高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统及方法
技术领域
本发明属于工程热物理与能源利用学科领域，特别涉及一种新式高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统及其实验方法。
背景技术
根据国际原子能机构2014年发布的四代堆最新技术报告显示，铅冷快堆(LFR)有望最先实现工业示范和商业应用，成为四代核反应堆系统的发展代表方向。铅铋泵作为铅铋冷却快堆一回路的关键设备，运行稳定性关系到堆芯热物理的安全性。因此，对铅铋泵的热工水力性能及其腐蚀速率的测试研究具有十分重要的意义。
为了反应堆铅铋回路的安全建造与运行，设计更加简易高效的铅铋泵，并对铅铋泵的热工水力性能和腐蚀速率的测量是必不可少的。
目前，国内一些学者对于铅铋回路系统的热工水力特性展开了相关的研究，例如申请公告号为CN 108761022 A，名称为一种液态铅铋合金热工水力特性和腐蚀特性实验系统。该系统对于铅铋合金回路系统的热工水力性能展开了详细的研究，但是该系统结构十分复杂，难以推广，其设计目的主要为对铅铋合金的热工水力性能进行测量，无法对铅铋泵的热工水力特性及腐蚀速率展开更为深入的研究，其采用铅铋泵为通用铅铋泵，其结构与本发明所提供铅铋泵相比，结构复杂，叶片无法拆卸，难以确定铅铋泵的腐蚀情况，因此该系统不适用于针对铅铋泵展开热工水力特性及腐蚀速率研究。又例如申请公告号为CN106837769 A，名称为一种铅铋合金气泡泵循环能力实验系统及其实验方法。该系统结构简单，但是仅能针对铅铋合金气泡泵的循环能力进行测量，无法满足铅铋泵的热工水力特性以及腐蚀速率的测量研究。
发明内容
本发明实施目的在于提供一种高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统及其实验方法，以弥补上述技术的缺点，实现对于高温铅铋泵的热工水力性能和腐蚀速率的测量及分析研究。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统，包括氩气控制回路和实验测试回路；其中：
氩气控制回路包括设置在气体主管道上，并通过主管道串接在一起的氩气瓶1、氩气缓冲箱2、氩气缓冲罐出口压力测量装置3-12、第一气阀1-1、第二气阀1-2、第三气阀1-3、第四气阀1-4、第五气阀1-5；
实验测试回路包括加热段8、铅铋-氩气膨胀箱3、新式高温铅铋泵5、铅铋泵电机4、电磁流量计7、铅铋储罐6、铅铋加热装置9、铅铋控制阀2-1、铅铋储罐温度测量装置3-11、铅铋储罐压力测量装置3-10、加热段前温度测量装置3-1、加热段前压力测量装置3-2、加热段后温度测量装置3-4、加热段后压力测量装置3-3、铅铋-氩气膨胀箱压力测量装置3-5、铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1、铅铋泵前压力测量装置3-7、铅铋泵前温度测量装置3-6、铅铋泵后压力测量装置3-8、铅铋泵后温度测量装置3-9、电磁表面相对流速测量装置5-1；
