氬氣和抽真空裝置工藝研究與調試

□韓新梅 杜海鷗 王榮東 王國芝 樸 君 姚澤文

在核工業(yè)領域，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，由于金屬鈉的化學活性很強，在一定溫度下的空氣中能夠自燃，導致它有很大的火險性。它與水發(fā)生劇烈的化學反應并釋放出氫和熱量，而氫在空氣中可能發(fā)生燃燒甚至會有爆炸的危險性。因此，鈉冷快堆在正常運行工況下，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。本文以鈉安全綜合試驗(F204)設施為依托，設計、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。通過調試試驗，總結系統(tǒng)運行的一些基本經驗數據，為后續(xù)鈉回路的順利運行提供安全保證。

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施中的鈉火壓力緩解試驗裝置、鈉處理系統(tǒng)、鈉水反應試驗裝置、鈉供給試驗回路、鈉氣溶膠專用探測試驗裝置、配管間的管道和設備中充入一定壓力的氬氣，并彌補上述系統(tǒng)的管道和設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，當需要用液氬時，先將液氬送入液氬高壓罐，將進氬閥門關閉后液氬進入汽化器，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行品質分析；第四，氣化后合格的氬氣直接進入氬氣分配罐中；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)前設有鈉蒸汽阱以避免鈉蒸汽進入氣管道。

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

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)測設備及相應的管線、閥門和測量儀表等組成，氬氣分配系統(tǒng)主要由氬氣供應系統(tǒng)、氬氣分配罐、鈉蒸汽阱、氬氣雜質分析儀器及相應的管線、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及工藝設備簡介

氬氣和抽真空裝置設計溫度300℃，設計壓力1.2Mpa，抽真空系統(tǒng)主要設備包括真空泵、真空監(jiān)測設備、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)主要特性參數見表1。

表1 氬氣和抽真空裝置技術特性表

(一)真空泵。主要功能是對相關設備及回路進行抽真空以保證鈉回路的品質，其主要技術指標為：額定抽氣速：70L/s；極限真空度：1.333Pa；設計溫度：70℃；入口工作溫度：<40℃；電機功率：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，其主要技術參數為：工作壓力：0.12MPa；設計壓力：0.15MPa；工作溫度：<100℃；設計溫度：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備中造成污染，從而提高真空系統(tǒng)的真空度，其主要技術參數為：工作壓力：1×105～13.3Pa；設計壓力：0.15MPa；工作溫度：-196～150℃；設計溫度：-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備及管道分配氬氣的設備，容器的主要參數為：容器總高為6,000mm，直徑1,530mm，容器壁厚為15mm；工作介質：氬氣；容積：10m3；工作壓力：1.0MPa；設計壓力：1.2MPa；工作溫度：>25℃；設計溫度：100℃；材料：主體材料為304不銹鋼，底板材料為16MnR；測點：壓力表。

(五)鈉蒸汽阱。鈉蒸汽阱結構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管，在內管填充不銹鋼絲網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備氣腔中覆蓋氬氣中的鈉蒸汽，以防止鈉蒸汽進入管道，阻塞閥門的設備。其主要要技術參數為：工作壓力：1.0MPa；設計壓力：1.2MPa；工作溫度：>25℃；設計溫度：300℃；最大流量：20m3/h；工作介質：含鈉蒸汽的氬氣、壓縮空氣；內管為Ф168×8，外套管為Ф194×8；材料：304不銹鋼；測點：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含量，主要是水氧含量，以監(jiān)控氬氣品質。

1.水分析儀技術特性。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化工氣體，以及所有的惰性氣體等；準確度：+/-2°C DP；重復性：+/-0.5°C DP；顯示單位：°C(DP)、PPMv、PPMw、g/升、；響應時間：正常操作時20秒可達到讀數的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；響應時間：正常操作時10秒可達到讀數的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、試驗裝置的調試

經過前期對試驗裝置的工藝流程、非標設備設計以及儀控點的施工設計后，氬氣和抽真空裝置順利地完成了建造。在進行正常試驗前，首先對試驗裝置的主要設備進行了調試，調試對象包括抽真空裝置及氬氣供給裝置的主要設備(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)及相應的閥門、儀表等。調試的主要目的：一是通過對該試驗裝置各項功能的調試，找到可能存在的缺陷和不足并給予完善。二是通過調試，保證氬氣和抽真空裝置在抽真空機沖氬過程中各設備能正常工作，各電動閥門能夠準確控制開閉狀態(tài)，各儀表能準確測量試驗數據，試驗裝置的各項工藝參數都能夠得到準確、有效的控制。三是通過調試，收集、整理并調整回路的運行參數，制定合理的運行方式。

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

氬氣和抽真空裝置在各試驗裝置、系統(tǒng)充鈉前進行抽真空和氬氣置換。在以下系統(tǒng)進行調試時，需要本系統(tǒng)向鈉安全綜合試驗設施中各系統(tǒng)的管道和設備中充滿氬氣，故本系統(tǒng)需配合以下各個系統(tǒng)的調試：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試試驗內容包括儀表、電氣控制調試、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行校準、調試，確保能夠準確測量回路各點的參數，保證實驗順利開展，得到準確的試驗數據。該類儀器在安裝前都進行過檢定和校準，在調試中沒有出現(xiàn)問題，能正常顯示讀數。

(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)，需要對回路進行抽真空及充氬氣試驗，以保證回路氣氛水氧達到要求。啟動真空泵前，檢查設備及管道連接是否完好，打開相應的閥門，啟動真空泵，打開需要抽真空的系統(tǒng)或設備的相關閥門，對系統(tǒng)的各用戶進行逐個的抽氣，抽完一個，再抽第二個，并在一定時間內達到規(guī)定的真空度(133.3±5Pa)，隨后關閉真空泵前相應的閥門，關閉真空泵。真空度達到要求并能維持一段時間后，對各系統(tǒng)進行氬氣置換。

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

2)高純度氬氣質量指標如表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、水含量達到要求后，氬氣置換操作完成。如不能達到要求，重復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節(jié)閥來調節(jié)供氣流量，滿足用戶的要求。在各試驗系統(tǒng)裝置正常運行條件下氬氣分配部分應當用截止閥與系統(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，氬氣就地排入通風管中。在鈉設備上裝有壓力表，當進行充鈉操作時運行人員必須根據壓力表的數值開啟排氣閥門，以防鈉設備氬氣超壓。

1.打開相應的充氣截止閥，根據試驗要求開啟供氣管道上相應閥門，依次向各個設備或管道供氣。

2.待氬氣壓力達到試驗要求，關閉截止閥及相應設備及管道上的氣體閥門。

四、結語

本文主要對鈉安全綜合實驗設施中公共輔助系統(tǒng)氬氣和抽真空裝置的功能、設計參數、工藝設備等進行了介紹，隨后對系統(tǒng)的調試步驟進行了說明。通過對該裝置的調試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的抽真空，真空泵運行半小時左右系統(tǒng)能達到要求的真空度，要使系統(tǒng)的水氧含量達到要求，一般需要進行三次或以上的抽真空及氬氣置換試驗。通過對本系統(tǒng)的調試，積累了后續(xù)對各個試驗段進行試驗的經驗，總結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行、各試驗任務順利開展奠定了基礎。