CN111562148B - 用于惰性气体中氢的取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于惰性气体中氢的取样装置，包括：取样本体，取样本体具有气体通道，气体通道的进气口和出气口均与待取样的惰性气体的气体容纳部连通；氢渗透结构与高真空系统连接，氢渗透结构位于气体通道内；加热器用于对氢渗透结构和/或气体通道内位于氢渗透结构上游的惰性气体进行加热，在气体通道内，从进气口至加热器的加热部位的路径的长度小于从加热器的加热部位至出气口的路径的长度，以使气体通道内形成压力差，惰性气体在压力差的作用下能够从进气口流入至气体通道内并从出气口流出。本发明的技术方案是利用加热器加热产生的压力差实现惰性气体流动，不用额外设置电磁泵等驱动装置，减少了构成部件，整体结构更加简单。

Description

用于惰性气体中氢的取样装置

技术领域

本发明涉及惰性气体中氢组分取样技术领域，具体涉及一种用于惰性气体中氢的取样装置。

背景技术

长久以来，核电一直被认为是人类和平利用核能方面的伟大壮举。目前全世界已有核电站400多座，占全世界发电总量的17％。核电凭借其安全、高效、清洁的诸多特性，开始为越来越多的国家重视。

根据《中国核能发展报告2019》来看，2019年核电发电量占比达到4.2％，到2035年可以达到10％，占比很少，发展的潜力非常大，未来我国的核电必然会大提速。

而钠冷快堆就是我国核电领域的重要发展方向。钠冷快堆采用钠-钠-水三回路传热系统，以钠作为冷却剂，二回路蒸汽发生器作为钠水回路的边界，存在着发生钠水反应的隐患。长期以来，钠水型蒸汽发生器换热管发生小泄漏以至引起大泄漏的事故在世界上现有的快中子反应堆上屡有发生。世界上多个国家如美国、俄罗斯、法国、德国、日本等都对钠冷快堆蒸汽发生器泄漏问题进行了大量的研究，包括换热管自破损、相邻管破损研究、微小泄漏向中大泄漏的发展过程研究、钠水反应产物在回路中扩散机理研究以及泄漏探测器的研究，通过大量的模拟泄漏试验，校准泄漏探测器及报警系统。目前各国研发出了多种泄漏探测器，如氢计、脉冲噪声探测器、声学探测器等。其中氢计系统是目前广泛认为可靠、灵敏、应用最多的探测器。

当蒸汽发生器发生水或水蒸汽泄漏时，钠水反应生成氢气和氢离子。钠主管道内的液态金属钠中氢浓度会增加，同时，钠水反应产生的氢气会扩散到钠缓冲罐内的氩气中，氩气中的氢浓度也会增加。取样装置的功能是提取所测量的液态金属钠或氩气，使其流过镍管并使其中溶解的氢经镍管渗透进入高真空系统中，从而被探测出来。

在现有技术中，国内的氢计取样装置一般包括镍管、加热器、回热器及电磁泵等结构，设备构成部件繁多，比较复杂，空间利用率低。此外，由于上述取样装置的设备构成部件繁多，管道一般较长，从而导致工作行程长，也就是开始被取样至到达镍管的时间长，从而在一定程度上影响了响应时间。而在国外方面，法国Phenix快堆采用的氢取样装置同样存在设计复杂、体积庞大等问题，这将导致在设备安装和布置方面受到很多影响。此外，现有的氢计的取样装置大多应用于对金属流体钠的取样，取样装置的结构也是基于此进行设计的，而对专门适用于氩气的取样装置的研究较少。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于惰性气体中氢的取样装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于惰性气体中氢的取样装置，包括：取样本体，取样本体的内部具有气体通道，气体通道具有进气口和出气口，进气口和出气口均与待取样的惰性气体的气体容纳部连通；氢渗透结构，与高真空系统连接，氢渗透结构位于气体通道内；加热器，用于对氢渗透结构和/或气体通道内位于氢渗透结构上游的惰性气体进行加热，在气体通道内，从进气口至加热器的加热部位的路径的长度小于从加热器的加热部位至出气口的路径的长度，以使气体通道内形成压力差，惰性气体在压力差的作用下能够从进气口流入至气体通道内并从出气口流出。

进一步地，氢渗透结构的延伸方向和气体通道与其对应的部分的延伸方向相同。

进一步地，氢渗透结构和气体通道与其对应的部分同心设置。

进一步地，取样本体包括：第一取样管，第一取样管的第一端的管口形成进气口，第一取样管的第二端封闭，氢渗透结构位于第一取样管内；第二取样管，第二取样管的第一端与第一取样管连通，第二取样管的第二端的管口形成出气口。

