鈾礦井機械除垢裝置的水下密封設計及靜力學分析*

曹 嶼，雷澤勇，鄧 健，王 飛，樂澤鋅

(1.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001； 2.中核內蒙古礦業有限公司，內蒙古 呼和浩特 014000)

0 引 言

地浸采鈾相較于傳統采鈾方法具有低成本、綠色環保、人員需求少等優點,目前已在全世界采鈾行業得到了廣泛應用[1]。其基本原理是對可地浸砂巖型鈾礦按一定網度布置地浸生產井(包括注液井和抽液井)，從注液井注入地浸液，使地浸液與鈾礦石進行充分反應以形成含鈾離子的溶液，含鈾離子的溶液經過地層滲透進入抽液井中，將含鈾離子的溶液經抽液井提出地表，在地表工廠進一步萃取鈾。隨著鈾離子溶液抽出的過程中，溶浸液在礦層內部會發生各種物理、化學反應，在礦層孔隙中形成的化學殘余物以及工藝孔中過濾器上的附著物、結垢物、沉淀物等均對鉆孔的實際工作能力產生很大的影響，特別是實際生產過程中頻繁出現較為嚴重的物理堵塞和化學堵塞，大大降低了工藝鉆孔的抽、注液能力及浸出液鈾濃度，嚴重影響礦產資源的有效開采。為解決此類問題，有必要研究開發一種自動化程度高，清洗效果好，可靠性高的地浸生產井清洗裝置，并且具有廣闊的應用前景。

常用的洗井方法有：空壓機洗孔、化學洗孔、活塞洗孔等技術，但是這些方法洗孔效果不佳，不僅易對套管造成傷害，無法有效提升浸出液量，且工作周期長，工人勞動強度大[2]。相比較而言機械式清洗技術具有成本低、操作簡單、施工周期短、勞動強度低、人力消耗較小、施工設備簡易且沒有污染等優點，在現代化工業清洗過程中，機械清洗技術經歷了手動清洗，PIG清潔和技術集成的三個發展階段。它通常用于化學清洗方法無法解決的情況。它可以清除化學方法無法清除的碳化垢和硬垢[3]。對于項目中地浸采鈾工作井內存在致密、附著力強的有機物，機械式清洗能很好進行除垢處理。

筆者針對位于孔徑80～128 mm水下400 m深積水的地浸采鈾工作井管，設計一套機械式除垢裝置。結合《壓力容器》標準設計出該裝置的密封結構，并利用AnsysWorkbench軟件對密封外殼進行靜力學分析，通過室內試驗確保該設計的可行性及安全性。

1 機械式除垢裝置結構及工作原理

在使用機械除垢裝置之前，使用水下可視測井設備檢測有機沉淀物的存在和粘附，并摸清加工孔的堵塞狀態。清洗時，機械除垢裝置通過鋼絲繩電纜連接到提升機，然后開啟提升機。利用設備自身的重力，機械式除垢設備通過彈性夾壁裝置的導向輪緩慢滑入井中，到達預定位置并開始工作。該裝置進入水下以實現兩個主要功能：①攜帶電機和清洗組件進行清洗；可以根據實際工作條件進行調整：通過更換清洗組件(清洗刷以及刷毛材質)，清洗從單個直徑到可變直徑的管道并適應管道內的不同環境，以達到最佳清洗效果；②可通過提升機的啟動和停止，可以在井中的任何位置清洗井管；彈性夾壁裝置的延伸使行走輪緊緊地壓在管道的內壁上，并提供足夠的抗扭轉性為了防止清洗刷和管壁之間的過度摩擦引起電機旋轉電纜相互纏繞導致的裝置損毀，從而確保整個機械除垢裝置在運行期間的穩定性。該裝置的結構零部件均采用耐腐蝕金屬材質加工制造，以保證機械式清洗裝置的壽命跟強度。機械式清洗裝置整體可分為上、中、下三段。如圖1所示，上段包括：儀器接頭、滑輪支撐架、滑塊管道上連接板、無縫鋼管、連桿、彈簧、滑輪、凸臺、拉緊套、過渡接頭；中段包括密封外殼、電機、內六角螺釘、推力球軸承、平鍵、密封圈、內六角螺釘、格萊圈、延長軸、端蓋、平鍵；下段包括：法蘭I、法蘭II、圓螺母、止動墊圈、六角螺母、彈簧墊圈、平墊圈、六角頭螺栓、清洗刷。

