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超聲波清洗的相關(guān)應(yīng)用知識介紹

更新時間:2011-03-10      瀏覽次數(shù):2894

本文簡單介紹了核工業(yè)設(shè)備去污過程中常用的清洗方法,詳細敘述了超聲波清洗的原理及在核工業(yè)設(shè)備去污中的應(yīng)用,并著重分析了老化柜超聲波去污存在的問題。通過建立試驗?zāi)P?,探討了清洗時間、清洗溫度和超聲波功率密度對清洗效果的影響,展望了核設(shè)備超聲波清洗的前景和研究方向。

   核電站在經(jīng)過一個運行周期后,在電站進行停堆換料其間將對部分重要設(shè)備和部件進行檢查和維修,包括反應(yīng)堆冷卻劑泵的葉輪、導(dǎo)葉、密封件,反應(yīng)堆壓力容器和反應(yīng)堆冷卻劑泵的主螺栓、螺母等。由于被放射性污染,在去污前,檢修人員無法直接這些設(shè)施和設(shè)備內(nèi)進行檢修。

  隨著我國早期建設(shè)和服役核設(shè)施已或?qū)⑦M入退役期,這些退役核設(shè)施中受放射性污染的設(shè)備和部件,如果簡單處置,會對環(huán)境和后代產(chǎn)生的影響。

  1核去污概述

  核設(shè)施中設(shè)備和部件所受的污染多種多樣,其中包括放射性的元素主要有60 Co, 58 Co, 54 Mn, 51 Cr及59 Fe等。為了避免這些放射性元素擴散并危害人體,在核電站等核工業(yè)領(lǐng)域中必須對受到放射性污染的工件進行清洗處理,使其輻射強度降至zui低,以達到使人或環(huán)境能接受的放射性水平,并提高資源利用率。這個過程稱為"核去污"[1]。 核去污在核工業(yè)各單位特別是核電站的正常運行維護中具有十分重要的意義。

  2國內(nèi)外現(xiàn)狀

  核去污是一門跨多學(xué)科的技術(shù),由于去污程度各不相同,從而要求去污技術(shù)多樣化,以便能對付復(fù)雜多樣的放射性污染。選擇去污技術(shù)時,必須考慮下列事項:1)去污的效率;2)設(shè)施設(shè)備在去污后的完整性;3)廢物處理;4)二次污染;5)經(jīng)濟性。目前主流的去污技術(shù)有三類:1)化學(xué)去污法;2)電化學(xué)去污法;3)機械(物理)去污法[2]。 化學(xué)去污法采用的主要方法是通過把構(gòu)成放射性核素的載體的金屬氧化物結(jié)晶晶粒溶解或剝離而除去放射性污染?;瘜W(xué)去污法適宜于對反應(yīng)堆一回路那樣的含有堅固污染物的龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)進行去污,但是化學(xué)去污劑引起的腐蝕和大量去污廢液的處理也是一大難題。電化學(xué)法是利用電解拋光的原理溶解極薄一層金屬表面,使工件表面變平滑而達到去除放射性物質(zhì)的效果,其去污效果要比化學(xué)去污法要好,但對母材的腐蝕較大。化學(xué)法和電化學(xué)法現(xiàn)在普遍應(yīng)用于現(xiàn)在的當(dāng)今世界的核電站中。我國核電站數(shù)量較少,大部分采用的化學(xué)去污法。化學(xué)法去污,放射性危害極大,嚴(yán)重影響了技術(shù)人員的健康,而且易損傷物件表面,耗時長,廢水量大,總的來說去污效果都不很令人滿意。隨著技術(shù)的進步,這些方法將逐步淘汰。

  機械(物理)去污方法主要有噴射水去污法,噴丸處理和超聲波去污三種[3]。 噴射水去污法是利用高壓水流沖洗部件表面,帶走工件表面的污染物。噴丸處理是將帶有砂粒或細鋼珠的載體,噴射到工件表面,達到去污的效果。這兩種方法主要用于一些結(jié)構(gòu)比較簡單的大型器件的清洗。超聲波去污適用于一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件的清洗,如反應(yīng)堆冷卻過濾器濾孔、換料水池池壁、管道附著腐蝕物、反應(yīng)堆部件、燃料組件、檢修熱車間、各種零部件及工具等。