进一步地，氢渗透结构的端部连接在第一取样管的第二端的端壁上，氢渗透结构的延伸方向与第一取样管的延伸方向相同。

进一步地，取样本体还包括第三取样管，第三取样管连接在第一取样管和第二取样管之间并与第一取样管和第二取样管均连通。

进一步地，取样本体还包括连接弯管，连接弯管连接在第一取样管和第三取样管之间并与第一取样管和第三取样管均连通，和/或，连接弯管连接在第二取样管和第三取样管之间并与第二取样管和第三取样管均连通。

进一步地，氢渗透结构为镍管。

进一步地，加热器设置在第一取样管的周向外壁上。

进一步地，加热器位于氢渗透结构外侧。

进一步地，还包括测温结构，测温结构用于测量氢渗透结构周围的惰性气体的温度。

进一步地，取样本体包括：第一取样管，第一取样管的第一端的管口形成进气口，第一取样管的第二端封闭，氢渗透结构位于第一取样管内，氢渗透结构的延伸方向和第一取样管的延伸方向相同，并且氢渗透结构与第一取样管同心设置，测温结构位于第一取样管的周向外壁上；第二取样管，第二取样管的第一端与第一取样管连通，第二取样管的第二端的管口形成出气口。

应用本发明的技术方案，取样本体内部的气体通道的进气口和出气口均与待取样的惰性气体的气体容纳部连通，氢渗透结构位于气体通道内。当加热器加热时，其加热部位的温度升高，气体压力也随之升高，这就与未被加热的部位之间形成了压力差。由于从进气口至加热器的加热部位的路径的长度小于从加热器的加热部位至出气口的路径的长度，这样能够在整个气体通道内形成有效压力差，从而使气体通道内气体流动起来，进而带动被取样的惰性气体从进气口流入至气体通道内并从出气口流出，无需额外设置电磁泵等驱动装置。在此过程中，惰性气体流经位于气体通道内的氢渗透结构，惰性气体中溶解的氢经氢渗透结构渗透进入高真空系统，通过高真空系统对氢浓度的大小进行检测与判断。上述取样装置是针对惰性气体的取样进行的设计，利用加热器加热产生的压力差实现惰性气体流动取样，不用额外设置电磁泵等驱动装置，减少了构成部件，整体结构更加简单。此外，氢渗透结构完全位于气体通道内，氢渗透结构与周围惰性气体的接触面积更大，从而使渗透效果更好。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是本发明一个实施例的用于惰性气体中氢的取样装置的结构示意图；以及

图2是图1的取样装置的剖视示意图(未示出加热器)。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

附图标记说明：

11、第一取样管；12、第二取样管；13、第三取样管；14、连接弯管；20、气体通道；21、进气口；22、出气口；30、氢渗透结构；40、加热器；50、真空接管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本实施例的用于惰性气体中氢的取样装置具体是用于从钠冷快堆的钠缓冲罐中安全、快速地将氩气中的氢提取出来，从而便于后续的对氢浓度的大小进行检测与判断，进而实现探测水或水蒸汽向钠冷快堆蒸汽发生器的钠侧的泄漏。

如图1和图2所示，在本实施例的取样装置中，取样装置包括取样本体、氢渗透结构30以及加热器40。其中，取样本体的内部具有气体通道20。气体通道20具有进气口21和出气口22。进气口21和出气口22均与钠缓冲罐连通。氢渗透结构30与高真空系统连接，氢渗透结构30位于气体通道20内。加热器40用于对氢渗透结构30和/或气体通道20内位于氢渗透结构30上游的惰性气体进行加热。在气体通道20内，从进气口21至加热器40的加热部位的路径的长度小于从加热器40的加热部位至出气口22的路径的长度。

应用本实施例的取样装置，取样本体作为承压边界承担介质包容功能，有效地起到了保护作用。取样本体内部的气体通道20的进气口21和出气口22均与钠缓冲罐连通。氢渗透结构30位于气体通道20内。当加热器40加热时，其加热部位的温度升高，气体压力也随之升高，这就与未被加热的部位之间形成了压力差。由于从进气口21至加热器40的加热部位的路径的长度小于从加热器40的加热部位至出气口22的路径的长度，这样能够在整个气体通道20内形成有效压力差，从而使气体通道20内气体流动起来，进而带动被取样的氩气从进气口21流入至气体通道20内并从出气口22流出，无需额外设置电磁泵等驱动装置。在此过程中，氩气流经位于气体通道20内的氢渗透结构30，氩气中溶解的氢经氢渗透结构30渗透进入高真空系统，通过高真空系统对氢浓度的大小进行检测与判断。上述取样装置是针对钠缓冲罐内的氩气的取样进行的设计，利用加热器40加热产生的压力差实现氩气流动取样，不用额外设置电磁泵等驱动装置，减少了构成部件，整体结构更加简单。此外，氢渗透结构30完全位于气体通道20内，氢渗透结构30与周围氩气的接触面积更大，从而使渗透效果更好。

