影響級聯分離功的因素及分析

段建偉

【摘 要】本文分析了影響氣體離心機單機年分離功的決定因素，對實際運行的規模離心級聯分離功提高的方法進行了探討，最后針對運行多年離心級聯年分離功逐漸下降的問題進行了分析，提出了對料管有堵的離心機采取清洗疏通或更換主機的方法來恢復主機的分離性能，以期為鈾濃縮工廠提高離心級聯的年分離功提供參考。

【關鍵詞】離心機;分離功;級聯優化;混合損失

中圖分類號： TL252 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0084-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.040

Influencing Factors and Analysis of Centrifugal Cascades Separative Power

DUAN Jian-wei

（Shaanxi Uranium Enrichment Company Limited， Hanzhong Shaanxi 723312， China）

【Abstract】This paper analyzes the decisive factors of affecting the annual separative power of a single gas centrifuge. The methods of improving the actual operation of the scale centrifugal cascades separation power are discussed. Finally the problem of gradual decrease of run centrifugal cascades separation power for many years is analyzed. The methods of cleaning and dredging or replace the centrifuge with a new one to centrifuges with blocked material pipe are put forward， in order to provide reference for uranium enrichment plants to improve the annual separation power of centrifugal cascades.

【Key words】Gas centrifuge; Separative power; Cascade optimization; Mixing loss

0 引言

分離功是一種僅作用于鈾濃縮工業的度量單位，把一定量的鈾富集到一定的235U豐度所需要投入的工作量叫作分離功（SWU），以kgSWU或tSWU為單位。離心級聯的生產能力取決于離心機轉筒的轉速和長度，但轉子的線速度受到轉子材料的限制，通過發展高比強度的（抗拉強度對于密度之比叫作比強度）的材料（如高強度鋁合金、馬氏體時效鋼、玻璃纖維和碳纖維復合材料）可以提高離心機的轉速。另外，也可以發展超臨界離心機，增加轉子的長度。

隨著高強度、高能量新材料的不斷出現，使轉子線速度大幅度提高成為可能;隨著設計和工藝水平的提高，轉子的長度可以不斷增加，并由亞臨界機器發展為超臨界機器。因此，單機分離性能可以不斷提高，經濟性越來越好。實際運行的級聯一旦確定，那么它的規模、結構、單機分離能力等因素均已確定，影響分離功的因素為分流比，可通過級聯優化來提高分離功。分流比是影響離心機性能的關鍵參數，其合適與否對于離心級聯能否達到最佳的分離狀態，取得最好的經濟效益有著極其重要的作用。但在工廠運行級聯中離心機一旦確定，能調整的也就是級聯貧料壓力和供料流量來改變離心機的分流比了。對單機而言，分流比θ是影響其分離性能ε和分離功率δU的重要因素，而對整個級聯而言，各級分流比的合理配置可以有效減少混合損失，進一步提高級聯效率和年分離功。

1 級聯分離能力下降的原因

一個實用的離心分離工廠往往需要幾萬臺甚至幾十萬臺離心機，鈾濃縮工廠的主工藝回路是處于負壓下工作的，因此必須保持其嚴格的真空密封。在實際運行中，每天可通過計算日空氣漏量來監測級聯的密封性。級聯管道或設備可能會存在一定量的微漏（允許范圍內）。六氟化鈾極易與水發生反應，只要有微量水蒸氣存在就會立即發生反應，產生氟化鈾酰和氟化氫，反應方程式如下所示：

UF6+2H2O→UO2F2（固）+4HF

隨著離心級聯運行年限的增加，由于管道之間、管道與設備之間的密封圈老化，失去彈性，會出現一些漏點，漏入的空氣中的水分與UF6反應生成固體粉末UO2F2可能會附著在離心機或管道的內壁，這種固體粉末會越積越多，最終造成離心機失衡或料管堵塞。若離心機供料料管被堵塞，原料不能進入離心機，則離心機就不做功;若僅精料或貧料料管堵塞，供、貧或供、精料管暢通，原料會不經過分離直接進入貧料或精料，造成物料的混合損失。即當一個離心級聯運行若干年后，由于級聯中固體附著物的累積，必然會導致離心機分離性能的下降，分流比減小，混合損失增大，從而使級聯的年分離功逐年下降。

