溫度：(+5～+45)°C；響應(yīng)時間：正常操作時10秒可達(dá)到讀數(shù)的90%；工作壓力：(0.1～2)Bar，最好小于1Bar；流量范圍：供氣流量在(0.1～2)L/min，最好為(0.2～1)L/min。

三、試驗裝置的調(diào)試

經(jīng)過前期對試驗裝置的工藝流程、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計以及儀控點(diǎn)的施工設(shè)計后，氬氣和抽真空裝置順利地完成了建造。在進(jìn)行正常試驗前，首先對試驗裝置的主要設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試對象包括抽真空裝置及氬氣供給裝置的主要設(shè)備(例如真空泵、真空計、油分離器、蒸汽捕集器、氬氣分配罐、氣體分析儀)及相應(yīng)的閥門、儀表等。調(diào)試的主要目的：一是通過對該試驗裝置各項功能的調(diào)試，找到可能存在的缺陷和不足并給予完善。二是通過調(diào)試，保證氬氣和抽真空裝置在抽真空機(jī)沖氬過程中各設(shè)備能正常工作，各電動閥門能夠準(zhǔn)確控制開閉狀態(tài)，各儀表能準(zhǔn)確測量試驗數(shù)據(jù)，試驗裝置的各項工藝參數(shù)都能夠得到準(zhǔn)確、有效的控制。三是通過調(diào)試，收集、整理并調(diào)整回路的運(yùn)行參數(shù)，制定合理的運(yùn)行方式。

本系統(tǒng)在調(diào)試過程中需要下列公用系統(tǒng)配合調(diào)試：一是鈉供給試驗回路；二是正常送排風(fēng)系統(tǒng)。

氬氣和抽真空裝置在各試驗裝置、系統(tǒng)充鈉前進(jìn)行抽真空和氬氣置換。在以下系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，需要本系統(tǒng)向鈉安全綜合試驗設(shè)施中各系統(tǒng)的管道和設(shè)備中充滿氬氣，故本系統(tǒng)需配合以下各個系統(tǒng)的調(diào)試：一是鈉火壓力緩解試驗裝置；二是鈉處理試驗裝置；三是鈉水反應(yīng)綜合試驗裝置；四是鈉氣溶膠專用探測試驗裝置。

氬氣和抽真空裝置的調(diào)試試驗內(nèi)容包括儀表、電氣控制調(diào)試、抽真空氬氣置換試驗、回路充氬試驗等。本裝置的測量儀表主要有壓力傳感器、熱電偶、真空計以及氣體分析儀。安裝完成后需要對這些儀表進(jìn)行校準(zhǔn)、調(diào)試，確保能夠準(zhǔn)確測量回路各點(diǎn)的參數(shù)，保證實驗順利開展，得到準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。該類儀器在安裝前都進(jìn)行過檢定和校準(zhǔn)，在調(diào)試中沒有出現(xiàn)問題，能正常顯示讀數(shù)。

(一)氬氣和抽真空裝置的抽真空氬氣置換試驗。為了使本試驗回路處于無氧的狀態(tài)，需要對回路進(jìn)行抽真空及充氬氣試驗，以保證回路氣氛水氧達(dá)到要求。啟動真空泵前，檢查設(shè)備及管道連接是否完好，打開相應(yīng)的閥門，啟動真空泵，打開需要抽真空的系統(tǒng)或設(shè)備的相關(guān)閥門，對系統(tǒng)的各用戶進(jìn)行逐個的抽氣，抽完一個，再抽第二個，并在一定時間內(nèi)達(dá)到規(guī)定的真空度(133.3±5Pa)，隨后關(guān)閉真空泵前相應(yīng)的閥門，關(guān)閉真空泵。真空度達(dá)到要求并能維持一段時間后，對各系統(tǒng)進(jìn)行氬氣置換。

1)每抽完一個系統(tǒng)或設(shè)備(用戶)，進(jìn)行充氬直到壓力達(dá)到0.05MPa為止，然后通過水氧分析儀對氬氣品質(zhì)進(jìn)行檢測，若不合要求，對此系統(tǒng)(用戶)再次進(jìn)行氣體置換工作(抽真空、充氬氣、品質(zhì)檢測)，直到氬氣品質(zhì)符合要求為止。

2)高純度氬氣質(zhì)量指標(biāo)如表2所示。

表2

3)向各個系統(tǒng)充氬氣后，放置24小時，再次對氬氣進(jìn)行在線取樣分析，監(jiān)測系統(tǒng)氣壓，氬氣中氧含量、水含量達(dá)到要求后，氬氣置換操作完成。如不能達(dá)到要求，重復(fù)抽真空及氬氣置換操作。

(二)回路充氬實驗。氬氣分配罐部分在正常運(yùn)行時，工作溫度為常溫，主管道的工作壓力為1.0MPa，通過各條供氣管道的電動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)供氣流量，滿足用戶的要求。在各試驗系統(tǒng)裝置正常運(yùn)行條件下氬氣分配部分應(yīng)當(dāng)用截止閥與系統(tǒng)(用戶)隔斷。為了防止用戶氣腔壓力超過允許值，在氬氣分配罐及主管道上裝有安全閥，當(dāng)壓力超過某一限值時，安全閥自動起跳，迅速泄壓，氬氣就地排入通風(fēng)管中。在鈉設(shè)備上裝有壓力表，當(dāng)進(jìn)行充鈉操作時運(yùn)行人員必須根據(jù)壓力表的數(shù)值開啟排氣閥門，以防鈉設(shè)備氬氣超壓。

1.打開相應(yīng)的充氣截止閥，根據(jù)試驗要求開啟供氣管道上相應(yīng)閥門，依次向各個設(shè)備或管道供氣。

2.待氬氣壓力達(dá)到試驗要求，關(guān)閉截止閥及相應(yīng)設(shè)備及管道上的氣體閥門。

四、結(jié)語

本文主要對鈉安全綜合實驗設(shè)施中公共輔助系統(tǒng)氬氣和抽真空裝置的功能、設(shè)計參數(shù)、工藝設(shè)備等進(jìn)行了介紹，隨后對系統(tǒng)的調(diào)試步驟進(jìn)行了說明。通過對該裝置的調(diào)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的抽真空，真空泵運(yùn)行半小時左右系統(tǒng)能達(dá)到要求的真空度，要使系統(tǒng)的水氧含量達(dá)到要求，一般需要進(jìn)行三次或以上的抽真空及氬氣置換試驗。通過對本系統(tǒng)的調(diào)試，積累了后續(xù)對各個試驗段進(jìn)行試驗的經(jīng)驗，總結(jié)出抽真空氬氣置換及系統(tǒng)充氬過程的操作步驟，為后續(xù)整個試驗臺架的安全運(yùn)行、各試驗任務(wù)順利開展奠定了基礎(chǔ)。