需要说明的是，本实施例的取样装置不限于从钠冷快堆的氩气中提取氢，在其他实施方式中，取样装置可以应用在其他场景中，与待取样的惰性气体的气体容纳部(例如惰性气体管道、含有惰性气体的设备等)连接，用于从其他类型的惰性气体(例如氦气)中提取溶解的氢。此外，从进气口21至加热器40的加热部位的路径的长度一定要小于从加热器40的加热部位至出气口22的路径的长度，如果上述两个路径长度相等，加热器40的加热部位与其两侧均产生压力差，这两种压力差可看作会抵消掉，气体通道20中气体无法流动。

如图2所示，在本实施例的取样装置中，氢渗透结构30在气体通道20内的延伸方向是和气体通道20与其对应的部分的延伸方向相同的。由于氩气沿着气体通道20流动，将氢渗透结构30顺着气体通道20的延伸方向设置，这样可以使氩气在流经氢渗透结构30时也是沿着氢渗透结构30的外表面流动的，增加了氩气与氢渗透结构30的接触时间，从而在一定程度上提高了氢渗透结构30的透氢效果。同时，以上述方式设置氢渗透结构30更加便于布置，氢渗透结构30的长度在不超过气体通道20的长度的范围内可以根据需要任意设置，不用担心氢渗透结构30与气体通道20的干涉问题。

当然，氢渗透结构30的布置方式不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，氢渗透结构也可以与气体通道呈角度设置，在此情况下需要保证氢渗透结构不会完全阻挡住氩气气流的流过。

如图1所示，在本实施例的取样装置中，由于氢渗透结构30在一定温度范围内透氢性能较好，因此设置加热器40对氢渗透结构30和/或氩气进行加热，以提高氢渗透结构30及其周围环境的温度，保证透氢性能。加热器40可以为陶瓷加热器、加热棒、加热丝等，其类型可以根据具体需要进行选择。

如图1和图2所示，在本实施例的取样装置中，取样本体包括第一取样管11和第二取样管12。第一取样管11的第一端的管口形成进气口21，第一取样管11的第二端封闭。氢渗透结构30位于第一取样管11内。第二取样管12的第一端与第一取样管11连通，第二取样管12的第二端的管口形成出气口22。第一取样管11的第一端和第二取样管12的第二端可以分别通过管道三通连接在钠缓冲罐上。上述第一取样管11的位置更靠近进气口21，将氢渗透结构30设置在第一取样管11内，可以减小氩气从进气口21流入取样装置至流到氢渗透结构30进行渗透的路径长度及时间，在一定程度上缩短了响应时间，提高了探测效率。

如图1和图2所示，在本实施例的取样装置中，加热器40设置在第一取样管11的周向外壁上，这样使结构更加紧凑，空间利用率高。加热器40的内部可镶嵌热电偶，用于监测加热器40的温度。在本实施例中，加热器40位于氢渗透结构30的外侧。上述加热器40用于直接对氢渗透结构30进行加热，从而提高氢渗透结构30及其周围环境的温度，这种加热方式能够使氢渗透结构30的受热更加均匀，加热效率高，加热效果好，氢渗透速率大大提高。

当然，加热器40的设置位置和加热方式不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，加热器可以设置在其他位置，例如，加热器可以设置在气体通道内。当加热器设置在气体通道内时，加热器可选为加热棒，如果周围有足够空间，可以将多个加热棒沿着氢渗透结构的周围排布。

加热器也可以对气体通道内位于氢渗透结构上游的氩气进行加热，以使该部分氩气到达氢渗透结构后提高氢渗透结构及其周围环境的温度，保证透氢性能。但是这种间接的加热方式在加热效果、受热均匀性、加热效率上相比于直接加热稍差一些，不过不影响实现加热器的最终目的。需要注意的是，无论加热器设置在何位置，均需要保证从进气口至加热器的加热部位的路径的长度小于从加热器的加热部位至出气口的路径的长度。

