CN104047870B - 一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，包括：熔化罐、膨胀箱、存储罐、集液箱、机械泵、主回路管道、阀门、流量计、重金属压力计、液位计、压力表、导流管路、气源、真空泵、加热保温层、实验段等。机械泵是整个装置的驱动力源，是检测和研究的对象。通过调节阀门改变泵出口流量，利用流量计获得流量数据，同时通过压力计获得机械泵进、出口压头(扬程)数据，两组数据结合在一起运用成熟的理论计算公式即可绘制机械泵水力特性曲线，用以评估和检测机械泵水力效率和工作性能。通过设计特殊的支路循环回路可完全排出管路中气体，使得整个测试过程中主回路管道完全充满液态金属流体介质，保证测量准确性。

Description

一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置

技术领域

本发明涉及液态重金属机械泵性能测试的技术领域，具体涉及一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，其用于密闭回路式液态重金属机械泵水力性能测试与过流部件结构设计研究装置。

背景技术

随着中国经济的持续发展，对能源的需求日益增加，能源紧缺问题日益突出，为应对和解决能源问题，核裂变能作为缓和世界能源危机的一种有效措施已经备受人们关注。但发展裂变能也给人类带来的核废料一旦泄漏将会对地球环境产生难以估量的危害。

以液态重金属作为冷却剂的加速器驱动嬗变系统(AcceleratorDrivensubcriticalSystem,ADS)利用中子与高放核废料发生嬗变反应来处理核废料，有望解决人类发展核裂变带来的高放核废料处理难题。ADS液态重金属冷却反应堆在发展过程中急需解决的问题之一是高温液态金属合金与结构材料的相容性问题、热工水力问题。液态金属机械泵作为液态重金属回路技术预研平台的驱动装置，泵结构材料与液态重金属介质的相容性问题，尤其是铅铋合金对机械泵过流部件的腐蚀问题，直接决定机械泵服役寿命，影响平台系统的安全性与稳定性，而机械泵水力性能和水力效率也将直接决定着实验工况能否得以实现。进一步，作为应用在未来铅铋冷却反应堆回路系统中的液态重金属核主泵，其过流部件在介质中的腐蚀特性不仅决定着反应堆冷却回路的循环能力，还决定着反应堆长期运行的稳定性，最终也将决定着整个反应堆安全性。

关于液态重金属机械泵水力性能测试及过流部件结构材料选材的研究很少，目前，国内还没有开展针对液态重金属机械泵的研究和测试平台。液态重金属机械泵较普通机械泵运行环境苛刻，常规的研究手段是通过水试验性能测试数据衡量机械泵在重金属介质下的工作性能，没有直接用于测试机械泵水力性能的实验与研究平台，通常做法是利用水介质性能测试结果，根据重金属与水介质特性参比因子修正并推导出泵在实际介质下的水力特性理论值作为参考。国内外在重金属机械泵过流部件结构设计和选材方面还没有统一的技术参数和选择标准，不能简单的将常规泵的技术标准用作液态重金属泵性能的衡量指标。国际上仅有少数国家针对未来液态重金属金属冷却反应堆核主泵过流部件结构选材和水力设计进行研究，意大利ENEA研究人员将一种陶瓷材料(Ti3SiC2)置入低流速(1m/s)的高温液态铅回路装置中开展这种材料的抗蚀性、铅铋渗透性和材料溶解性，结果表面这种材料可以作为铅冷快堆核主泵叶轮的候选结构材料，并指出为更准确的掌握Ti3SiC2的侵蚀行为特性以便拓展和发挥该材料的应用功能，非常有必要进一步在高流速铅介质流场中开展腐蚀实验与水力结构设计优化等方面的研究。

因此，为了开展上述问题研究，本发明设计了一套综合的性能测试与实验研究平台。开展液态重金属机械泵的研究除了能够应用到化工行业外，更重要的是为将来液态金属反应堆上的核主泵研制和应用奠定基础，所以需要在真实介质中开展相关测试和研究，为液态重金属机械泵在先进核能领域中研制提供重要的技术支持和实验数据。

发明内容

本发明设计了一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，根据需求可开展泵在液态重金属流体介质下的水力性能测试、结构设计优化、结构材料选择；根据实验目的需求，可在不同实验段上针对机械泵开展各种关键技术的研究。

