李 魁，雷澤勇，鐘 林，樂澤鋅，李興鎮(zhèn)，鄭幫龍

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421004)

0 引 言

地浸采鈾技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，中國最早在20世紀(jì)70年代開始地浸采鈾技術(shù)研究[1-2]。現(xiàn)如今地浸采鈾是世界上十分成熟的采鈾技術(shù)，其基本原理是通過溶浸劑與礦物的化學(xué)反應(yīng)選擇性溶解鈾礦石，而不使礦石產(chǎn)生位移的集采、冶一體化的采鈾方法[3]。

地浸采鈾的過程中會產(chǎn)生絮狀沉淀物、細(xì)砂等，造成過濾器堵塞，所以要定期的清洗，提高采鈾效率。對其清洗之后，需要將清洗廢液從地浸鈾生產(chǎn)井中排出，防止雜質(zhì)會再次堵塞過濾器。

關(guān)于清洗之后的廢液排出方法，許多學(xué)者做了研究。高傳昌等[3]對排污泵用于礦井不同種類的費液排出進(jìn)行了研究，由于排污泵的輸送介質(zhì)的最大密度為1.2×10"kg /m3，但有些生產(chǎn)井的廢液密度大于此值，用排污泵會出現(xiàn)嚴(yán)重的阻塞現(xiàn)象，所以此方法適用生產(chǎn)井的范圍有限。朱麗君[4]研究了用空壓機(jī)通過風(fēng)管向液面以下輸送高壓空氣的方法，依據(jù)內(nèi)外壓力差的原理，將廢液排出井外。王飛等[5]也研究了類似前者通過壓縮空氣的方法來達(dá)到排出廢液的目的。雖然他們的方法對地浸鈾生產(chǎn)井清洗廢液的排出有一定的積極作用，但是具有耗能高，排出效率低的缺點。

為了降低耗能、提高排出效率，提出了一種通過液面加壓將廢液排出的方法，并設(shè)計了液面加壓廢液排出裝置，此裝置由于對井口實行全方位密封，可以達(dá)到近似保壓的狀態(tài)，當(dāng)井內(nèi)高壓空氣達(dá)到設(shè)定值后，不需要空壓機(jī)持續(xù)向井內(nèi)加壓，且能一直在高壓的環(huán)境進(jìn)行排廢液，做到了耗能低、排出效率高、操作簡單、可靠等特點。連接架是連接井口接頭與配重部分的關(guān)鍵部件，起著壓緊和固定的作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響整個廢液排出裝置的安全性和穩(wěn)定性。采用SolidWorks與ANSYS等CAD/CAE建模與仿真分析軟件對連接架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，得出整個承重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

1 液面加壓廢液排出系統(tǒng)設(shè)計方案

該廢液排出系統(tǒng)主要由配重部分、連接架、排水管、加強(qiáng)架、井口接頭、進(jìn)氣管組成。為滿足高壓氣體的壓力值在井內(nèi)基本保持不變，井口接頭與生產(chǎn)井井口對接并用橡膠密封圈密封。此裝置的進(jìn)氣管與產(chǎn)生高壓氣體的壓縮機(jī)進(jìn)行連接，排水管下端浸沒到液面一下的井壁過濾器位置，上端與廢水存儲箱相連。廢水存儲箱是用于收集從地浸鈾生產(chǎn)井內(nèi)排出的清洗廢液，如圖1所示。

圖1 液面加壓廢液排出系統(tǒng)1.配重部分 2.連接架 3.排水管 4.加強(qiáng)架 5.井口接頭 6.泥沙層 7.含水層 8.井壁過濾器 9.進(jìn)氣管

由于當(dāng)整個系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，井內(nèi)會充滿高壓氣體，進(jìn)而產(chǎn)生向井口方向的徑向氣體壓力，為了保證密封處的穩(wěn)定，配重部分尤為重要。則配重部分的具體重量計算公式如下：

配重機(jī)構(gòu)共有n組時，每組配重機(jī)構(gòu)的最小重量：

(1)

式中：ρ為生產(chǎn)井內(nèi)的廢液密度；h為生產(chǎn)井內(nèi)的液面至井口的高度；S為生產(chǎn)井井口橫截面積；a為安全系數(shù)，一般取值為0.2。

