氩气和抽真空装置工艺研究与调试

□韩新梅 杜海鸥 王荣东 王国芝 朴 君 姚泽文

在核工业领域，快堆电站一、二回路通常采用金属钠作为堆芯热量传递的冷却剂，由于金属钠的化学活性很强，在一定温度下的空气中能够自燃，导致它有很大的火险性。它与水发生剧烈的化学反应并释放出氢和热量，而氢在空气中可能发生燃烧甚至会有爆炸的危险性。因此，钠冷快堆在正常运行工况下，熔融的液态钠被包容在容器和管路中，要求该设备及管路中的气体氛围满足一定要求，并且液态金属钠需受到惰性气体的保护。本文以钠安全综合试验(F204)设施为依托，设计、建造一套集涉钠系统的抽真空氩气置换及系统充氩的试验装置。通过调试试验，总结系统运行的一些基本经验数据，为后续钠回路的顺利运行提供安全保证。

一、试验装置简介

氩气和抽真空装置主要功能向钠安全综合试验设施中的钠火压力缓解试验装置、钠处理系统、钠水反应试验装置、钠供给试验回路、钠气溶胶专用探测试验装置、配管间的管道和设备中充入一定压力的氩气，并弥补上述系统的管道和设备因检修造成的氩气的损失。

氩气供给功能主要通过下面的步骤实现：第一，由从工厂将液氩用槽车运到现场后，用低温输液管将液氩送入液氩贮存罐贮存；第二，当需要用液氩时，先将液氩送入液氩高压罐，将进氩阀门关闭后液氩进入汽化器，用空气自然循环加热使液氩气化；第三，在取样口对气化后的氩气进行品质分析；第四，气化后合格的氩气直接进入氩气分配罐中；第五，从氩气分配罐中向各个装置或系统输入氩气，在每个装置或系统前设有钠蒸汽阱以避免钠蒸汽进入气管道。

另一方面，满足抽真空功能，在整个试验设施进钠前或设备维修后进钠前需要对相关设备及回路进行抽真空以保证钠回路的品质，用真空泵抽出回路中空气和其它杂质气体，再配合氩气置换，从而使试验回路中的氩气气氛达到要求，同时，在试验设施各试验区紧急、事故工况下要保证向所连接的系统和设备补充合格的高纯氩气，以保证试验装置的安全运行。

本装置由抽真空系统和氩气分配系统组成，抽真空系统主要由真空泵、真空监测设备及相应的管线、阀门和测量仪表等组成，氩气分配系统主要由氩气供应系统、氩气分配罐、钠蒸汽阱、氩气杂质分析仪器及相应的管线、阀门和测量仪表等组成。装置流程图见图1。

图1 氩气和抽真空装置流程图

二、试验装置的主要工艺参数及工艺设备简介

氩气和抽真空装置设计温度300℃，设计压力1.2Mpa，抽真空系统主要设备包括真空泵、真空监测设备、油分离器、蒸气捕集气，氩气分配系统主要由氩气分配罐、钠蒸汽阱、气体分析仪等组成。系统主要特性参数见表1。

表1 氩气和抽真空装置技术特性表

(一)真空泵。主要功能是对相关设备及回路进行抽真空以保证钠回路的品质，其主要技术指标为：额定抽气速：70L/s；极限真空度：1.333Pa；设计温度：70℃；入口工作温度：<40℃；电机功率：5.5kW。

(二)油分离器。主要功能是安装在真空泵排气管道中，截留真空泵排出的气体(含油蒸汽)，以防或减少将油蒸汽排出大气中，从而减少空气污染，其主要技术参数为：工作压力：0.12MPa；设计压力：0.15MPa；工作温度：<100℃；设计温度：120℃；空积：0.037m3；材料：304不锈钢；分离效率：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装在真空泵的入口管道上，用来捕集和消除真空系统中的水蒸气及真空泵工作液油蒸汽，以防止其返流到真空设备中造成污染，从而提高真空系统的真空度，其主要技术参数为：工作压力：1×105～13.3Pa；设计压力：0.15MPa；工作温度：-196～150℃；设计温度：-196～150℃；材料：304不锈钢，捕集效率：95%

(四)氩气分配罐。主要功能是接受汽化的氩气，贮存并向各用户的设备及管道分配氩气的设备，容器的主要参数为：容器总高为6,000mm，直径1,530mm，容器壁厚为15mm；工作介质：氩气；容积：10m3；工作压力：1.0MPa；设计压力：1.2MPa；工作温度：>25℃；设计温度：100℃；材料：主体材料为304不锈钢，底板材料为16MnR；测点：压力表。

(五)钠蒸汽阱。钠蒸汽阱结构形式采用双套管逆向换热，压缩空气走外套管，含钠蒸汽的氩气走内管，在内管填充不锈钢丝网用以拦截冷凝下来的钠液滴。主要功能是钠蒸汽阱是用于冷凝钠设备气腔中覆盖氩气中的钠蒸汽，以防止钠蒸汽进入管道，阻塞阀门的设备。其主要要技术参数为：工作压力：1.0MPa；设计压力：1.2MPa；工作温度：>25℃；设计温度：300℃；最大流量：20m3/h；工作介质：含钠蒸汽的氩气、压缩空气；内管为Ф168×8，外套管为Ф194×8；材料：304不锈钢；测点：二个热电偶、一个压力表。