  3超聲波去污原理及特點

  超聲波是指大于20kHz的聲波,是一種交變聲壓,超聲波在液體中傳播時能使液體出現(xiàn)稀疏狀態(tài)和密集狀態(tài),在密集狀態(tài)區(qū),液體承受正壓力,而在稀疏狀態(tài)區(qū)則承受拉力,在拉力集中的地方會形成空穴??昭ú粩嗟禺a(chǎn)后和閉合、消失,在空穴的周圍立即出現(xiàn)高達數(shù)百個大氣壓的巨大壓力,伴隨著強大的沖擊波,對放射性污染的工件表面產(chǎn)生清洗作用,使放射性污染物從工件表面上被剝離。超聲波具有衍射、透射、繞射的特點,故表面復(fù)雜工件的放射性污垢也能清除干凈,對盲孔、縫隙以及一般難以清洗的地方都可以清洗的非常干凈,同時由于空化泡的直徑僅為幾個微米數(shù)量級,所以在去污過程中不會對工件表面造成任何可以察覺的損傷[4] 。

  超聲波用于核去污,將化學(xué)法或電化學(xué)法耗時十幾天或幾十天的去污縮短到十幾或幾十分鐘,大大提高了去污的效率,同時由于超聲波產(chǎn)生的空化泡只有幾個微米,對工件表面不會產(chǎn)生破壞,*保護了設(shè)備在去污后高溫高濕試驗箱的完整性。由于超聲波去污實現(xiàn)了裝置化,清洗的溶液經(jīng)過濾循環(huán)系統(tǒng)過濾,這樣對廢物處理的難度大大降低。另外超聲波去污法和超聲波去污裝置易于實現(xiàn)遙控操作與自動化,節(jié)省了勞力,并使操作技術(shù)人員遠離放射性物質(zhì),大大降低了受照劑量。從20世紀(jì)90年代開始,日本、美國至今已有一半的核電站以的核設(shè)備洗滌劑作介質(zhì),采用超聲波清洗方法對核設(shè)備去污。超聲波清洗方法是一種相當(dāng)好的核去污技術(shù),具有清洗效果好、效率高、廢水量少、易控制并且對工件母體無損害等優(yōu)點,正越來越受到重視。

  4超聲波去污試驗

  雖然超聲波清洗被應(yīng)用于一般工業(yè)清洗中已超過半個世紀(jì),在這些領(lǐng)域已經(jīng)積累豐富的經(jīng)驗,但核去污有其特殊性,如*照搬一般工業(yè)清洗方面技術(shù),失敗的可能性100%,因此必須了解核去污的性質(zhì),對核設(shè)備用超聲波去污系統(tǒng)進行專門的研究,并在實踐中運行檢驗,才能達到核去污的要求。

  盡管我國已仿制出超聲波核去污設(shè)備,但如何對其清洗參數(shù)的確定,以及這些參數(shù)對清洗效果的影響還缺乏研究。一般認為影響清洗效果主要取決于三個因素:1)超聲波的頻率和振幅;2)介質(zhì)的物理屬性,包括蒸汽壓,表面張力,密度和粘度等;3)液體的流變狀態(tài),靜止,紊流或?qū)恿鳌?/p>

  與上述因素有關(guān)的超聲波設(shè)備參數(shù)有超聲波頻率,功率密度,清洗溫度、時間,根據(jù)這些設(shè)備參數(shù),可以按照三水平四因素設(shè)計正交試驗L 9(34 )。

  我公司應(yīng)國內(nèi)某核電站的要求,開發(fā)核設(shè)備超聲波去污箱。為了對核設(shè)備的污染物清洗有正確的了解,我們對該核電站提供的試樣做了去污試驗,并對試驗結(jié)果進行了初步分析。超聲波清洗機是HW單槽系列超聲波清洗機,清洗機具備電加熱功能和定時功能,槽體材質(zhì)為耐酸堿腐蝕的恒溫老化房不銹鋼材料SUS316L。由于本次試驗僅僅為了探索超聲波去污設(shè)備參數(shù)對去污效果的影響,為了簡化試驗,忽略清洗液化學(xué)物理特性對本次試驗的影響,所以清洗液采用同一種國內(nèi)應(yīng)用較廣的設(shè)備表面核污染清洗劑(KD-128B型清洗劑),配以70%的除鹽水。清洗試驗在密閉的環(huán)境下進行。清洗之前,先將試樣編號,并采用美國Victoreen-190輻射測量儀分別測得試樣的表面平均輻射劑量率,然后按表1給定條件進行去污試驗,清洗后用除鹽水漂洗兩次,zui后在分別測得試樣去污后的平均輻射劑量率。試驗數(shù)據(jù)見表1。

