曹 屿，雷泽勇，邓 健，王 飞，乐泽锌

(1.南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001； 2.中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 014000)

0 引 言

地浸采铀相较于传统采铀方法具有低成本、绿色环保、人员需求少等优点,目前已在全世界采铀行业得到了广泛应用[1]。其基本原理是对可地浸砂岩型铀矿按一定网度布置地浸生产井(包括注液井和抽液井)，从注液井注入地浸液，使地浸液与铀矿石进行充分反应以形成含铀离子的溶液，含铀离子的溶液经过地层渗透进入抽液井中，将含铀离子的溶液经抽液井提出地表，在地表工厂进一步萃取铀。随着铀离子溶液抽出的过程中，溶浸液在矿层内部会发生各种物理、化学反应，在矿层孔隙中形成的化学残余物以及工艺孔中过滤器上的附着物、结垢物、沉淀物等均对钻孔的实际工作能力产生很大的影响，特别是实际生产过程中频繁出现较为严重的物理堵塞和化学堵塞，大大降低了工艺钻孔的抽、注液能力及浸出液铀浓度，严重影响矿产资源的有效开采。为解决此类问题，有必要研究开发一种自动化程度高，清洗效果好，可靠性高的地浸生产井清洗装置，并且具有广阔的应用前景。

常用的洗井方法有：空压机洗孔、化学洗孔、活塞洗孔等技术，但是这些方法洗孔效果不佳，不仅易对套管造成伤害，无法有效提升浸出液量，且工作周期长，工人劳动强度大[2]。相比较而言机械式清洗技术具有成本低、操作简单、施工周期短、劳动强度低、人力消耗较小、施工设备简易且没有污染等优点，在现代化工业清洗过程中，机械清洗技术经历了手动清洗，PIG清洁和技术集成的三个发展阶段。它通常用于化学清洗方法无法解决的情况。它可以清除化学方法无法清除的碳化垢和硬垢[3]。对于项目中地浸采铀工作井内存在致密、附着力强的有机物，机械式清洗能很好进行除垢处理。

笔者针对位于孔径80～128 mm水下400 m深积水的地浸采铀工作井管，设计一套机械式除垢装置。结合《压力容器》标准设计出该装置的密封结构，并利用AnsysWorkbench软件对密封外壳进行静力学分析，通过室内试验确保该设计的可行性及安全性。

1 机械式除垢装置结构及工作原理

在使用机械除垢装置之前，使用水下可视测井设备检测有机沉淀物的存在和粘附，并摸清加工孔的堵塞状态。清洗时，机械除垢装置通过钢丝绳电缆连接到提升机，然后开启提升机。利用设备自身的重力，机械式除垢设备通过弹性夹壁装置的导向轮缓慢滑入井中，到达预定位置并开始工作。该装置进入水下以实现两个主要功能：①携带电机和清洗组件进行清洗；可以根据实际工作条件进行调整：通过更换清洗组件(清洗刷以及刷毛材质)，清洗从单个直径到可变直径的管道并适应管道内的不同环境，以达到最佳清洗效果；②可通过提升机的启动和停止，可以在井中的任何位置清洗井管；弹性夹壁装置的延伸使行走轮紧紧地压在管道的内壁上，并提供足够的抗扭转性为了防止清洗刷和管壁之间的过度摩擦引起电机旋转电缆相互缠绕导致的装置损毁，从而确保整个机械除垢装置在运行期间的稳定性。该装置的结构零部件均采用耐腐蚀金属材质加工制造，以保证机械式清洗装置的寿命跟强度。机械式清洗装置整体可分为上、中、下三段。如图1所示，上段包括：仪器接头、滑轮支撑架、滑块管道上连接板、无缝钢管、连杆、弹簧、滑轮、凸台、拉紧套、过渡接头；中段包括密封外壳、电机、内六角螺钉、推力球轴承、平键、密封圈、内六角螺钉、格莱圈、延长轴、端盖、平键；下段包括：法兰I、法兰II、圆螺母、止动垫圈、六角螺母、弹簧垫圈、平垫圈、六角头螺栓、清洗刷。