2 提高級聯年分離功的方法

在日常運行中，料管堵塞的離心機摩擦功耗往往比較高，會出現掉周現象，對其加裝升壓變壓器后或降負載后，頻率會上升。同步后，可通過對該主機做缺陷檢查，判斷出該離心機料管有漏或有堵。對有漏的離心機，通過緊固螺釘可以消漏，其消漏率可達90%以上。

判斷有堵的離心機往往不做功或做負功（造成混合損失），且隨著運行年限的增長，有堵的離心機會越來越多，這就造成了離心級聯年分離功的逐年下降。

（1）對于異常離心機，及時判斷并斷開因料管有堵而造成混合損失的離心機，可以提高級聯的年分離功;

（2） 對于離心機料管堵塞較嚴重、數量較多的機組，可以嘗試對離心機的料管進行清洗疏通，以恢復離心機的性能，提高年分離功。

如采用BrF3等強氧化劑作為清洗介質進行清洗疏通，三氟化溴的理化性質：分子量：136.899;熔點（101.325kPa）：8.87℃;沸點（101.325kPa）： 125.75℃;液體密度（125.75℃，101.325kPa）：2518kg/m3;相對密度（空氣=1，15℃，氣體）： 2.37;蒸氣壓（40℃）：2.55kPa。三氟化溴在常溫常壓下為無色或淡黃色液體。暴露在空氣中能發生濃煙，空氣中不燃。化學性質很活潑，是強氧化劑，能使可燃物或有機物著火，在火場中能助長火勢。遇水猛烈反應，放出劇毒煙霧。與酸類或酸霧接觸也能放出毒性強的溴蒸氣和氟。三氟化溴有強氧化性和強反應活性。

三氟化溴與氟化鈾酰的反應方程式為：

當然，用BrF3等強氧化劑作為清洗介質進行清洗疏通的方法還需要進一步論證。

（3）對于料管有堵的離心機也可以采用超聲波清洗，即利用超聲波在液體中的空化作用、機械作用及熱作用對液體和污物直接或間接作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。該技術已廣泛應用在機械、電子、醫療、航空等行業，在原子能工業方面也有應用，可以清洗燃料棒、燃料泵、鋁管類等設備。對于運行系統出現的料流孔板有堵、主機料管有堵及增壓泵入口過濾網有堵等問題，可以嘗試利用超聲波清洗技術進行清堵。

（4）對于離心機料管堵塞較嚴重、摩功高、數量較多的機組，也可以考慮更換離心機，恢復離心機的性能，以提高級聯分離功即將某一個區段或機組退出運行，對其吹洗，分析吹洗后設備內的劑量合格后，拆除堵塞嚴重的離心機，安裝新的分離性能好的離心機，再進行真空干燥、試啟動、沖擊、升周、氟里昂處理、鈍化，投入系統運行等一系列工序，可恢復級聯的分離性能，提高年分離功。缺點：工序較多，工作量與建一個新的級聯相當，但預后效果好。

3 結論

本文分析了影響鈾濃縮工廠離心級聯年分離功的因素，研究了提高離心級聯年分離功的幾種方法，以期為鈾濃縮工廠提高離心級聯的年分離功提供參考：

1）通過發展高比強度的材料可以提高離心機的轉速或增長轉筒的長度，可以提高單機分離能力，從而提高整個級聯的年分離功。

2）離心級聯的規模、離心機的類型一旦確定，可以通過對級聯的工藝工況、級聯的結構進行優化，對于級聯而言，各級分流比的合理配置可以減少混合損失，提高級聯的分離能力。

3）對于運行多年的級聯，由于固體粉末的增多，離心機的料管、孔板及相關管道堵塞越來越嚴重，造成單機分離性能下降，影響整個級聯的分離功。

（1）對于異常離心機，及時判斷并斷開因料管有堵而造成混和損失的離心機，可以提高級聯的年分離功;

（2）可嘗試采用BrF3或超聲波對離心機進行清洗疏通，以恢復主機的分離性能，提高級聯的年分離功。

（3）更換成分離性能好的離心機即采用新的離心機更換料管堵塞的異常離心機以恢復主機的分離性能，提高級聯的年分離功。

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