无油干式涡旋泵在铀浓缩工厂的应用

孙继全　关成明　庞殿玲

【摘 要】铀浓缩工厂生产应用了大量不同类型的真空泵，本文针对气体吹洗、零位、抽空等系统使用的真空泵在操作性、安全性以及经济性等多方面的不足，应用无油干式涡旋泵替代喷射泵、滑阀泵及水环式真空泵，并对应用过程中出现的问题进行了分析、解决。涡旋泵的成功应用，简少了系统设备组成，提高了设备操作自动化程度，降低了设备运行能耗及维护成本。

【关键词】涡旋泵；喷射泵；滑阀泵；水环真空泵；真空

中图分类号： TB752 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0153-002

0 引言

铀浓缩是核燃料循环中的重要环节，铀浓缩工厂在生产过程中应用了大量不同类型的真空泵，部分类型真空泵的应用还是上世纪七、八十年代的设计理念，在实际生产过程中存在诸多不足，与工厂自动化、无人值守的发展趋势不相符。无油干式涡旋泵（下文简称涡旋泵）发展已较为成熟，其独有的工作特性及优势已经应用到航天航空、钢铁、石油化工等多个领域，但目前在国内还未见到涡旋泵在铀浓缩工厂应用的相关文献和报告。

1 涡旋泵简介

1.1 涡旋泵的发展

涡旋理论源于法国人Leno Creux于1905年以可逆转的涡旋膨胀机为题申请的美国专利。涡旋泵性能包括其极限真空度、抽速、能耗、噪音和振动等，性能是由泵的容积效率、泄露、摩擦等因素造成的，而这些因素主要是由涡旋盘的加工精度决定，所以在涡旋泵的设计与生产中，保证涡旋盘的加工精度非常重要。在涡旋泵的研制早期，限于制造水平，涡旋盘涡旋齿形线的加工精度无法得到保证，涡旋机械在很长一段时间内都没有被制造出来。直到20世纪70年代，高精度数控机床的出现才为涡旋机械的发展带来了机遇[1]。

目前市场上的涡旋泵多属于风冷式无油干泵，它与润滑油真空泵在于泵腔内不含任何油类和液体，因此解决泵内的密封性和冷却问题也是其研究的关键，风冷式无油干泵是在1998年才由Sawada T研制成功。

国外涡旋泵研制能力较强的公司主要有美国Varian、英国Edwards、德国Leybold和日本Iwata等，涡旋泵的初期产品主要以小抽速为主，多应用于实验室，随着机械加工、材料科学、计算机技术、测量科学等技术的快速进步，涡旋泵已广泛应用于半导体、航天航空、食品、医药等行业，成为清洁无油真空环境的优选抽气设备。国内研制涡旋泵的公司也有好几家，经过十几年的沉淀与发展，产品经过多次的更新换代，目前国产的涡旋泵服务领域涵盖了汽车、航天航空、钢铁、石油化工、分析测试仪器等行业。

1.2 涡旋泵工作原理

涡旋泵的主要性能特点是转子间隙小、泄漏少，具有较高的压缩比，在较宽的压力范围内有稳定的抽速，工作压力范围宽，且大多涡旋泵采用风冷却，这对于在铀浓缩工厂应用是比较有利的；由于其工作腔容积的变化时连续的，因而驱动扭矩变化小，振动噪声低，这是其它大多类型的干式真空泵所不具备的。

涡旋泵由泵头、电机、机座等构成，其中泵头含有动、定涡旋盘、曲轴、密封件、风扇和泵壳等，涡旋盘为圆形平面和其上伸出的一条或几条渐开线型螺旋盘组成，定涡旋盘与动涡旋盘组成涡旋盘付构成涡旋泵的基本工作腔。工作过程中动、定涡旋盘依靠相对运动形成容积不断缩小的新月形吸气腔和压缩腔，通过吸气、压缩、排气的循环，使气体从抽气口吸入、排气口排出，实现对被抽腔体抽真空[2]。图1为涡旋泵工作腔吸、排气原理示意图，（a）动涡旋盘作行星（偏心）运行，气体从开口外缘被吸入；（b）气体进入涡旋盘后，开口封闭；（c）随着动涡旋盘继续作行星运行，气体被压入越来越小的空间；（d）气体从中央排气口排出；（e）事实上，在工作中6个气体通道均处于不同的压缩阶段，从而保证吸、排气过程连续不间断。

2 气体吹洗系统的应用

铀浓缩工厂气体吹洗系统是在设备、容器、管道拆装或检修时为减少厂房环境的污染及保护工作人员健康而设置的。气体吹洗系统后端还设有尾气处理装置，尾气经处理装置处理达到排放标准后排入大气。国内的吹洗工艺为：当厂房内有开放操作时，首先将内腔的绝大部分残余物料（六氟化铀、氟化氢）冷凝到特定的容器内，在拆装作业前启用喷射泵保证拆装点内腔处于负压状态，此时拆装点内腔残留的极少数物料，会被大量的空气一并带入气体吹洗系统，从而保证了厂房的清洁以及工作人员的安全。

使用喷射泵需要耗费大量的压缩空气，需要专门为喷射泵配置了一套压空系统，且喷射泵运行效率极低，铀浓缩工厂使用的喷射泵耗气量约为0.20kg/s，相当9.28Nm3/min，需要配套60kW的空气压缩机及相应的辅助设备。因此，吹洗操作耗能严重，且配套设备较多，维护费用较大[3]。