铅铋储罐6的铅铋出口管道从储罐顶部伸出后延伸至第一三通点A，铅铋储罐6出口管道上焊接铅铋控制阀2-1；铅铋储罐6排气管道与大气环境相连，排气管道上焊接第四气阀1-4；铅铋储罐6内设有铅铋储罐温度测量装置3-11、铅铋储罐压力测量装置3-10和铅铋加热装置9；加热段8出口管道与铅铋-氩气膨胀箱3相连，加热段8进口连接第一三通点A，进口处设置加热段前温度测量装置3-1和加热段前压力测量装置3-2，出口处设置加热段后温度测量装置3-4和加热段后压力测量装置3-3；铅铋-氩气膨胀箱3氩气出口管道与大气连通，铅铋-氩气膨胀箱3氩气出口管道上焊接第三气阀1-3；铅铋-氩气膨胀箱3内设有铅铋-氩气膨胀箱压力测量装置3-5和铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1；铅铋-氩气膨胀箱3铅铋出口管道与新式高温铅铋泵5相连，新式高温铅铋泵5由外部的铅铋泵电机4驱动，新式高温铅铋泵5内设有电磁表面相对流速测量装置5-1，新式高温铅铋泵5进口设置铅铋泵前温度测量装置3-6和铅铋泵前压力测量装置3-7，出口处设置铅铋泵后温度测量装置3-9和铅铋泵后压力测量装置3-8，新式高温铅铋泵5出口还设置电磁流量计7；新式高温铅铋泵5出口连接第一三通点A，构成实验测试回路；氩气瓶1出口管道连接氩气缓冲箱2，氩气瓶1出口管道上焊接第一气阀1-1；氩气缓冲箱2出口连接接第二三通点B，氩气缓冲箱2与第二三通点B之间管道装有氩气缓冲罐出口压力测量装置3-12；第二三通点B一端与铅铋储罐6顶端相连，一端连接铅铋-氩气膨胀箱3，第二三通点B与铅铋储罐6连接管道上焊接第五气阀1-5；第二三通点B与铅铋-氩气膨胀箱3之间管道上焊接第二气阀1-2。
所述新式高温铅铋泵5由外部电机4驱动，新式高温铅铋泵5能够快速拆卸安装，新式高温铅铋泵5包括泵轴51及泵叶片52，叶片52位于泵轴51上，直接插入管道内使用；根据高温铅铋泵的特点，分为入口段、升压段、叶片段及出口段。
所述的高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：实验测试回路充注铅铋
回路启动之前，铅铋控制阀2-1、所有的气阀应处于关闭状态。首先按顺序依次打开第四气阀1-4、第五气阀1-5以及第一气阀1-1，观察氩气缓冲箱2出口、铅铋储罐6内的的压力变化；打开阀门后，氩气进入铅铋储罐6中，排空铅铋储罐6内空气；关闭第一气阀1-1、第四气阀1-4以及第五气阀1-5，对铅铋储罐6进行预加热，使铅铋温度达到300℃；随后打开第一气阀1-1、第五气阀1-5、第三气阀1-3以及铅铋控制阀2-1，通过高压氩气将铅铋合金压入实验测试回路之中，观察铅铋储罐6内压力变化情况；观察铅铋-氩气膨胀箱3上的铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1，待铅铋-氩气膨胀箱3内铅铋液位达到指定高度时，关闭第五气阀1-5和铅铋控制阀2-1，打开第二气阀1-2，调节第二气阀1-2及第三气阀1-3的开闭，观察铅铋-氩气膨胀箱3内压力变化情况，待达到指定工作压力后，关闭第一气阀1-1、第二气阀1-2以及第三气阀1-3；
步骤2：实验测试回路启动与运行调试
启动铅铋泵电机4，使实验测试回路中的液态铅铋在新式高温铅铋泵5的带动下循环流动，记录从此刻开始至铅铋泵停机的时间；启动加热段8加热，观察加热段8前后及铅铋泵前后温度情况，等待达到实验要求并保持稳定；
步骤3：进行实验
实验测试回路调试完毕后，通过电磁流量计7采集实验测试回路流量信号，通过公式：
其中Q为流量，S为管道截面积；
计算得到新式高温铅铋泵出口的铅铋流动速度；通过铅铋泵前温度测量装置3-6、铅铋泵后温度测量装置3-9、铅铋泵前压力测量装置3-7和铅铋泵后压力测量装置3-8，采集铅铋泵前后温度及压力信号；
通过采集到的新式高温铅铋泵压力及温度信号，通过以下公式计算泵的相关热工水力性能：
新式高温铅铋泵扬程H模拟计算公式
式中：Pinlet——新式高温铅铋泵的进口总压/Pa；Poutlet——新式高温铅铋泵出口总压/Pa；ρ——新式高温铅铋合金流体密度/kg·m3；g——重力加速度/m·s2；
新式高温铅铋泵的水力效率ηh计算公式