  表1 超聲波參數(shù)對核設(shè)備去污效果的影響 試驗號 超聲頻率(KHz) 清洗時間

 ?。℉) 清洗溫度

 ?。ā妫?功率密度

 ?。╓/L) 輻射當(dāng)量劑量率

 ?。╩Sv/h) 去污因數(shù) 去污前 去污后 1 22 ① 60 ① 95 ③ 10 ② 203.84 2.21 92.24 2 25 ② 60 ① 65 ① 8 ① 80.53 0.90 89.48 3 28 ③ 60 ① 80 ② 12 ③ 164.82 1.42 116.07 4 22 ① 80 ② 80 ② 8 ① 46.73 0.62 75.37 5 25 ② 80 ② 95 ③ 12 ③ 188.81 1.23 153.50 6 28 ③ 80 ② 65 ① 10 ② 152.49 1.09 139.89 7 22 ① 100 ③ 65 ① 12 ③ 225.36 2.29 98.41 8 25 ② 100 ③ 80 ② 10 ② 383.41 2.86 134.06 9 28 ③ 100 ③ 95 ③ 8 ① 538.88 3.51 153.53 三次去除系數(shù)之和 水平① 266.01 297.78 327.78 318.37 水平② 377.04 368.76 325.50 366.19 水平③ 409.49 385.99 399.26 367.98 表中去污因數(shù)是指放射性物質(zhì)污染初始輻射劑量率與去污處理后輻射劑量率的比值。去污因數(shù)越高,說明清洗效果越好。三次去除因數(shù)之和是指在同一條件下,三次實驗結(jié)果即去污因數(shù)之和。

  由于在實際應(yīng)用中,核污染的情況和核設(shè)備本身結(jié)構(gòu)都相當(dāng)復(fù)雜,采用單一頻率的超聲波設(shè)備,去污過程中,往往會產(chǎn)生"駐波",從而形成清洗死區(qū),對核設(shè)備部件的盲孔、凹槽等很難清洗到位,影響清洗效果。因此國內(nèi)步入式試驗室外核去污超聲設(shè)備都采用高中低復(fù)合頻率以避免產(chǎn)生駐波引起的清洗死區(qū),以提高清洗效果,同時超聲波換能器采用振盒式結(jié)構(gòu)安裝在較大結(jié)構(gòu)的封閉箱體中,這樣也便于去污箱的維修。所以在這里,我們不討論頻率對清洗效果的趨勢影響。

  由上表,我們作出功率密度,清洗溫度,清洗時間對去污因數(shù)的影響趨勢圖(見圖1)。

  圖1 去污因數(shù)影響趨勢圖

  5分析與結(jié)論

  由圖1 可以看出,清洗時間在60小時冷熱沖擊箱至80小時之間時,去污因數(shù)隨清洗時間增加明顯,超過80小時后,去污因數(shù)幾乎不再增加。

  清洗溫度在80℃至95℃之間時,去污因數(shù)隨清洗溫度增加明顯,低于80℃時,去污因數(shù)幾乎不變化。

  功率密度在8w/l至10w/l 之間時,去污因數(shù)隨功率密度增加明顯,功率密度超過10w/l 時,去污因數(shù)幾乎不變化。

  根據(jù)上述分析,從經(jīng)濟性的角度,我們可以得出這樣的結(jié)論:清洗時間在80小時,清洗溫度在95℃,功率密度在10w/l的情況下,清洗效果較好,去污經(jīng)濟性*。

  6結(jié)束語

  本文通過試驗結(jié)果,初步探討了核設(shè)備去污箱的超聲波參數(shù)和去污效果之間的關(guān)系。由于核污染的多樣性和復(fù)雜性,大多數(shù)超聲波核去污設(shè)備是帶有循環(huán)過濾的復(fù)雜系統(tǒng),因此還需要探討清洗液的高溫老化房流變性(液體的流速,流量和流向)對清洗效果的影響,以及化學(xué)清洗劑的理化性質(zhì)(表面張力,表面蒸汽壓,密度和粘度)對清洗效果的影響。隨著國家推行拉動內(nèi)需的政策,國內(nèi)核電形勢蓬勃發(fā)展,超聲波核去污設(shè)備也會得到越來越多地應(yīng)用,對核設(shè)備去污的理論研究也必將進一步加深。

    

    

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