涡旋泵能直抽大气，选择合适抽速的涡旋泵，完全可以应用于气体吹洗系统。相对于为喷射泵配套的60kW的空气压缩机来说，实现相同的功能，涡旋泵的功率只需几千瓦，节能效果明显；并且，摆脱了喷射泵配套的辅助压缩空气系统，简化线路，降低设备维护成本。

3 零位等系统的应用

铀浓缩工厂零位系统的作用是给相对压力表负腔维持较低压力的真空腔，是保证压力仪表正常工作必不可少的辅助系统。零位系统抽空用真空泵采用的滑阀真空泵，其工作原理为：当系统内压力达到设定的高限值时，滑阀泵自动启动对系统抽真空，当系统抽空小于设定的低限值时，泵自动停机，但为了防止滑阀泵停机时泵油返到系统而使真空系统受到泵油污染，停泵时需要工作人员到现场手动向泵口破空充气，以确保泵内的真空油返回到油箱内。

铀浓缩工厂抽空系统的作用是在工厂安装、调试以及试启动时，抽空工厂内设备、管道内的空气、氮气等，抽空量巨大。抽空系统采用的也是滑阀真空泵，经常要抽空压力很高的腔体，而滑阀泵的工作特性决定其不能用于长时间抽空大气，滑阀泵在进气压力超过75mmHg时，排气孔会放出油雾，造成油雾的原因为：进气压力高造成泵內压缩腔的压力显著增高，被排气体从小的排气口猛烈地冲出，在小孔和排气阀近旁的油被雾化，和气体一起排出泵外[4]。因此当抽空较高压力的腔体时，需要手动控制泵前阀门，以保证滑阀泵进气压力不超过75mmHg，操作繁琐。

还有类似的系统采用滑阀泵真空泵，限于滑阀泵的工作特性以及系统的特殊要求，不能实现泵启停的远程自动化操作，并且日常维护中需要对滑阀泵定时加油、更换皮带等，维护成本较大。而涡旋泵有较高的极限抽空能力，并且是干式无油的，应用到零位等系统后，将会解决上面描述的一系列问题，提高工厂的自动化水平，实现无人值守。

4 尾气处理系统的应用

铀浓缩工厂生产中产生的尾气具有放射性，必须经过尾气处理系统处理且采样分析其达到排放标准，才能将尾气排入大气。尾气处理系统采样时抽气采用水环式真空泵，而水环式真空泵运行效率极低，并且如果操作顺序稍微出点差错，泵内的水就会倒流至系统，导致后续处理放射性废水废液的成本很大。涡旋泵无水无油，应用到尾气处理系统后，将增加系统固有安全性。

5 实际应用情况

为了验证涡旋泵在铀浓缩工厂的应用效果，对涡旋泵进行了长期的耐久性运行试验，试验半年后发生了故障，故障现象均为涡旋盘卡死。图2为拆解后的照片。

涡旋泵涡旋盘的加工精度的直接影响到其使用寿命，除此之外，其散热问题、密封问题、材料选择问题、组装过程以及调试运行等对泵的运行可靠性都起着至关重要的作用。根据拆解情况对涡旋泵的故障原因进行分析。

（1）泵体内壁与动动涡旋盘接触面磨损最为严重。涡旋泵电机传动轴与泵动涡旋盘不是采用零泄漏的连接形式，因此少量的工作介质（六氟化铀）能通过连接轴进入泵体内壁处，六氟化铀具有强烈的腐蚀性，而涡旋泵电机的轴承采用普通润滑油，所以工作介质进入内壁与轴承润滑油反应产生颗粒物造成磨损。

（2）动、静涡旋盘接触面摩擦痕迹不是很明显，且静涡旋盘内和泵出口管道内存有少量的颗粒物，此颗粒物是系统带入的。颗粒物进入泵腔会影响泵的工作性能，因此一般在泵的入口处都装有过滤网，但装于入口处的过滤网网眼较大（毫米级），对小型的颗粒物没有过滤效果。

針对这两个问题，对泵进行全面清洗后，重新组装，所有连接部件均使用耐六氟化铀腐蚀的润滑脂；在泵入口安装能有效过滤直径大于10微米的尘埃颗粒、化学烟雾的过滤器。重新投入系统使用，至今已运行4年多，效果良好。

6 结论

使用无油干式涡旋泵替代铀浓缩工厂在生产中应用的真空泵，针对铀浓缩工厂的特殊性即工作气体的强氧化性，涡旋泵使用了耐六氟化铀腐蚀的润滑脂，并在泵安装了特定的过滤器，解决了实际使用过程中涡旋盘卡死的问题。涡旋泵的应用，改进了原真空泵在操作性、安全性以及经济性等多方面的不足，简少了系统设备组成，提高了设备操作自动化程度，降低了设备运行能耗及维护成本。

【参考文献】

[1]杨旭，等.涡旋式真空泵现状和发展趋势分析[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2012， 29（3）：83-88.

[2]杨乃恒.干式真空泵的原理、特征及其应用.真空，2000，， 3）：1

[3]孙继全，杨小松，王铁军.铀浓缩工厂吹洗工艺优化[J].科技视界，2016（14）：15-16.

[4]王国民，等.滑阀真空泵的结构分析和节能探讨[J].真空，2007，44（3）：36-38.