式中：M——动叶轮壁面上的力矩总和/N·m；ω——叶轮的旋转角速度/rad·s-1
(3)新式高温铅铋泵容积效率ηv计算公式
式中：ns——轴流铅铋泵的设计比转速；
新式高温铅铋泵总效率η计算
式中：△Pd——新式高温铅铋泵内的摩擦损失，当新式高温铅铋泵的比转速ns小于65时，其计算公式为
ΔPd＝0.133×10-3ρRe0.134ω3(D/2)3D2,Re＝106×ω(D/2)2
式中：D为管道的直径；
当新式高温铅铋泵的比转速ns大于65时
ΔPd＝0.35×10-2kρω3R5,k＝0.8～1
式中：R为平面叶栅所在的圆柱流层半径。
比转速ns以及叶轮的旋转角速度ω直接由驱动电机的额定参数得到；
轴功率P
此外，采集得到的温度信号，除计算高温铅铋泵对铅铋合金做工造成的影响外，根据实际需求用于其他相关计算；
步骤4：关闭实验测试回路
待数据采集完毕后，关闭加热段8加热，关闭铅铋泵电机4；打开第一气阀1-1，观察氩气缓冲箱2出口压力，等待压力稳定；打开铅铋控制阀2-1、第二气阀1-2，同时打开第四气阀1-4，使铅铋储罐6压力与大气压保持一致；通过高压氩气将液态铅铋压入铅铋储罐6中；待液态铅铋全部流回铅铋储罐6之后，关闭全部阀门；
步骤5：拆卸铅铋泵
实验测试回路工作一定时间后，待回路停机时，打开封口，将新式高温铅铋泵叶片从实验测试回路中拆卸并取出；
步骤6：观察叶片腐蚀速率
取出新式高温铅铋泵叶片，首先用溶液将表面的铅铋合金清洗干净，随后用扫描仪扫描记录铅铋泵叶片腐蚀情况，通过扫描得到新式高温铅铋泵叶片表面的腐蚀深度以及腐蚀位置，结合测量得到的铅铋泵出口铅铋合金流速以及铅铋泵工作使用时间，做出腐蚀深度与铅铋合金流速以及工作时间的关系图，用以判读新式高温铅铋泵叶片的腐蚀速率；同时，集合腐蚀分布图，能够在未来针对相关位置进行优化调整。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1.本发明结构简单，成本低。
2.本发明安全性能良好，引入氩气缓冲箱，铅铋-氩气膨胀箱等装置可以有效保证系统的压力稳定性。
3.铅铋-氩气膨胀箱内的液位计可以有效观察并控制实验测试回路内的铅铋量，在保证实验用量充足的同时防止铅铋的使用过量。
4.本发明通过在关键点位加装温度、压力、流量测量装置，更加全面的对高温铅铋泵的热工水力性能测试，克服了现有技术测量未对高温铅铋泵进行针对性热工水力性能测量的缺点。
5.本发明可观察高温铅铋泵工作后的腐蚀情况，为进一步延长高温铅铋泵的工作寿命及抗腐蚀优化提供了实验基础。克服了现有发明无法观察高温铅铋泵的腐蚀情况的缺点。
附图说明
图1是本发明实验系统示意图。
图2为新式高温铅铋泵结构示意图。
其中1为氩气瓶；2为氩气缓冲罐；3为铅铋-氩气膨胀箱；4为电动机；5为新式高温铅铋泵；6为铅铋储罐；7为电磁流量计；8为加热段；9为铅铋储罐加热装置；1-1为第一气阀；1-2为第二气阀；1-3为第三气阀；1-4为第四气阀；1-5为第五气阀；1-1为铅铋控制阀；3-1加热段前温度测量装置；3-2为加热段前压力测量装置；3-3为加热段后压力测量装置；3-4为加热段后温度测量装置；3-5为铅铋-氩气膨胀箱压力测量装置；3-6为铅铋泵前温度测量装置；3-7为铅铋泵前压力测量装置；3-8为铅铋泵后压力测量装置；3-9为铅铋泵后温度测量装置；3-10为铅铋储罐压力测量装置；3-11为铅铋储罐温度测量装置；4-1为铅铋-氩气膨胀箱液位探针；5-1为电磁表面相对流速测量装置；51为泵轴；52为泵叶片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统，包括氩气控制回路和实验测试回路；其中：