本发明的技术方案：一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，包括：高压气源，真空泵，排气头，气路管道，第一、第二、第三、第四、第五、第六真空阀，气体过滤器，第一、第二、第三压力安全阀，第一、第二、第三液位计，第一、第二、第三气压计，电磁流量计，机械泵，第一、第二动力调节阀，支管路膨胀节，主管路膨胀节，压力计，第一实验段，主回路管道，第二、第三、第四实验段，电磁流量计，第一、第二、第三、第四动力截止阀，存储罐，支路管道，集液箱，熔化罐，导流管，液位高度，和膨胀箱；所述机械泵，通过大型法兰连接在集液箱上，主回路管道连接泵的出口，主回路管道上包含压力计、减小和降低管道回路结构应力和热应力的膨胀节、可进行流量调和远程控制的第二动力调节阀、测量主回路流速的电磁流量计，可扩展升级的多功能结构化的所述第一、第二、第三、第四实验段分布在主回路管道上，主回路附属支路系统包含有支路管道位于机械泵出口处主回路管道上方，支路管道上装配有膨胀节、第一动力调节阀、电磁流量计，流体经过支路循环流动回到集液箱，液态金属制备系统包含有熔化罐，其位置高于膨胀箱、集液箱、存储罐，装配有第一压力安全阀，测量金属液位的第一液位计，第一气压计，实验结束后所有的重金属流体在重力作用下自然排空到处于整个装置系统最低位置的存储罐里，存储罐上包含有第三压力安全阀、第三液位计、第三气压计，膨胀箱与集液箱在同一个水平高度上，其作用是间接测量集液箱的液位高度，膨胀箱上装配有第二压力安全阀、第二液位计、第二气压计，当一次实验结束后利用导流管排空重金属介质，导流管管路上装配有第一、第二、第三、第四动力截止阀，分别位于集液箱、主回路管道、熔化罐、熔化罐下方，气路系统包含有真空泵用于排除管路和容器中的空气及氧气，高压气源则给回路提供保护性气体和适当的压力，气路管道连接真空设备与气体设备，实验过程中多余的气体可以通过气体过滤器进行无污染处理，或可以通过真空泵抽取排除，或经过排气头排出，用于切换控制气路的第一、第二、第三、第四、第五、第六真空阀位于气路管道上。

其中，满介质密封运行特性，支路管道位于机械泵出口处主回路管路正上方，用于排出主回路最高处的保护气体。

其中，液态重金属双罐体充排功能，熔化罐与存储罐容积相等，回路运行结束后液态金属介质排入存储罐；回路再次运行启动时，在气源压力作用下液态重金属通过导流管进入熔化罐，液态重金属通过熔化罐注入回路系统，避免通过存储罐直接压入回路带来的不稳定性，避免液态重金属填充过程中气压不稳定上升对机械泵密封系统的影响。

其中，所述集液箱内部装配有折流板结构部件，避免回流液态重金属冲刷机械泵泵头部分。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一套完整的液态重金属泵水力性能测试平台，同时可开展针对机械泵结水力设计与构材料选材关键技术与实验研究。

(2)本发明的机械泵轴承密封采用钟罩式熔盐密封，确保空气不会从轴承间隙进入实验系统中，避免空气与液态重金属发生反应产生氧化物杂质。同时本发明中机械泵过流部件属于可更换部分，可针对不同结构设计的叶轮、蜗壳等水力性能进行测试和评估。因此根据研究需要通过拆换该部件可以开展更广泛的性能测试与实验研究。

(3)本发明针对本装置中特殊的轴承密封系统，将熔化罐容积设计与存储罐容积一致，液态重金属介质先有存储罐压入熔化罐，通过熔化罐将金属液体缓慢“倒入”整个回路系统，避免现有技术通过存储罐通入气压直接压入回路带来的气压不稳定性和风险，避免了气压对机械泵钟罩密封系统的冲击作用。

(4)本发明中设计的支回路管道焊接在泵出口主回路管道的最高位置，运行时关闭主回路管道，打开支路阀门即可将残余在主回路管道上部气体排空，保证主回路管道中的介质在无气体混合的条件下流动，同时在实验过程中支路管道也可以起到流量调节作用。

附图说明

图1为本发明的一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置示意图；

图中：1为高压气源，2为真空泵，3为排气头，4为气路管道，5为第一真空阀，6为第二真空阀，7为第三真空阀，8为气体过滤器，9为第四真空阀，10为第一压力安全阀，11为第一液位计，12为第一气压计，13为第五真空阀，14为第二压力安全阀，15为第二液位计，16为第二气压计，17为电磁流量计，18为机械泵，19为第一动力调节阀，20为支管路膨胀节，21为主管路膨胀节，22为压力计，23为第二动力调节阀，24为第一实验段，25为主回路管道，26为第二实验段，27为第三实验段，28为第四实验段，29为电磁流量计，30为第一动力截止阀，31为第二动力截止阀，32为存储罐，33为支路管道，34为集液箱，35为第三压力安全阀，36为第三液位计，37为第三气压计，38为熔化罐，39为导流管，40为液位高度，41为膨胀箱，42为第三动力截止阀，43为第四动力截止阀，44为第六真空阀。

