一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统的制作方法

本发明属于高放废物地质处置缓冲/回填材料技术领域，具体涉及一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统。

背景技术：

高放废物含有放射性强、半衰期长、毒性大、发热量大的核素，需要与人类生活环境长期可靠的隔离。高放废物的安全处置是关系到国土环境、公众安全和核工业健康、可持续发展的重大问题，也是核工业活动必不可少的重要环节，必须对高放废物的处置问题进行研究并加以妥善解决。目前，深地质处置被认为是最可行的安全处置方式，高放废物地质处置采用多重屏障体系的方式进行处置，缓冲材料作为处置库多重屏障体系中重要的组成部分，是填充在废物罐和地质体之间的最后一道人工屏障，起着工程屏障、水力学屏障、化学屏障、传导和散失放射性废物衰变热等重要作用，是地质处置库安全运行的有效保障。

处置库关闭后，处置库中的高放废物释放热量将引起缓冲材料温度升高，导致处置库内缓冲材料产生应力变化，以及材料矿物成分和性能的改变。同时，处置库围岩中的地下水在高压地下水流的作用下向处置库内发生渗透，导致高压实的膨润土块遇水吸湿引起土中吸力变化，并导致土体膨胀变形。因此，缓冲材料在辐射热、应力和地下水流等作用下将产生非常复杂的“热-水-力-化学”耦合现象。为了确保隔离屏障系统的长期安全性，必须对这个体系主要的现象进行科学的模拟试验，而建造缓冲材料多场耦合大型试验台架进行模拟试验，是探索处置库环境下缓冲材料的热-水-力-化学耦合特性和建立缓冲材料长期性 能评价方法的有效手段。

在缓冲材料多场耦合大型试验台架的设计中，一般使用电加热器代替废物罐，模拟高放废物的衰变热；使用进水系统模拟地下水渗透。在处置库中，为了获得缓冲材料的膨胀性能和渗透性能，精确控制试验台架的进水有助于缓冲材料的饱和过程。而在处置库的长期运行中，经过复杂的“热-水-力-化学”耦合作用，将产生一定量的气体和液体，气体的产生对整个处置系统的安全性影响较大，产生的高压气体可能破坏缓冲材料的整体性，因此，将试验台架反应产生的气体和液体进行量测收集并对其性质加以分析研究对整个处置库的安全运行至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，为缓冲材料多场耦合大型试验台架的长期运行服务，并为揭示缓冲材料在多场耦合条件下的行为特征提供必要手段。

本发明采用了如下技术方案：

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，包括加压控制装置、储液控制装置、称量装置、计量装置、液体量测收集装置、气体量测收集装置和缓冲材料多场耦合大型试验台架装置；加压控制装置的出口与储液控制装置的进液端相连通；储液控制装置的出液端与计量装置中的进液端相连通，计量装置中的出液端与缓冲材料多场耦合大型试验台架装置进液端相连通；计量装置计进液/气端与缓冲材料多场耦合大型试验台架装置顶部的排泄孔连通，计量装置中的出液/气端与气体量测收集装置的进液/气端、液体量测收集装置的液体两端连通；称量装置安放在储液控制装置、液体量测收集装置的底部。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述储液控制装置包括 第一出液阀、出液管、承压液体、承压容器、压力表、进气阀、进气管；承压容器的容器上端安装有压力表，承压容器与压力表之间设有进气管，进气管设有进气阀；出液管上设有第一出液阀，出液管通过第一出液管线与计量装置相连通，承压容器上刻有最高警戒线和最低警戒线，承压容器内盛有承压液体，承压液体高度介于最高警戒线和最低警戒线之间。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述计量装置包括进液阀、进液记录仪、支架、第二出液阀、出液/气记录仪和第三出液阀；计量装置的第一进液管线的一端与储液控制装置的第一出液管线连通，进液记录录仪与出液/气记录仪安装在支架内，进液记录仪连接有第一进液管线和第二出液管线，第一进液管线上设有进液阀，第二出液管线上设有第三出液阀；出液/气记录仪连接有出液/气管线和进液/气管线，出液/气管线上设有第二出液阀。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述液体量测收集装置包括液体量测收集瓶、第三阀门和溢气阀；液体量测收集瓶通过第二进液/气管线与计量装置的第二出液管线连通，液体量测收集瓶的瓶口处设有半透膜，第二进液/气管线与液体量测收集瓶瓶口间设有第一阀门，出气管线与液体量测收集瓶瓶口间设有第二阀门；液体量测收集瓶瓶颈处设有第三阀门；液体量测收集瓶的上端设有溢气阀。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述气体量测收集装置包括抽气阀、传感器、带刻度量管、量管、储气囊；气体量测收集装置的进气管线的一端与液体量测收集装置的出气管线的连通，进气管线上设有第四阀门；储气囊的上端设有抽气阀；储气囊底部管线内设有传感器；带刻度量管上设有第六阀门；量管上设有第七阀门；带刻度量管与量管之间的管路设有第八阀门。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述的加压控制装置中 填充氮气或者氩气。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述的储液控制装置中的承压液体是蒸馏水、去离子水、原状地下水或盐溶液。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，所述的承压容器内壁衬塑。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，采用称量装置和计量装置同时同步运行的双重量测手段，能够精确控制缓冲材料的进水过程；