氩气控制回路包括设置在气体主管道上，并通过主管道串接在一起的氩气瓶1、氩气缓冲箱2、氩气缓冲罐出口压力测量装置3-12、第一气阀1-1、第二气阀1-2、第三气阀1-3、第四气阀1-4、第五气阀1-5；
实验测试回路包括加热段8、铅铋-氩气膨胀箱3、新式高温铅铋泵5、铅铋泵电机4、电磁流量计7、铅铋储罐6、铅铋加热装置9、铅铋控制阀2-1、铅铋储罐温度测量装置3-11、铅铋储罐压力测量装置3-10、加热段前温度测量装置3-1、加热段前压力测量装置3-2、加热段后温度测量装置3-4、加热段后压力测量装置3-3、铅铋-氩气膨胀箱压力测量装置3-5、铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1、铅铋泵前压力测量装置3-7、铅铋泵前温度测量装置3-6、铅铋泵后压力测量装置3-8、铅铋泵后温度测量装置3-9、电磁表面相对流速测量装置5-1；
铅铋储罐6的铅铋出口管道从储罐顶部伸出后延伸至第一三通点A，铅铋储罐6出口管道上焊接铅铋控制阀2-1；铅铋储罐6排气管道与大气环境相连，排气管道上焊接第四气阀1-4；铅铋储罐6内设有铅铋储罐温度测量装置3-11、铅铋储罐压力测量装置3-10和铅铋加热装置9；加热段8出口管道与铅铋-氩气膨胀箱3相连，加热段8进口连接第一三通点A，进口处设置加热段前温度测量装置3-1和加热段前压力测量装置3-2，出口处设置加热段后温度测量装置3-4和加热段后压力测量装置3-3；铅铋-氩气膨胀箱3氩气出口管道与大气连通，铅铋-氩气膨胀箱3氩气出口管道上焊接第三气阀1-3；铅铋-氩气膨胀箱3内设有铅铋-氩气膨胀箱压力测量装置3-5和铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1；铅铋-氩气膨胀箱3铅铋出口管道与新式高温铅铋泵5相连，新式高温铅铋泵5由外部的铅铋泵电机4驱动，新式高温铅铋泵5内设有电磁表面相对流速测量装置5-1，新式高温铅铋泵5进口设置铅铋泵前温度测量装置3-6和铅铋泵前压力测量装置3-7，出口处设置铅铋泵后温度测量装置3-9和铅铋泵后压力测量装置3-8，新式高温铅铋泵5出口还设置电磁流量计7；新式高温铅铋泵5出口连接第一三通点A，构成实验测试回路；氩气瓶1出口管道连接氩气缓冲箱2，氩气瓶1出口管道上焊接第一气阀1-1；氩气缓冲箱2出口连接接第二三通点B，氩气缓冲箱2与第二三通点B之间管道装有氩气缓冲罐出口压力测量装置3-12；第二三通点B一端与铅铋储罐6顶端相连，一端连接铅铋-氩气膨胀箱3，第二三通点B与铅铋储罐6连接管道上焊接第五气阀1-5；第二三通点B与铅铋-氩气膨胀箱3之间管道上焊接第二气阀1-2。
如图2所示，所述新式高温铅铋泵5由外部电机4驱动，新式高温铅铋泵5能够快速拆卸安装，新式高温铅铋泵5包括泵轴51及泵叶片52，叶片52位于泵轴51上，直接插入管道内使用；根据高温铅铋泵的特点，分为入口段、升压段、叶片段及出口段。
如图1所示，本发明所述的高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验系统的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：实验测试回路充注铅铋
