無油干式渦旋泵在鈾濃縮工廠的應用

孫繼全　關成明　龐殿玲

【摘 要】鈾濃縮工廠生產應用了大量不同類型的真空泵，本文針對氣體吹洗、零位、抽空等系統使用的真空泵在操作性、安全性以及經濟性等多方面的不足，應用無油干式渦旋泵替代噴射泵、滑閥泵及水環式真空泵，并對應用過程中出現的問題進行了分析、解決。渦旋泵的成功應用，簡少了系統設備組成，提高了設備操作自動化程度，降低了設備運行能耗及維護成本。

【關鍵詞】渦旋泵；噴射泵；滑閥泵；水環真空泵；真空

中圖分類號： TB752 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）04-0153-002

0 引言

鈾濃縮是核燃料循環中的重要環節，鈾濃縮工廠在生產過程中應用了大量不同類型的真空泵，部分類型真空泵的應用還是上世紀七、八十年代的設計理念，在實際生產過程中存在諸多不足，與工廠自動化、無人值守的發展趨勢不相符。無油干式渦旋泵（下文簡稱渦旋泵）發展已較為成熟，其獨有的工作特性及優勢已經應用到航天航空、鋼鐵、石油化工等多個領域，但目前在國內還未見到渦旋泵在鈾濃縮工廠應用的相關文獻和報告。

1 渦旋泵簡介

1.1 渦旋泵的發展

渦旋理論源于法國人Leno Creux于1905年以可逆轉的渦旋膨脹機為題申請的美國專利。渦旋泵性能包括其極限真空度、抽速、能耗、噪音和振動等，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的加工精度決定，所以在渦旋泵的設計與生產中，保證渦旋盤的加工精度非常重要。在渦旋泵的研制早期，限于制造水平，渦旋盤渦旋齒形線的加工精度無法得到保證，渦旋機械在很長一段時間內都沒有被制造出來。直到20世紀70年代，高精度數控機床的出現才為渦旋機械的發展帶來了機遇[1]。

目前市場上的渦旋泵多屬于風冷式無油干泵，它與潤滑油真空泵在于泵腔內不含任何油類和液體，因此解決泵內的密封性和冷卻問題也是其研究的關鍵，風冷式無油干泵是在1998年才由Sawada T研制成功。

國外渦旋泵研制能力較強的公司主要有美國Varian、英國Edwards、德國Leybold和日本Iwata等，渦旋泵的初期產品主要以小抽速為主，多應用于實驗室，隨著機械加工、材料科學、計算機技術、測量科學等技術的快速進步，渦旋泵已廣泛應用于半導體、航天航空、食品、醫藥等行業，成為清潔無油真空環境的優選抽氣設備。國內研制渦旋泵的公司也有好幾家，經過十幾年的沉淀與發展，產品經過多次的更新換代，目前國產的渦旋泵服務領域涵蓋了汽車、航天航空、鋼鐵、石油化工、分析測試儀器等行業。

1.2 渦旋泵工作原理

渦旋泵的主要性能特點是轉子間隙小、泄漏少，具有較高的壓縮比，在較寬的壓力范圍內有穩定的抽速，工作壓力范圍寬，且大多渦旋泵采用風冷卻，這對于在鈾濃縮工廠應用是比較有利的；由于其工作腔容積的變化時連續的，因而驅動扭矩變化小，振動噪聲低，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、機座等構成，其中泵頭含有動、定渦旋盤、曲軸、密封件、風扇和泵殼等，渦旋盤為圓形平面和其上伸出的一條或幾條漸開線型螺旋盤組成，定渦旋盤與動渦旋盤組成渦旋盤付構成渦旋泵的基本工作腔。工作過程中動、定渦旋盤依靠相對運動形成容積不斷縮小的新月形吸氣腔和壓縮腔，通過吸氣、壓縮、排氣的循環，使氣體從抽氣口吸入、排氣口排出，實現對被抽腔體抽真空[2]。圖1為渦旋泵工作腔吸、排氣原理示意圖，（a）動渦旋盤作行星（偏心）運行，氣體從開口外緣被吸入；（b）氣體進入渦旋盤后，開口封閉；（c）隨著動渦旋盤繼續作行星運行，氣體被壓入越來越小的空間；（d）氣體從中央排氣口排出；（e）事實上，在工作中6個氣體通道均處于不同的壓縮階段，從而保證吸、排氣過程連續不間斷。

2 氣體吹洗系統的應用

鈾濃縮工廠氣體吹洗系統是在設備、容器、管道拆裝或檢修時為減少廠房環境的污染及保護工作人員健康而設置的。氣體吹洗系統后端還設有尾氣處理裝置，尾氣經處理裝置處理達到排放標準后排入大氣。國內的吹洗工藝為：當廠房內有開放操作時，首先將內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，在拆裝作業前啟用噴射泵保證拆裝點內腔處于負壓狀態，此時拆裝點內腔殘留的極少數物料，會被大量的空氣一并帶入氣體吹洗系統，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大量的壓縮空氣，需要專門為噴射泵配置了一套壓空系統，且噴射泵運行效率極低，鈾濃縮工廠使用的噴射泵耗氣量約為0.20kg/s，相當9.28Nm3/min，需要配套60kW的空氣壓縮機及相應的輔助設備。因此，吹洗操作耗能嚴重，且配套設備較多，維護費用較大[3]。