(2)本发明的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，能够实现多参数全自动实时采集获取，减少工作量，各参数相互补充，全面掌握基础数据，有助于后期的试验结果分析；

(3)本发明的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，能够实现液气分离量测和收集，减少试验误差；

(4)本发明的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统，量测和收集精度高、操作方便，能够保证试验数据的科学性和真实性，适用于高放废物地质处置缓冲材料多场耦合试验台架长期性能研究。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统整体结构示意图；

图2为本发明提供的储液控制装置示意图；

图3为本发明提供的计量装置示意图；

图4为本发明提供的液体量测收集装置示意图；

图5为本发明提供的气体量测收集装置示意图。

图中：1-加压控制装置、2-储液控制装置、3-称量装置、4-计量装置、5-液体量测收集装置、6-气体量测收集装置、7-缓冲材料多场耦合大型实验台架装置、8-出液阀、9-最高警戒液面、10-出液管、11-承压液体、12-承压容器、13-最低警戒液面、14-压力表、15-进气阀、16-进气管、17-出液管线、18-进液管线、19-进液阀、20-进液记录仪、21-支架、22-出液阀、23-出液/气管线、24-出液/气记录仪、25-进液/气管线、26-出液阀、27-出液管线、28-进液/气管线、29-阀门、30-半透膜、31-阀门、32-出气管线、33-阀门、34-溢气阀、35-液体量测收集瓶、36-进气管线、37-硅油或者气溶性较差的液体、38-阀门、39-阀门、40-抽气阀、41-阀门、42-阀门、43-传感器、44-阀门、45-带刻度量管、46-量管、47-储气囊。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所提供的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集系统作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集装置，包括加压控制装置1、储液控制装置2、称量装置3、计量装置4、液体量测收集装置5、气体量测收集装置6和缓冲材料多场耦合大型试验台架装置7。

加压控制装置1的出口通过出气管线与储液控制装置2的进液端相连通；储液控制装置2的出液端通过管线与计量装置4中的进液记录仪20的进液端相连通，计量装置4中的进液记录仪20的出液端与缓冲材料多场耦合大型试验台架装置7的进液端相连通；计量装置4中的出液/气记录仪24的进液/气端通过管线与缓冲材料多场耦合大型试验台架装置7顶部的排泄孔连通，计量装置4中的出液/气记录仪24的出液/气端通过管线与气体量测收集装置6的进液/气端连通，同时液体量测收集装置5的液体量测收集瓶35瓶口与此管线连通，并且 在液体量测收集瓶35的瓶口与管线连通处设有半透膜30；两个称量装置3分别安放在储液控制装置2、液体量测收集装置5的底部。

如图2所示，所述储液控制装置2包括第一出液阀8、出液管10、承压容器12、压力表14、进气阀15、进气管16、第一出液管线17最高警戒线最低警戒线。承压容器12的容器上端安装有压力表14，承压容器12与压力表14之间设有进气管16，进气管16设有进气阀15；出液管10上设有第一出液阀8，出液管10通过第一出液管线17与计量装置4相连通。承压容器12上刻有最高警戒线9和最低警戒线13，承压容器12内盛有承压液体11，承压液体11高度介于最高警戒线9和最低警戒线13之间。

如图3所示，计量装置4包括第一进液管线18、进液阀19、进液记录仪20、支架21、第二出液阀22、出液/气管线23、出液/气记录仪24、进液/气管线25、第三出液阀26和第二出液管线27。计量装置4的第一进液管线18的一端与储液控制装置2的第一出液管线17连通；进液记录仪20与出液/气记录仪24安装在支架21内部，进液记录仪20的输入端与第一进液管线18的另一端连通，进液计录仪20的输出端与第二出液管线27的一端连通，第一进液管线18上设有进液阀19，第二出液管线27上设有第三出液阀26；出液/气记录仪24的输入端与进液/气管线25连通，出液/气记录仪24的输出端与连接有出液/气管线23连通，出液/气管线23上设有第二出液阀22，进液/气管线25上设有第三出液阀26。如图4所示，液体量测收集装置5包括第二进液管线28、第一阀门29、半透膜30、第二阀门31、出气管线32、液体量测收集瓶35、第三阀门33和溢气阀34。液体量测收集瓶35瓶口顶部与管线连通，液体量测收集瓶35的瓶口与管线之间设有半透膜30，第二进液管线28一端与液体量测收集瓶35瓶口间的管线上设有第一阀门29，出气管线32一端与液体量测收集瓶35瓶口间管线上 设有第二阀门31；液体量测收集瓶35瓶颈处设有第三阀门33；液体量测收集瓶35的瓶身上端设有溢气阀34。液体量测收集装置5的第二进液管线28的另一端与计量装置4的出液/气管线23连通，液体量测收集装置5的出气管线32的另一端与气体量测收集装置6连通。