回路启动之前，铅铋控制阀2-1、所有的气阀应处于关闭状态。首先按顺序依次打开第四气阀1-4、第五气阀1-5以及第一气阀1-1，观察氩气缓冲箱2出口、铅铋储罐6内的的压力变化；打开阀门后，氩气进入铅铋储罐6中，排空铅铋储罐6内空气；关闭第一气阀1-1、第四气阀1-4以及第五气阀1-5，对铅铋储罐6进行预加热，使铅铋温度达到300℃；随后打开第一气阀1-1、第五气阀1-5、第三气阀1-3以及铅铋控制阀2-1，通过高压氩气将铅铋合金压入实验测试回路之中，观察铅铋储罐6内压力变化情况；观察铅铋-氩气膨胀箱3上的铅铋-氩气膨胀箱液位测量计4-1，待铅铋-氩气膨胀箱3内铅铋液位达到指定高度时，关闭第五气阀1-5和铅铋控制阀2-1，打开第二气阀1-2，调节第二气阀1-2及第三气阀1-3的开闭，观察铅铋-氩气膨胀箱3内压力变化情况，待达到指定工作压力后，关闭第一气阀1-1、第二气阀1-2以及第三气阀1-3；
步骤2：实验测试回路启动与运行调试
启动铅铋泵电机4，使实验测试回路中的液态铅铋在新式高温铅铋泵5的带动下循环流动，记录从此刻开始至铅铋泵停机的时间；启动加热段8加热，观察加热段8前后及铅铋泵前后温度情况，等待达到实验要求并保持稳定；
步骤3：进行实验
实验测试回路调试完毕后，通过电磁流量计7采集实验测试回路流量信号，通过公式：
其中Q为流量，S为管道截面积；
计算得到新式高温铅铋泵出口的铅铋流动速度；通过铅铋泵前温度测量装置3-6、铅铋泵后温度测量装置3-9、铅铋泵前压力测量装置3-7和铅铋泵后压力测量装置3-8，采集铅铋泵前后温度及压力信号；
通过采集到的新式高温铅铋泵压力及温度信号，通过以下公式计算泵的相关热工水力性能：
新式高温铅铋泵扬程H模拟计算公式
式中：Pinlet——新式高温铅铋泵的进口总压/Pa；Poutlet——新式高温铅铋泵出口总压/Pa；ρ——新式高温铅铋合金流体密度/kg·m3；g——重力加速度/m·s2。
新式高温铅铋泵的水力效率ηh计算公式
式中：M——动叶轮壁面上的力矩总和/N·m；ω——叶轮的旋转角速度/rad·s-1；
(3)新式高温铅铋泵容积效率ηv计算公式
式中：ns——轴流铅铋泵的设计比转速；
新式高温铅铋泵总效率η计算
式中：△Pd——新式高温铅铋泵内的摩擦损失，当新式高温铅铋泵的比转速ns小于65时，其计算公式为
ΔPd＝0.133×10-3ρRe0.134ω3(D/2)3D2,Re＝106×ω(D/2)2
式中：D为管道的直径；
当新式高温铅铋泵的比转速ns大于65时
ΔPd＝0.35×10-2kρω3R5,k＝0.8～1
式中：R为平面叶栅所在的圆柱流层半径。
比转速ns以及叶轮的旋转角速度ω直接由驱动电机的额定参数得到；
轴功率P
此外，采集得到的温度信号，除计算高温铅铋泵对铅铋合金做工造成的影响外，根据实际需求用于其他相关计算；
步骤4：关闭实验测试回路
待数据采集完毕后，关闭加热段8加热，关闭铅铋泵电机4；打开第一气阀1-1，观察氩气缓冲箱2出口压力，等待压力稳定；打开铅铋控制阀2-1、第二气阀1-2，同时打开第四气阀1-4，使铅铋储罐6压力与大气压保持一致；通过高压氩气将液态铅铋压入铅铋储罐6中；待液态铅铋全部流回铅铋储罐6之后，关闭全部阀门；
步骤5：拆卸铅铋泵
实验测试回路工作一定时间后，待回路停机时，打开封口，将新式高温铅铋泵叶片从实验测试回路中拆卸并取出；
步骤6：观察叶片腐蚀速率
取出新式高温铅铋泵叶片，首先用溶液将表面的铅铋合金清洗干净，随后用扫描仪扫描记录铅铋泵叶片腐蚀情况，通过扫描得到新式高温铅铋泵叶片表面的腐蚀深度以及腐蚀位置，结合测量得到的铅铋泵出口铅铋合金流速以及铅铋泵工作使用时间，做出腐蚀深度与铅铋合金流速以及工作时间的关系图，用以判读新式高温铅铋泵叶片的腐蚀速率；同时，集合腐蚀分布图，能够在未来针对相关位置进行优化调整。
经系统回路使用和运行证明，该回路设计合理，运行安全，可以完成高温铅铋泵热工水力性能和腐蚀速率测量实验。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