(六)气体分析仪。包含便携式水分析仪和便携式氧分析仪，主要用于分析氩气中的杂质含量，主要是水氧含量，以监控氩气品质。

1.水分析仪技术特性。量程：(-110～+20)°C DP；测量气体种类：压缩空气、O2、H2、CO2、N2、CO、SF6、天然气、甲烷和乙炔等大多数化工气体，以及所有的惰性气体等；准确度：+/-2°C DP；重复性：+/-0.5°C DP；显示单位：°C(DP)、PPMv、PPMw、g/升、；响应时间：正常操作时20秒可达到读数的95%，每次测量时间小于5分钟；工作温度：(-20～+50)°C；存储温度：(-50～+70)°C。

2.氧分析仪技术特性。量程：0-10/100/1,000ppm/0-1%O2；测量气体种类：类似N2、惰性气体的一般性气体，含CO2或硫化物的酸性气体，含剧毒的有毒气(测量时出气口不能排空)；灵敏度：0.05ppm；工作温度：(+5～+45)°C；响应时间：正常操作时10秒可达到读数的90%；工作压力：(0.1～2)Bar，最好小于1Bar；流量范围：供气流量在(0.1～2)L/min，最好为(0.2～1)L/min。

三、试验装置的调试

经过前期对试验装置的工艺流程、非标设备设计以及仪控点的施工设计后，氩气和抽真空装置顺利地完成了建造。在进行正常试验前，首先对试验装置的主要设备进行了调试，调试对象包括抽真空装置及氩气供给装置的主要设备(例如真空泵、真空计、油分离器、蒸汽捕集器、氩气分配罐、气体分析仪)及相应的阀门、仪表等。调试的主要目的：一是通过对该试验装置各项功能的调试，找到可能存在的缺陷和不足并给予完善。二是通过调试，保证氩气和抽真空装置在抽真空机冲氩过程中各设备能正常工作，各电动阀门能够准确控制开闭状态，各仪表能准确测量试验数据，试验装置的各项工艺参数都能够得到准确、有效的控制。三是通过调试，收集、整理并调整回路的运行参数，制定合理的运行方式。

本系统在调试过程中需要下列公用系统配合调试：一是钠供给试验回路；二是正常送排风系统。

氩气和抽真空装置在各试验装置、系统充钠前进行抽真空和氩气置换。在以下系统进行调试时，需要本系统向钠安全综合试验设施中各系统的管道和设备中充满氩气，故本系统需配合以下各个系统的调试：一是钠火压力缓解试验装置；二是钠处理试验装置；三是钠水反应综合试验装置；四是钠气溶胶专用探测试验装置。

氩气和抽真空装置的调试试验内容包括仪表、电气控制调试、抽真空氩气置换试验、回路充氩试验等。本装置的测量仪表主要有压力传感器、热电偶、真空计以及气体分析仪。安装完成后需要对这些仪表进行校准、调试，确保能够准确测量回路各点的参数，保证实验顺利开展，得到准确的试验数据。该类仪器在安装前都进行过检定和校准，在调试中没有出现问题，能正常显示读数。

(一)氩气和抽真空装置的抽真空氩气置换试验。为了使本试验回路处于无氧的状态，需要对回路进行抽真空及充氩气试验，以保证回路气氛水氧达到要求。启动真空泵前，检查设备及管道连接是否完好，打开相应的阀门，启动真空泵，打开需要抽真空的系统或设备的相关阀门，对系统的各用户进行逐个的抽气，抽完一个，再抽第二个，并在一定时间内达到规定的真空度(133.3±5Pa)，随后关闭真空泵前相应的阀门，关闭真空泵。真空度达到要求并能维持一段时间后，对各系统进行氩气置换。

1)每抽完一个系统或设备(用户)，进行充氩直到压力达到0.05MPa为止，然后通过水氧分析仪对氩气品质进行检测，若不合要求，对此系统(用户)再次进行气体置换工作(抽真空、充氩气、品质检测)，直到氩气品质符合要求为止。

2)高纯度氩气质量指标如表2所示。

表2

3)向各个系统充氩气后，放置24小时，再次对氩气进行在线取样分析，监测系统气压，氩气中氧含量、水含量达到要求后，氩气置换操作完成。如不能达到要求，重复抽真空及氩气置换操作。

(二)回路充氩实验。氩气分配罐部分在正常运行时，工作温度为常温，主管道的工作压力为1.0MPa，通过各条供气管道的电动调节阀来调节供气流量，满足用户的要求。在各试验系统装置正常运行条件下氩气分配部分应当用截止阀与系统(用户)隔断。为了防止用户气腔压力超过允许值，在氩气分配罐及主管道上装有安全阀，当压力超过某一限值时，安全阀自动起跳，迅速泄压，氩气就地排入通风管中。在钠设备上装有压力表，当进行充钠操作时运行人员必须根据压力表的数值开启排气阀门，以防钠设备氩气超压。

1.打开相应的充气截止阀，根据试验要求开启供气管道上相应阀门，依次向各个设备或管道供气。

2.待氩气压力达到试验要求，关闭截止阀及相应设备及管道上的气体阀门。

四、结语

本文主要对钠安全综合实验设施中公共辅助系统氩气和抽真空装置的功能、设计参数、工艺设备等进行了介绍，随后对系统的调试步骤进行了说明。通过对该装置的调试发现，该系统的抽真空，真空泵运行半小时左右系统能达到要求的真空度，要使系统的水氧含量达到要求，一般需要进行三次或以上的抽真空及氩气置换试验。通过对本系统的调试，积累了后续对各个试验段进行试验的经验，总结出抽真空氩气置换及系统充氩过程的操作步骤，为后续整个试验台架的安全运行、各试验任务顺利开展奠定了基础。