圖1 機械式清洗裝置總體設計1.儀器接頭 2.固定裝置 3.拉緊套 4.過渡接頭 5.密封外殼 6.電機 7.內六角螺釘 8.推力球軸承 9.平鍵 10.密封圈 11.內六角螺釘 12.格萊圈(旋轉密封圈) 13.延長軸 14.端蓋 15.平鍵 16.法蘭I 17.法蘭II 18.圓螺母 19.止動墊圈 20.六角螺母 21.彈簧墊圈 22.平墊圈 23.六角頭螺栓 24.清洗刷

2 水下電機密封設計

密封設計是水下電機設計的關鍵。密封殼體最主要的作用就是作為安裝電機的容器，通過在密封殼體多個部位設置的密封圈，實現了密封殼體的全密封。密封一般分為靜密封和動密封[4]。在密封殼體中，固定連接的部分均采用靜密封，運動部分(即延長軸與端蓋的接觸面)采用格萊圈密封(即O形密封圈與聚四氟乙烯滑環組合密封)。

2.1 靜密封設計

彈性夾壁裝置與水下電動機的密封殼體之間的連接以及密封殼體與端蓋之間的連接構成了密封殼體，這是靜態密封問題。因此，在密封的外殼上采用了O形圈密封。與O形圈的接觸處不應有毛刺或尖角，以防止刮傷O形圈。用于O形圈密封的通用橡膠材料包括：丁苯橡膠，丁二烯橡膠，氯丁橡膠，丁基橡膠和丁腈橡膠。特殊的橡膠材料包括：乙丙橡膠，氯磺化聚乙烯橡膠，丙烯酸橡膠，硅橡膠，氟橡膠等[5]。為了防止酸浸液的腐蝕，O形圈密封圈由氟橡膠材料制成，以確保在接觸酸浸液后不會變形并失去密封效果。

電機尾部連接處的電機引出線也被靜態密封。根據水下環境的使用和可靠性要求，這里通常使用成熟的水密連接器產品-深海連接器。如圖2所示，它用于將水下電機連接到外部電源或控制端子。深海連接器通過螺紋和密封圈安裝在殼體的背面，不僅可以實現機械除垢裝置的供電和控制，而且可以可靠地實現密封。

圖2 深海連接器

2.2 動密封設計

水下電機密封中最困難的問題之一是輸出軸的動態密封。由于電機軸的旋轉，軸與殼體之間存在間隙。如果仍然采用在軸和殼體之間添加O形圈密封的密封方法，則當電機高速旋轉時，可能會導致O形圈密封磨損，發熱甚至變形使它易于在較高的水壓下漏水。針對動態密封的問題，此處采用組合密封，即O形圈密封和PTFE(聚四氟乙烯)滑環(通常稱為格萊圈密封)的組合密封，該密封實質是將軸與殼體之間的間隙轉換為靜環與動環之間的間隙。旋轉的格萊圈環由橡膠O形密封環和PTFE環組成。最大工作壓力為0～20 MPa。根據其自身的變形，它會在密封表面上產生較高的初始接觸應力。壓力液體通過O形環。密封環的彈性變形最大程度地擠壓方形密封環，使其靠近密封表面，以產生更高的附加接觸應力，該附加接觸應力隨著壓力液體壓力的增加以及初始接觸而增加應力以防止壓力液體泄漏[6]。因此，水下電機動態密封設計的具體方法是用格萊圈密封圈(即O形密封圈)密封運動部件(即延長軸與端蓋之間的接觸面)。并結合使用PTFE滑環進行密封)，從而可以達到動態密封的目的，也滿足了普通防水馬達在水下的使用要求。

3 水下電機的承壓設計

由于密封外殼需要承受水下壓力，屬于一個外部壓力容器，因此密封外殼的耐壓設計也是設計重點。已知：工作壓力P=3 MPa，密封外殼外徑為Do=63 mm,長度L=278 mm。密封外殼采用流體運輸用不銹鋼無縫鋼管(GB/T14976-2012)，標準牌號為022Cr17Ni12Mo2。裝置的最大工作壓力P=3 MPa，安全系數為1.3，設計壓力PC=1.3×3=3.9 MPa，四舍五入后的設計壓力為PC=4 MPa；由于地浸采鈾礦井的平均深度有430 m，參考相關文獻[7]，地下0～1 000 m范圍內的水溫在0～25 ℃，當材料為022Cr17Ni12Mo2時，查相關文獻[8]得該材料在設計溫度下的許用應力[σ]t=117 MPa。則密封外殼計算厚度δ為：