渦旋泵能直抽大氣，選擇合適抽速的渦旋泵，完全可以應用于氣體吹洗系統。相對于為噴射泵配套的60kW的空氣壓縮機來說，實現相同的功能，渦旋泵的功率只需幾千瓦，節能效果明顯；并且，擺脫了噴射泵配套的輔助壓縮空氣系統，簡化線路，降低設備維護成本。

3 零位等系統的應用

鈾濃縮工廠零位系統的作用是給相對壓力表負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。零位系統抽空用真空泵采用的滑閥真空泵，其工作原理為：當系統內壓力達到設定的高限值時，滑閥泵自動啟動對系統抽真空，當系統抽空小于設定的低限值時，泵自動停機，但為了防止滑閥泵停機時泵油返到系統而使真空系統受到泵油污染，停泵時需要工作人員到現場手動向泵口破空充氣，以確保泵內的真空油返回到油箱內。

鈾濃縮工廠抽空系統的作用是在工廠安裝、調試以及試啟動時，抽空工廠內設備、管道內的空氣、氮氣等，抽空量巨大。抽空系統采用的也是滑閥真空泵，經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時間抽空大氣，滑閥泵在進氣壓力超過75mmHg時，排氣孔會放出油霧，造成油霧的原因為：進氣壓力高造成泵內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]。因此當抽空較高壓力的腔體時，需要手動控制泵前閥門，以保證滑閥泵進氣壓力不超過75mmHg，操作繁瑣。

還有類似的系統采用滑閥泵真空泵，限于滑閥泵的工作特性以及系統的特殊要求，不能實現泵啟停的遠程自動化操作，并且日常維護中需要對滑閥泵定時加油、更換皮帶等，維護成本較大。而渦旋泵有較高的極限抽空能力，并且是干式無油的，應用到零位等系統后，將會解決上面描述的一系列問題，提高工廠的自動化水平，實現無人值守。

4 尾氣處理系統的應用

鈾濃縮工廠生產中產生的尾氣具有放射性，必須經過尾氣處理系統處理且采樣分析其達到排放標準，才能將尾氣排入大氣。尾氣處理系統采樣時抽氣采用水環式真空泵，而水環式真空泵運行效率極低，并且如果操作順序稍微出點差錯，泵內的水就會倒流至系統，導致后續處理放射性廢水廢液的成本很大。渦旋泵無水無油，應用到尾氣處理系統后，將增加系統固有安全性。

5 實際應用情況

為了驗證渦旋泵在鈾濃縮工廠的應用效果，對渦旋泵進行了長期的耐久性運行試驗，試驗半年后發生了故障，故障現象均為渦旋盤卡死。圖2為拆解后的照片。

渦旋泵渦旋盤的加工精度的直接影響到其使用壽命，除此之外，其散熱問題、密封問題、材料選擇問題、組裝過程以及調試運行等對泵的運行可靠性都起著至關重要的作用。根據拆解情況對渦旋泵的故障原因進行分析。

（1）泵體內壁與動動渦旋盤接觸面磨損最為嚴重。渦旋泵電機傳動軸與泵動渦旋盤不是采用零泄漏的連接形式，因此少量的工作介質（六氟化鈾）能通過連接軸進入泵體內壁處，六氟化鈾具有強烈的腐蝕性，而渦旋泵電機的軸承采用普通潤滑油，所以工作介質進入內壁與軸承潤滑油反應產生顆粒物造成磨損。

（2）動、靜渦旋盤接觸面摩擦痕跡不是很明顯，且靜渦旋盤內和泵出口管道內存有少量的顆粒物，此顆粒物是系統帶入的。顆粒物進入泵腔會影響泵的工作性能，因此一般在泵的入口處都裝有過濾網，但裝于入口處的過濾網網眼較大（毫米級），對小型的顆粒物沒有過濾效果。

針對這兩個問題，對泵進行全面清洗后，重新組裝，所有連接部件均使用耐六氟化鈾腐蝕的潤滑脂；在泵入口安裝能有效過濾直徑大于10微米的塵埃顆粒、化學煙霧的過濾器。重新投入系統使用，至今已運行4年多，效果良好。

6 結論

使用無油干式渦旋泵替代鈾濃縮工廠在生產中應用的真空泵，針對鈾濃縮工廠的特殊性即工作氣體的強氧化性，渦旋泵使用了耐六氟化鈾腐蝕的潤滑脂，并在泵安裝了特定的過濾器，解決了實際使用過程中渦旋盤卡死的問題。渦旋泵的應用，改進了原真空泵在操作性、安全性以及經濟性等多方面的不足，簡少了系統設備組成，提高了設備操作自動化程度，降低了設備運行能耗及維護成本。

【參考文獻】

[1]楊旭，等.渦旋式真空泵現狀和發展趨勢分析[J].重慶工商大學學報：自然科學版，2012， 29（3）：83-88.

[2]楊乃恒.干式真空泵的原理、特征及其應用.真空，2000，， 3）：1

[3]孫繼全，楊小松，王鐵軍.鈾濃縮工廠吹洗工藝優化[J].科技視界，2016（14）：15-16.

[4]王國民，等.滑閥真空泵的結構分析和節能探討[J].真空，2007，44（3）：36-38.