由于在廢液排出的過程中會出現(xiàn)生產(chǎn)井內(nèi)水位下降的現(xiàn)象，因此出水量必然會受到制約。所以為了能夠保持廢液排出量的穩(wěn)定性和連續(xù)性，要嚴(yán)格控制風(fēng)管在水下的長度[4]。風(fēng)管在水下的長度計算公式如下：

(2)

式中：P為最大工作壓力值，MPa；p為管路損耗，其中0 MPa

其中井口接頭與配重部分連接處的連接架是液面加壓廢液排出系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分。連接架結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。所以其結(jié)構(gòu)必須切實滿足強(qiáng)度要求。

文中以內(nèi)蒙古某礦業(yè)公司的生產(chǎn)井為例，經(jīng)測定為150 m，洗井后產(chǎn)生的廢液的密度約為1.4 g/cm3，生產(chǎn)井井口橫截面積為8 491 mm2；配重機(jī)構(gòu)共有四組，根據(jù)公式(1)計算得m為0.71 t。根據(jù)工作實際情況取m為0.8 t。接下來對在實際工況下的連接架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2 連接架結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 連接架幾何模型的建立

該廢液排出系統(tǒng)連接架是上下左右都對稱的一個結(jié)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)工況連接架是由長、寬為800 mm×800 mm，厚度為10mm的鋼板上表面均布焊接8條10#槽鋼。利用SolidWorks軟件建立連接架的幾何模型，通過保存好的.STEP文件模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench分析軟件中，對連接架進(jìn)行工作載荷下的應(yīng)力和變形仿真分析，進(jìn)而得到整體連接架的應(yīng)力應(yīng)變情況及總體變形情況[7]，如圖3所示。

圖2 連接架幾何模型 圖3 連接架有限元模型

2.2 選擇單元類型及定義材料屬性

采用的單元類型為Solid45，易于對規(guī)則物體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分。連接架的材料為Q235，彈性模量為2.0×108GPa 泊松比為0.3，密度為7.85 g/cm3，屈服極限為235 MPa。

2.3 劃分網(wǎng)格及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由于連接架的整個結(jié)構(gòu)是由鋼板和槽鋼構(gòu)成，是一個很規(guī)整的結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)所受的載荷分布于中心位置，要重點注意中心位置的VonMises應(yīng)力分布和變形量，為了清晰地展現(xiàn)整體的結(jié)構(gòu)特點，對此結(jié)構(gòu)外圍用15 mm大小的網(wǎng)格，受載荷的中心位置采用7 mm大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以六面體為主要網(wǎng)格單元。如圖4所示。其共計57 377個單元，110 473個節(jié)點。當(dāng)結(jié)構(gòu)外圍使用50 mm大小的網(wǎng)格，受載荷的中心位置采用0.2 mm大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分時，分析結(jié)果不變，可以說明分析結(jié)果與網(wǎng)格的劃分大小無關(guān)，如圖5。

圖4 連接架的有限元網(wǎng) 圖5 連接架的有限元網(wǎng) 格劃分(15-7) 格劃分(50-0.2)

2.4 施加約束及載荷

根據(jù)實際工作情況，將連接架與配重部分連接處的螺栓孔進(jìn)行約束，由于連接架與井口接頭部分使用螺栓連接，所以其連接處的螺栓孔是承受載荷的關(guān)鍵部位。在整個系統(tǒng)運(yùn)行時，連接架的中心位置接受載荷為20 000 N，受力面為380 mm×380 mm的正方形區(qū)域，所以對連接架的中心施加32 000 N的載荷，如圖6所示。

圖6 約束與載荷

2.5 結(jié)果分析

對連接架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析求解，得到的總體變形和等效應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8所示[8]。從圖6可以看出，連接架的最大變形量為0.29 mm，遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)1 mm的最大變形量，最大應(yīng)力位于與配重部分連接的螺栓孔處，最大應(yīng)力值為127.2 MPa，小于Q235材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，在強(qiáng)度和剛度上均滿足設(shè)計要求。

圖7 連接架總體變形云圖 圖8 連接架等效應(yīng)力云圖

3 結(jié) 語

介紹了一種液面加壓將廢液排出的方法與裝置，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對連接架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,對在連接架的實際受力狀況進(jìn)行分析模擬，分析結(jié)果顯示連接架的最大變形量及最大應(yīng)力值，最大變形量為0.29 mm，最大應(yīng)力值為127.2 MPa，均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。通過此次對連接架結(jié)構(gòu)的分析，為后續(xù)此類裝置的設(shè)計提供了參考，具有良好的實際工程意義。