此外，氢渗透结构30的设置位置不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，氢渗透结构也可以设置在第二取样管内或者第一取样管和第二取样管之间，此时将加热器设置在第一取样管位于氢渗透结构上游的部分会更好，先对位于氢渗透结构上游的氩气进行加热，通过增大加热器的功率或增加加热器的数量来保证对氩气加热的效果，从而保证被加热的氩气到达氢渗透结构时能够快速提升氢渗透结构及其周围的温度，进而保证透氢性能。

如图1和图2所示，在本实施例的取样装置中，氢渗透结构30和气体通道20与其对应的部分同心设置。如果将氢渗透结构30在其延伸方向上分割为多段，每一段与气体通道20的内壁之间形成的通道的截面呈均匀的环形，这样能够使氩气流动更加均匀。此外，由于加热器40位于氢渗透结构30的外侧，上述结构也可以使加热器40对氢渗透结构30的加热更加均匀。

当然，氢渗透结构30与气体通道20不限于同心设置，在图中未示出的其他实施方式中，氢渗透结构也可以与气体通道偏心设置，甚至可以将氢渗透结构与气体通道的内壁相贴合，这样更加便于固定。

如图2所示，在本实施例的取样装置中，第一取样管11的第二端通过封头将其开口堵住以实现第一取样管11的第二端的封闭。氢渗透结构30呈长条状，氢渗透结构30的端部焊接连接在封头上，氢渗透结构30的延伸方向与第一取样管11的延伸方向相同。上述氢渗透结构30的连接方式更加便于安装。此外，氢渗透结构30该端部通过真空接管50与高真空系统连接，具体地，真空接管50的一端焊接在封头上并与氢渗透结构30的端部连通，真空接管50的另一端与连接法兰焊接，通过该连接法兰与高真空系统的接口连接。

当然，氢渗透结构30的形状和连接方式不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，氢渗透结构可以为其他能够保证透氢的扩散面积的任意形状；氢渗透结构也可以连接在气体通道的内壁上，只要保证氢渗透结构的主要工作部分位于气体通道内即可。

如图1和图2所示，在本实施例的取样装置中，取样本体还包括第三取样管13。第三取样管13连接在第一取样管11和第二取样管12之间并与第一取样管11和第二取样管12均连通。上述第三取样管13的具体长度和形状可以根据现场安装环境、与钠缓冲罐连接点的位置要求进行设计。通过第三取样管13连接第一取样管11和第二取样管12的形式也可以使第一取样管11、第二取样管12的布置方式更加多样，从而能够更好地适应安装空间要求。

在本实施例中，第一取样管11和第二取样管12平行设置，便于加工制造和安装。在本实施例中，取样本体还包括连接弯管14，连接弯管14连接在第二取样管12和第三取样管13之间并与第二取样管12和第三取样管13均连通。上述连接弯管14在实现连接的同时，可以对气体通道20内的氩气在转弯处起到均匀导流的作用。第一取样管11、第二取样管12、第三取样管13以及连接弯管14由耐高温的材料制成，例如316H(不锈钢)，其含碳量高，抗脱碳性更高，更适于高温条件使用。

需要说明的是，第一取样管11和第二取样管12的位置关系不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，第一取样管和第二取样管也可以根据需要呈角度设置。此外，连接弯管14的连接位置不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，如果第一取样管的端部和第三取样管的端部连接且两者非同向布置，连接弯管也可以连接在第一取样管和第三取样管之间并与第一取样管和第三取样管均连通。

在本实施例的取样装置中，氢渗透结构30为镍管。镍对于氢的渗透效果好，镍管在450℃～500℃的温度范围内透氢性能较好。但是氢渗透结构30不限于镍管。在其他实施方式中，氢渗透结构可以采用其他氢渗透材料制成，例如，钯、铁等，其中，钯的透氢性能比镍好，但是价格昂贵，还有一些金属材料或者非金属材料透氢性能可以，但是强度不行，综合考虑到透氢能力和强度，镍是目前最佳选择。

在本实施例的取样装置中，取样装置还包括测温结构(图中未示出)，测温结构用于测量氢渗透结构30周围的氩气的温度，以保证氢渗透结构30周围的温度在最佳透氢温度范围，具体地，氢渗透结构30为镍管，最佳透氢温度范围为450℃～500℃。在本实施例中，测温结构位于第一取样管11的周向外壁上。测温结构为多个，分别对第一取样管11上不同的点进行测温。由于本实施例的氢渗透结构30与气体通道20同心设置，氢渗透结构30与气体通道20的内壁之间的空间较小，将测温结构设置在第一取样管11的周向外壁上更为合适。