具体实施方式

如图1所示，液态重金属机械泵性能研究装置主要包含：气体真空系统、液态重金属存储系统、主回路系统等。

一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，包括：机械泵18，通过大型法兰连接在集液箱34上，主回路管道25连接泵的出口，经过一个循环后回到集液箱33，主回路管道上包含压力计22，减小和降低管道回路结构应力和热应力的膨胀节21，可进行流量调节、可远程控制的第二动力调节阀23，未来可扩展升级的多功能结构化第一、第二、第三、第四实验段24、26、27、28，电磁流量计29；主回路附属支路系统包含有支路管道33位于机械泵18出口处主回路管道25上方，支路管道上的膨胀节20，第一动力调节阀19，电磁流量计17，流体经过小循环流动回到集液箱34；液态金属制备系统包含有熔化罐38，熔化罐上的第一压力安全阀10，测量金属液位的第一液位计11，第一气压计12，实验结束后所有的重金属流体在重力作用下自然排空到存储罐32里，存储罐上包含有第三压力安全阀35，第三液位计36，第三气压计37，膨胀箱41的作用是间接测量集液箱34的液位高度40，膨胀箱上包含第二压力安全阀14，第二液位计15，第二气压计16；检测和实验结束后利用导流管39排空流体介质，其尺寸略小于主回路管道25即可，导流管管路上包含第一、第二、第三、第四动力截止阀30、31、42、43；气路系统包含有真空泵2用于排除管路和容器中的空气及氧气，高压气源1给回路提供保护性气体和适当的压力，气路管道4连接真空设备与气体设备，实验过程中多余的气体可以通过气体过滤器8进行无污染处理，或可以通过真空泵抽取排除，或经过排气头3排出，用于切换控制气路的第一、第二、第三、第四、第五、第六真空阀5、6、7、9、13、44。

所述机械泵18轴承密封采用钟罩式结构，利用低温凝固高温熔化且化学稳定性高不挥发的熔盐作为密封介质，起到隔绝空气作用，防止回路系统中的液态重金属被氧化，通过更换泵头部分，可针对不同水力结构设计的叶轮、蜗壳等水力性能进行测试和评估。

所述机械泵18浸没在集液箱34中的泵头部分，可根据实验研究需求和水力性能检测需求进行更换，该部属于分可重复拆卸装配，也可进行独立的旋转实验。

所述机械泵18出口出主回路管路25正上方连接一条小循环支路管道33，可以排除主回路25最高端处气体，保证运行时主体回路中充满介质，无气体扰动。

所述第一、第二、第三、第四实验段24、26、27、28是针对铅铋结构选材和水力性能等可扩展的四个预置实验段，第一、第四实验段24和28处于水平段，流体环境一致，实验时可在量的层面上增加研究对象的数量，也可以对实验段进行设计获得不同流体环境，开展针对性研究；第二、第三实验段26和27流体方向截然相反，可充分考虑到流体向对针对性检测和实验研究带来的作用和影响。

所述熔化罐38与存储罐32容积相当，当运行结束后液态金属介质排入存储罐32，然后通过导流管39在气源1压力作用下返回熔化罐，便于回路系统流体介质的填充，这两个容器的组合使用是由机械泵结构特点决定。

所述膨胀箱41与集液箱34通过气路管线4连接在一起，构成连通器，通过膨胀箱41中的第二液位计15实时监测集液箱41中液位高度变化，通过与熔化罐38协同调节控制回路系统中的介质用量。

所述主回路管25、支回路管33、导流管39、熔化罐38、存储罐32等部件外部均缠绕加热丝和保温棉，通过电流控制将液态重金属恒温在熔点之上，并根据实验研究需求调节温度浮动。

以首次启停过程为例：

1)首先在机械泵18钟罩式密封系统中加入熔盐，熔盐在常温下是固态，将钟罩填充起来起到密封作用；

2)将足量的块状重金属锭子放入熔化罐38后密闭法兰；

3)除第一、第三、第六真空阀5、7、44关闭外，其余所有阀门打开，启动真空泵2抽出管路系统中的空气，空气被抽取干净后关闭第二真空阀6；

4)打开高压气源1和第三真空阀7向装置系统通入惰性保护气氩气，然后关闭第三真空阀7；

5)关闭第四动力截止阀43、第一动力截止阀30、第二动力截止阀31，启动实验系统的辅助加热与保温功能，将整个实验系统的温度处在液态重金属熔点之上，防止流体灌入时发生凝固；

6)对熔化罐38加热，将重金属锭子熔化，通过膨胀箱41中的第二液位计15标定液面位置，进而判定是否需要关闭第三动力截止阀42；

7)实验罐体及回路系统中充满液态金属后关闭第三动力截止阀42、第四真空阀9、第五真空阀13；

8)关闭第二动力调节阀23，开启机械泵电机18，流体首先经过支路管道33循环，排出主回路管道25最上端的气体，支路管道实验过程中还可起到分流调节作用。然后关闭第一动力调节阀19，再打开第二动力调节阀23；

