精密设备高纯氦气管道施工技术

精密设备高纯氦气管道施工技术

发布时间：2022-10-10T07:44:01.685Z 来源：《建筑实践》2022年10期（下）作者：何勇

[导读] 氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略物资之一。

何勇

中国核工业二三建设有限公司河北廊坊 065201

摘要：氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略物资之一。我国氦气资源相当贫乏，基本依赖进口，且天然气中氦气含量低，提取难度大，成本高。针对现有天然气氦气回收方法存在的能耗高、流程复杂、回收率低以及粗氦产品纯度低等缺点，本文中将低温精馏和提氦工艺流程相结合，提出一种创新的天然气氦气回收方法。当原料气中氦气含量较低（天然气中氦气含量低于0.5%）时，节能优势明显。该流程采用双塔提氦，氦气提浓塔和氦气回收塔均采用具有温度梯度的多股进料方式，大幅度降低了提浓塔的有效能损失。氦气提浓塔和氦气回收塔均采用塔底部分物流复热的方式为塔底提供热量，两塔塔底的热源分别通过物流换热的形式获得，大幅度提高了流程的热集成度，降低了系统总压缩功。

关键词：高纯氦气；光谱分析；专用机械；预制安装；质量管控

引言

动态真空系统和密闭真空器件工作过程中须保持一定的真空状态，如果出现漏气，会降低真空系统与内部器件的工作性能，减少它们的寿命。因此，检漏是真空技术中的重要环节。氦质谱仪具有较高的灵敏度和可靠性，在检漏技术中得到广泛的应用。但是氦质谱仪必须通过机械泵和分子泵系统获得高真空环境并与被检测部件、设备等相连接，以致体积大、操作不方便、不宜对特殊位置，尤其是密闭器件进行检漏，限制了其应用范围。随着真空系统集成化技术的提高，小型质谱仪检漏系统，该检漏仪的重量只有8kg。但由于所用小型涡轮分子泵受陀螺载荷影响，系统的机械稳定性较差，无法满足大量的实际应用需求。目前还没有能够集成在器件内部进行实时、在线检漏的有效方法。因此，开发微型、低能耗、操作方便的检漏技术具有重要的应用价值。

1.管材专用机械冷切割

卫生级不锈钢管道不得采用砂轮切割机或等离子切割机进行热切割，应采用不锈钢管道专用切割机械进行冷切割。机械冷切割可有效降低切割过程中管道高温的摄入，防止晶间腐蚀产生，管道切割精度高，断面无毛刺，不变形，切口绝对垂直，切割后依然能保持内壁较高的洁净度，可避免采用热切割产生的飞溅附着管道内表面不宜清理的弊端。管道切割、坡口（管径DN150及以下）采用外部安装轨道式切割坡口机，韩国DCSENG品牌轨道式管子端面切割坡口一体机S-150LT。管道切割、坡口（管径DN200-DN500）采用管道旋转式切割坡口机，韩国DCSENG品牌管道旋转式切割坡口一体机S-500。

2.管道焊接

在进行焊工培训考核及不锈钢管预制初期对焊接质量的检验时，发现有部分焊口内壁焊缝两边出现黑边现象，经分析认为是氩气保护不到位所致。本工程大部分管路拟采用局部充氩保护法，为防止焊缝区因表面氧化而造成不锈钢管内壁变色和抗腐蚀能力的下降，在之后的预制焊接时，在焊缝背面采取了延长充氩保护时间和加大氩气输送流量等措施。特别是根据各类不锈钢管道的直径和管道对接的实际需求，设计和制造出局部充氩器用于长管道对接等处的焊接施工。在焊接前，在管道内放入局部充氩器进行充氩以便保证焊口附近的氩气浓度达标，焊接完成后充氩器能够被预先留在管子活口侧的不锈钢索拉出。采用局部充氩器进行施工后，基本杜绝焊缝周边出现黑边的情况。

3.施工过程质量管控

施工前编制适用于本工厂的质量保证手册，详细列出适用于本工程的施工工序记录表，包括SH3503-2007设备安装工程用表、SH3503-2007管道安装工程用表等，在施工中严格按质量记录要求认真填写并由各方签字确认。在质量保证手册中的施工工序记录表中，针对本工程严格的管内洁净度要求高等特点和工序搭接顺序，设计了常温氦气管道对口组装记录表及常温氦气管道接口焊接施工记录表。在施工中完成相应的每道工序后进行认真填写，并由各方签字确认后才能进入下道工序施工。

4.氦气回收技术的应用

（1）双塔天然气氦气回收总压缩功为1096kW，总压缩功包括来原料气增压压缩功、制冷压缩功和外输气压缩功。氦气回收率高，为98.95%，粗氦产品摩尔分数为73.48%。（2）从特性分析中得出结论，可以通过增加理论塔板数、增加吸收塔回流量、升高低温分离器温度等方法来提高氦气回收率。对于本文中提出的气质组成和模拟条件来说，氦气提浓塔理论塔板数为14时最为合适。（3）从适应性分析中得出结论，无论气质贫富，氦气回收率都随着原料气中氦气含量的增多而升高；在相同制冷条件及其他条件下，较贫气质的氦气回收率要高于较富气质的氦气回收率。对于不同的气质，综合能耗都随着原料气中氦气含量的升高而增加，气质越富，综合能耗越高。（4）该工艺取消了重沸器与冷凝器，减少了设备数量与设备投资，氦气回收率和粗氦纯度高，且回收率可调，流程适应性强。

5.初步设计及变工况性能预测方法

关于离心压缩机的气动设计和大量试验表明，基于工质的连续性、动量、能量和状态方程，通过适当假设简化而得到的一元流动压缩理论，在精确预估压缩机内部流动损失和准确计算工质物性的前提下，能较为准确的进行离心压缩机的初步气动设计和变工况性能预测分析。NISTRefprop(ReferenceFluidProperties)是一款国际权威流体工质物性计算数据库，该数据库由美国国家标准技术研究所(NIST)研制开发。从大量公开发表的文献来看，NISTRefprop被很多研究人员用作物性数据源或作为验证计算结果准确性的参考数据源。采用NISTRefprop能较为准确的计算离心压缩机工质的真实热物性。因此本文基于一元压缩流动理论，采用MATLAB语言自主编程，调用NISTRefprop数据库进行工质真实热物性的计算，引入相关流动损失经验模型，联立求解工质连续性方程、动量方程和能量方程，建立离心压缩机初步气动设计和变工况性能预测方法。气体工质在离心压缩机内部的实际压缩过程存在各种复杂流动损失。对流动损失估计的准确与否会直接影响初步设计和性能预测结果的精度。

6.氦气大气压

通过数值仿真研究屏蔽气体（SG）流速对同轴双管反应器氦气大气压等离子体射流（APPJ）的放电行为和粒子分布的影响，并利用实