如图5所示，气体量测收集装置6包括进气管线36、第四阀门38、第五阀门39、抽气阀40、第六阀门41、第七阀门42、传感器43、第八阀门44、带刻度量管45、量管46、储气囊47。气体量测收集装置6的进气管线36的一端与液体量测收集装置5的出气管线32的连通，进气管线36的另一端与储气囊47之间的水平管线上设有第四阀门38；储气囊47的上端设有抽气阀40，储气囊47顶部设有竖直管线，该竖直管线上设有第五阀门39，；储气囊47底部通过管线与带刻度量管45、量管46底部连通，储气囊47底部与刻度量管45之间的管线内设有传感器43；带刻度量管45上设有第六阀门41；量管46上设有第七阀门42；带刻度量管45与量管46之间的管线上设有第八阀门44。

加压控制装置1中填充的高压气体须为纯度大于等于99.999％的氮气或者氩气等惰性气体，防止其与储液控制装置2中的承压液体11发生化学反应，导致试验误差。

承压液体11蒸馏水、去离子水、原状地下水或盐溶液，且承压容器12内壁衬塑，防止溶液腐蚀罐体金属，导致液体成分的变化。

气体量测收集装置6中安装了传感器43，用于量测气体流速和压力，且填充的液体为硅油37，防止收集到的气体发生溶解或者化学反应。

所有接触到液体的材质均为不锈钢或者抗腐蚀材料。

一种用于缓冲材料试验台架的液/气量测收集方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、计量装置4的调试

试验运行之前，先断开第二出液管线27，将第一进液管线18连接至储液控制装置2后，打开进液阀19和第三出液阀26，使承压容器12内的承压液体11匀速流过，待流速稳定在10g/min，先关闭第三出液阀26，后关闭进液阀19，使计量装置4的整个进液通道充满液体，静置半小时后，将进液记录仪20做清零操作。

步骤2、对储液控制装置2加压

加压控制装置1通过进气管16对储液控制装置2加压至压力值从0～4MPa，随着实验进程的变化而逐步调整，待压力表14和称量装置3显示的数值稳定不变后，打开第一出液阀8，承压容器12的承压液体11通过插入容器底部的出液管10流出，通过管线流入计量装置4中，设置最低警戒线13可以防止液气混合物流出。

步骤3、调试计量装置4对液体流量测量

将第二出液管线27与缓冲材料多场耦合大型实验台架装置7断开，将第一进液管线18连接至储液控制装置2后，打开进液阀19和第三出液阀26，对装置4中进液记录仪20的液体流速和质量进行测量，并与称量装置3显示的数值进行对比。经过反复调试，当两者质量相差不超过0.1g时，认为满足实验要求。

步骤4、启动缓冲材料多场耦合试验台架7

储液控制装置2中液体以流速值为10g/min稳定流入到缓冲材料多场耦合试验台架7后，启动缓冲材料多场耦合试验台架7。

步骤5、试验液体与气体测量

进液/气管线25连接至缓冲材料多场耦合试验台架7顶部的排泄孔，出液/气记录仪24用于监测缓冲材料多场耦合试验台架7反应后产生的液体和气体，一旦出液/气记录仪24数据发生变化，即表明缓冲材料多场耦合试验台架7发生 反应产生了液/气混合物。

步骤6、试验液体收集

将上述缓冲材料多场耦合试验台架7中产生的液/气混合物冷却后，经第二进液管线28流入液体量测收集瓶35，液体量测收集瓶35瓶口处的凹型半透膜30允许液体渗流，而防止气体通过，液体的质量可以通过与之相连的称量装置3进行记录。若液体质量大于100g时，可打开溢气阀34。

步骤7、试验气体收集

先将硅油37通过量管46填充到储气囊47中，然后关闭第五阀门39、抽气阀40、第七阀门42、第八阀门44，保持第四阀门38和第六阀门41处于打开状态，当进气管线36有气流通过时，气流推动硅油37进入带刻度量管45可以观测读取并记录液体的变化，结合带刻度量管45的横截面面积计算气体体积，同时传感器43也可以实时记录硅油37流过的质量、体积、流速和压力；待储气囊47中的积累气体体积为100ml时，可以通过抽气阀40将气体取出用以分析研究。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。