9)通过调节第二动力调节阀23关闭程度，改变流量，通过压力计22检测压力随流量变化数值，再根据成熟的流体力学计算公式绘制机械泵水力性能特性曲线；

10)性能测试或实验完成后，停止运行机械泵18，打开第一动力调节阀19、第二动力调节阀23、第一动力截止阀30、第二动力截止阀31、液态重金属在自然重力作用下流入存储罐32；

11)第二次实验时，先通过气压将液态重金属流体从存储罐32向上压入熔化罐38，余下可按照上述操作流程进行。

Claims (4)

1.一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，其特征在于包括：高压气源(1)，真空泵(2)，排气头(3)，气路管道(4)，第一、第二、第三、第四、第五、第六真空阀(5、6、7、9、13、44)，气体过滤器(8)，第一、第二、第三压力安全阀(10、14、35)，第一、第二、第三液位计(11、15、36)，第一、第二、第三气压计(12、16、37)，第一电磁流量计(17)，机械泵(18)，第一动力调节阀(19)，支管路膨胀节(20)，主管路膨胀节(21)，压力计(22)，第二动力调节阀(23)，第一实验段(24)，主回路管道(25)，第二、第三、第四实验段(26、27、28)，第二电磁流量计(29)，第一、第二、第三、第四动力截止阀(30、31、42、43)，存储罐(32)，支路管道(33)，集液箱(34)，熔化罐(38)，导流管(39)，液位高度(40)，和膨胀箱(41)；所述机械泵(18)，通过大型法兰连接在集液箱(34)上，主回路管道(25)连接机械泵(18)的出口，主回路管道上包含压力计(22)、减小和降低管道回路结构应力和热应力的主管路膨胀节(21)、可进行流量调和远程控制的第二动力调节阀(23)、测量主回路流速的第二电磁流量计(29)，可扩展升级的多功能结构化的所述第一、第二、第三、第四实验段(24、26、27、28)分布在主回路管道上，主回路附属支路系统包含有支路管道(33)位于机械泵(18)出口处主回路管道(25)上方，支路管道上装配有支管路膨胀节(20)、第一动力调节阀(19)、第一电磁流量计(17)，流体经过支路循环流动回到集液箱(34)，液态金属制备系统包含有熔化罐(38)，其位置高于膨胀箱(41)、集液箱(34)、存储罐(32)，装配有第一压力安全阀(10)、测量金属液位的第一液位计(11)、第一气压计(12)，实验结束后所有的重金属流体在重力作用下自然排空到处于整个装置系统最低位置的存储罐(32)里，存储罐(32)上包含有第三压力安全阀(35)、第三液位计(36)、第三气压计(37)，膨胀箱(41)与集液箱(34)在同一个水平高度上，其作用是间接测量集液箱(34)的液位高度(40)，膨胀箱上装配有第二压力安全阀(14)、第二液位计(15)、第二气压计(16)，当一次实验结束后利用导流管(39)排空重金属介质，导流管管路上装配有第一、第二、第三、第四动力截止阀(30、31、42、43)，分别位于集液箱(34)、主回路管道(25)、熔化罐(38)、熔化罐(38)下方，气路系统包含有真空泵(2)用于排除管路和容器中的空气及氧气，高压气源(1)则给回路提供保护性气体和适当的压力，气路管道(4)连接真空设备与气体设备，实验过程中多余的气体通过气体过滤器(8)进行无污染处理，或通过真空泵抽取排除，或经过排气头(3)排出，用于切换控制气路的第一、第二、第三、第四、第五、第六真空阀(5、6、7、9、13、44)位于气路管道(4)上。

2.根据权利要求1所述的一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，其特征在于满介质密封运行特性，支路管道(33)位于机械泵(18)出口处主回路管路(25)正上方，用于排出主回路管路(25)最高处的保护气体，保证介质充满主回路。

3.根据权利要求1所述的一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，其特征在于液态重金属双罐体充排功能，熔化罐(38)与存储罐(32)容积相等，回路运行结束后液态金属介质排入存储罐(32)；回路再次运行启动时，在高压气源(1)压力作用下液态重金属通过导流管(39)进入熔化罐(38)，液态重金属通过熔化罐(38)注入回路系统，避免通过存储罐直接压入回路带来的不稳定性，避免液态重金属填充过程中气压不稳定上升对机械泵(18)密封系统的影响。

4.根据权利要求1所述的一种密闭回路式液态重金属机械泵性能测试装置，其特征在于：所述集液箱(34)内部装配有折流板结构部件，避免回流液态重金属冲刷机械泵(18)泵头部分。