(1)

將數據代入式(1)得到密封外殼得壁厚為1.44 mm，取腐蝕余量C1=1.5 mm，制造負偏差C2=0.625 mm，選定密封外殼的名義厚度δ=5 mm，得到的密封外殼的規格參數如表1所列。

表1 密封外殼參數 /mm

承受外壓的壓力容器失效形式主要分為強度失效和失穩，因此有必要對受外壓的無縫鋼管按照文獻[9]的方法進行校核，首先判讀該外壓容器是否為短圓筒;長度L若小于臨界長度Lc則為短圓筒否則為長圓筒。其臨界長度計算公式為:

(2)

其中密封外殼外徑Do=63 mm，壁厚δ=5 mm，內徑Di=Do-2δ=63-2×5=53 mm，有效厚度δe=壁厚δ-腐蝕余量C1-制造負偏差C2，按照GB/T14976-2012的要求取值為0.625，因此有效厚度δe=δ-C1-C2=5-1.5-0.625=2.875 mm，代入公式(2)中得到LC=344.96 mm，長度L=278 mm小于LC，則該密封容器為短圓筒；確定為短圓筒后依照公式判斷其是否為彈性失穩。其滿足彈性失穩的判定公式為：

(3)

其中該材料在設計溫度下的許用應力[σ]t=117 MPa，彈性模量E=200 000 MPa，將數據代入公式(3)后，其結果不滿足彈性失穩的條件按照GB150-1998的圖算法校核，按照式計算許用外壓：

(4)

外壓計算應力系數B=120 MPa，代入公式(4)計算得許用應力[P]=5.48 MPa大于試驗壓力P=3 MPa，滿足工程設計要求。

4 有限元模型建立

通過SolidWorks將建好的密封外殼模型導入ANSYSWorkbench中，密封外殼選用材料為316 L不銹鋼，牌號為022Cr17Ni12Mo2，密度為7 980 kg/m2,彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，調整好網格大小進行網格劃分，其劃分的結果如圖3所示。

4.1 添加載荷與約束

密封外殼主要是承受水下3 MPa水壓，通過對密封外殼的端部添加固定約束，在密封外殼的外壁上添加3 MPa的靜水壓力載荷，添加的結果如圖4。

圖3 網格劃分 圖4 載荷和約束的添加

4.2 模型求解結果

用AnsysWorkbench求解以獲得密封外殼壓力的等效應力圖與總變形圖，如圖5、6所示。

圖5 密封外殼壓力的等效應力圖 圖6 密封外殼總形變圖

從圖中看出當密封外殼承受水壓達到3 MPa時，最大應力出現在管道的上端，與總變形圖一致。最大應力為27.13 MPa，低于設計溫度時材料的許用應力117 MPa；密封外殼的最大形變量為0.002 5 mm，形變量可忽略不計，不會對密封外殼造成影響，達到實際使用工況。

5 室內試驗驗證

根據地浸采鈾的生產工況，使用如圖7所示的液壓測試裝置，通過將測試裝置加壓至3 MPa的水壓來模擬水下環境。電機完全安裝后，將其放入裝有水的壓力容器中并進行液壓測試。壓力從零開始增加，并且繞組到地面的絕緣電阻可隨時測量，其值應大于10 MΩ。表2是水下電機壓力室內試驗數據。

圖7 室內試驗裝置

表2 水下電機壓力測試數據

當設備加壓至3.5 MPa時，在保持壓力的同時關閉電機。保持壓力12 h，將電機從壓力容器中取出，測量絕緣電阻，該值大于500 MΩ。拆開密封外殼并檢查，密封外殼內部無進水痕跡。實際測試中，電機壓力達到3.5 MPa，超過了標準值，符合設計要求。

6 結 語

針對工業運輸管道中硬質污垢或有機物堵塞的情況和現有地浸采鈾工藝孔中有機物沉淀清洗困難的技術難題，設計了一種管道清洗裝置。經過分別對水下電動機和機械除垢裝置整機的室內試驗，結果表明，該裝置可以在水下環境中連續可靠地工作，清洗效果達到設計要求。同時，也提供了一種清洗地浸生產井的有效手段，在地浸生產井清洗領域是一種新的突破。