需要说明的是，测温结构的设置位置不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，测温结构可以位于气体通道内。具体地，测温结构与氢渗透结构并排设置，测温结构可为长条状，测温结构与氢渗透结构相对于第一取样管的中心线对称分布在两侧。上述结构能够使测温结构更靠近氢渗透结构的周围，氩气同时流过测温结构和氢渗透结构，从而使测温结构的外侧与氢渗透结构的周围的氩气温度更具有一致性，测温结果更加准确。

此外，测温结构可以直接选用热电偶温度传感器或热电阻温度传感器，当然，测温结构的结构不限于此，在图中未示出的其他实施方式中，测温结构也可以包括测温套筒和温度传感器。测温套筒的一端封闭一端开口。测温套筒的开口端固定连接在封头上，测温套筒的内部通过开口端的开口与第一取样管的外部连通。测温套筒的封闭端伸入至第一取样管内。温度传感器从测温套筒的开口插入至测温套筒内，温度传感器与测温套筒可拆卸连接。测温套筒起到隔离取样装置的内部与外部的作用，当需要更换温度传感器时，直接将温度传感器拆卸下来即可，操作更加方便。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种用于惰性气体中氢的取样装置，其特征在于，包括：

取样本体，所述取样本体的内部具有气体通道(20)，所述气体通道(20)具有进气口(21)和出气口(22)，所述进气口(21)和所述出气口(22)均与待取样的惰性气体的气体容纳部连通；

氢渗透结构(30)，与高真空系统连接，所述氢渗透结构(30)位于所述气体通道(20)内；

加热器(40)，用于对所述氢渗透结构(30)和/或所述气体通道(20)内位于所述氢渗透结构(30)上游的所述惰性气体进行加热，所述加热器(40)位于所述氢渗透结构(30)外侧，在所述气体通道(20)内，从所述进气口(21)至所述加热器(40)的加热部位的路径的长度小于从所述加热器(40)的加热部位至所述出气口(22)的路径的长度，以使所述气体通道(20)内形成压力差，所述惰性气体在所述压力差的作用下能够从所述进气口(21)流入至所述气体通道(20)内并从所述出气口(22)流出。

2.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述氢渗透结构(30)的延伸方向和所述气体通道(20)与其对应的部分的延伸方向相同。

3.根据权利要求2所述的取样装置，其特征在于，所述氢渗透结构(30)和所述气体通道(20)与其对应的部分同心设置。

4.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述取样本体包括：

第一取样管(11)，所述第一取样管(11)的第一端的管口形成所述进气口(21)，所述第一取样管(11)的第二端封闭，所述氢渗透结构(30)位于所述第一取样管(11)内；

第二取样管(12)，所述第二取样管(12)的第一端与所述第一取样管(11)连通，所述第二取样管(12)的第二端的管口形成所述出气口(22)。

5.根据权利要求4所述的取样装置，其特征在于，所述氢渗透结构(30)的端部连接在所述第一取样管(11)的第二端的端壁上，所述氢渗透结构(30)的延伸方向与所述第一取样管(11)的延伸方向相同。

6.根据权利要求4所述的取样装置，其特征在于，所述取样本体还包括第三取样管(13)，所述第三取样管(13)连接在所述第一取样管(11)和所述第二取样管(12)之间并与所述第一取样管(11)和所述第二取样管(12)均连通。

7.根据权利要求6所述的取样装置，其特征在于，所述取样本体还包括连接弯管(14)，所述连接弯管(14)连接在所述第一取样管(11)和所述第三取样管(13)之间并与所述第一取样管(11)和所述第三取样管(13)均连通，和/或，所述连接弯管(14)连接在所述第二取样管(12)和所述第三取样管(13)之间并与所述第二取样管(12)和所述第三取样管(13)均连通。

8.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，所述氢渗透结构(30)为镍管。

9.根据权利要求4所述的取样装置，其特征在于，所述加热器(40)设置在所述第一取样管(11)的周向外壁上。

10.根据权利要求1所述的取样装置，其特征在于，还包括测温结构，所述测温结构用于测量所述氢渗透结构(30)周围的所述惰性气体的温度。

11.根据权利要求10所述的取样装置，其特征在于，所述取样本体包括：

第一取样管(11)，所述第一取样管(11)的第一端的管口形成所述进气口(21)，所述第一取样管(11)的第二端封闭，所述氢渗透结构(30)位于所述第一取样管(11)内，所述氢渗透结构(30)的延伸方向和所述第一取样管(11)的延伸方向相同，并且所述氢渗透结构(30)与所述第一取样管(11)同心设置，所述测温结构位于所述第一取样管(11)的周向外壁上；

第二取样管(12)，所述第二取样管(12)的第一端与所述第一取样管(11)连通，所述第二取样管(12)的第二端的管口形成所述出气口(22)。

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