图1 机械式清洗装置总体设计1.仪器接头 2.固定装置 3.拉紧套 4.过渡接头 5.密封外壳 6.电机 7.内六角螺钉 8.推力球轴承 9.平键 10.密封圈 11.内六角螺钉 12.格莱圈(旋转密封圈) 13.延长轴 14.端盖 15.平键 16.法兰I 17.法兰II 18.圆螺母 19.止动垫圈 20.六角螺母 21.弹簧垫圈 22.平垫圈 23.六角头螺栓 24.清洗刷

2 水下电机密封设计

密封设计是水下电机设计的关键。密封壳体最主要的作用就是作为安装电机的容器，通过在密封壳体多个部位设置的密封圈，实现了密封壳体的全密封。密封一般分为静密封和动密封[4]。在密封壳体中，固定连接的部分均采用静密封，运动部分(即延长轴与端盖的接触面)采用格莱圈密封(即O形密封圈与聚四氟乙烯滑环组合密封)。

2.1 静密封设计

弹性夹壁装置与水下电动机的密封壳体之间的连接以及密封壳体与端盖之间的连接构成了密封壳体，这是静态密封问题。因此，在密封的外壳上采用了O形圈密封。与O形圈的接触处不应有毛刺或尖角，以防止刮伤O形圈。用于O形圈密封的通用橡胶材料包括：丁苯橡胶，丁二烯橡胶，氯丁橡胶，丁基橡胶和丁腈橡胶。特殊的橡胶材料包括：乙丙橡胶，氯磺化聚乙烯橡胶，丙烯酸橡胶，硅橡胶，氟橡胶等[5]。为了防止酸浸液的腐蚀，O形圈密封圈由氟橡胶材料制成，以确保在接触酸浸液后不会变形并失去密封效果。

电机尾部连接处的电机引出线也被静态密封。根据水下环境的使用和可靠性要求，这里通常使用成熟的水密连接器产品-深海连接器。如图2所示，它用于将水下电机连接到外部电源或控制端子。深海连接器通过螺纹和密封圈安装在壳体的背面，不仅可以实现机械除垢装置的供电和控制，而且可以可靠地实现密封。

图2 深海连接器

2.2 动密封设计

水下电机密封中最困难的问题之一是输出轴的动态密封。由于电机轴的旋转，轴与壳体之间存在间隙。如果仍然采用在轴和壳体之间添加O形圈密封的密封方法，则当电机高速旋转时，可能会导致O形圈密封磨损，发热甚至变形使它易于在较高的水压下漏水。针对动态密封的问题，此处采用组合密封，即O形圈密封和PTFE(聚四氟乙烯)滑环(通常称为格莱圈密封)的组合密封，该密封实质是将轴与壳体之间的间隙转换为静环与动环之间的间隙。旋转的格莱圈环由橡胶O形密封环和PTFE环组成。最大工作压力为0～20 MPa。根据其自身的变形，它会在密封表面上产生较高的初始接触应力。压力液体通过O形环。密封环的弹性变形最大程度地挤压方形密封环，使其靠近密封表面，以产生更高的附加接触应力，该附加接触应力随着压力液体压力的增加以及初始接触而增加应力以防止压力液体泄漏[6]。因此，水下电机动态密封设计的具体方法是用格莱圈密封圈(即O形密封圈)密封运动部件(即延长轴与端盖之间的接触面)。并结合使用PTFE滑环进行密封)，从而可以达到动态密封的目的，也满足了普通防水马达在水下的使用要求。

3 水下电机的承压设计

由于密封外壳需要承受水下压力，属于一个外部压力容器，因此密封外壳的耐压设计也是设计重点。已知：工作压力P=3 MPa，密封外壳外径为Do=63 mm,长度L=278 mm。密封外壳采用流体运输用不锈钢无缝钢管(GB/T14976-2012)，标准牌号为022Cr17Ni12Mo2。装置的最大工作压力P=3 MPa，安全系数为1.3，设计压力PC=1.3×3=3.9 MPa，四舍五入后的设计压力为PC=4 MPa；由于地浸采铀矿井的平均深度有430 m，参考相关文献[7]，地下0～1 000 m范围内的水温在0～25 ℃，当材料为022Cr17Ni12Mo2时，查相关文献[8]得该材料在设计温度下的许用应力[σ]t=117 MPa。则密封外壳计算厚度δ为：

(1)

将数据代入式(1)得到密封外壳得壁厚为1.44 mm，取腐蚀余量C1=1.5 mm，制造负偏差C2=0.625 mm，选定密封外壳的名义厚度δ=5 mm，得到的密封外壳的规格参数如表1所列。

表1 密封外壳参数 /mm

承受外压的压力容器失效形式主要分为强度失效和失稳，因此有必要对受外压的无缝钢管按照文献[9]的方法进行校核，首先判读该外压容器是否为短圆筒;长度L若小于临界长度Lc则为短圆筒否则为长圆筒。其临界长度计算公式为:

(2)

其中密封外壳外径Do=63 mm，壁厚δ=5 mm，内径Di=Do-2δ=63-2×5=53 mm，有效厚度δe=壁厚δ-腐蚀余量C1-制造负偏差C2，按照GB/T14976-2012的要求取值为0.625，因此有效厚度δe=δ-C1-C2=5-1.5-0.625=2.875 mm，代入公式(2)中得到LC=344.96 mm，长度L=278 mm小于LC，则该密封容器为短圆筒；确定为短圆筒后依照公式判断其是否为弹性失稳。其满足弹性失稳的判定公式为：

(3)

其中该材料在设计温度下的许用应力[σ]t=117 MPa，弹性模量E=200 000 MPa，将数据代入公式(3)后，其结果不满足弹性失稳的条件按照GB150-1998的图算法校核，按照式计算许用外压：

(4)

外压计算应力系数B=120 MPa，代入公式(4)计算得许用应力[P]=5.48 MPa大于试验压力P=3 MPa，满足工程设计要求。

4 有限元模型建立

通过SolidWorks将建好的密封外壳模型导入ANSYSWorkbench中，密封外壳选用材料为316 L不锈钢，牌号为022Cr17Ni12Mo2，密度为7 980 kg/m2,弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，调整好网格大小进行网格划分，其划分的结果如图3所示。

4.1 添加载荷与约束

密封外壳主要是承受水下3 MPa水压，通过对密封外壳的端部添加固定约束，在密封外壳的外壁上添加3 MPa的静水压力载荷，添加的结果如图4。

图3 网格划分 图4 载荷和约束的添加

4.2 模型求解结果

用AnsysWorkbench求解以获得密封外壳压力的等效应力图与总变形图，如图5、6所示。

图5 密封外壳压力的等效应力图 图6 密封外壳总形变图

从图中看出当密封外壳承受水压达到3 MPa时，最大应力出现在管道的上端，与总变形图一致。最大应力为27.13 MPa，低于设计温度时材料的许用应力117 MPa；密封外壳的最大形变量为0.002 5 mm，形变量可忽略不计，不会对密封外壳造成影响，达到实际使用工况。

5 室内试验验证

根据地浸采铀的生产工况，使用如图7所示的液压测试装置，通过将测试装置加压至3 MPa的水压来模拟水下环境。电机完全安装后，将其放入装有水的压力容器中并进行液压测试。压力从零开始增加，并且绕组到地面的绝缘电阻可随时测量，其值应大于10 MΩ。表2是水下电机压力室内试验数据。

图7 室内试验装置

表2 水下电机压力测试数据

当设备加压至3.5 MPa时，在保持压力的同时关闭电机。保持压力12 h，将电机从压力容器中取出，测量绝缘电阻，该值大于500 MΩ。拆开密封外壳并检查，密封外壳内部无进水痕迹。实际测试中，电机压力达到3.5 MPa，超过了标准值，符合设计要求。

6 结 语

针对工业运输管道中硬质污垢或有机物堵塞的情况和现有地浸采铀工艺孔中有机物沉淀清洗困难的技术难题，设计了一种管道清洗装置。经过分别对水下电动机和机械除垢装置整机的室内试验，结果表明，该装置可以在水下环境中连续可靠地工作，清洗效果达到设计要求。同时，也提供了一种清洗地浸生产井的有效手段，在地浸生产井清洗领域是一种新的突破。