物理清洗技術在蒸發器泥渣去除中的應用

程 檀

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

壓水堆核電廠蒸汽發生器（SG）二次側腐蝕產物管理是整個核工業所面臨的一項持續性挑戰。即使在SG 中采用具有抗腐蝕性能的傳熱管，SG 中腐蝕產物（也稱為泥渣）的積累仍會導致傳熱管降質問題的出現。且泥渣還會造成SG 換熱效率下降、破壞SG 的正常熱工水力特性，帶來傳熱管高周疲勞失效、二次側液位不穩定等諸多問題。對這些泥渣采取周期性的清洗措施進行去除，對保證SG 的完整性、可用性和運行性能具有重要意義。

在科技進步的推動下，近年來核電廠SG 二次側清洗技術發展迅速，新的清洗方法、清洗技術不斷出現，特別是各種物理清洗方法和技術得到了快速發展和廣泛應用，并獲得了良好的清洗效果。

1 蒸汽發生器二次側泥渣的形成及危害

經過核工業界SG 研究、設計、運行和維護人員多年的努力，盡管在機組設計優化和二次側水化學控制方面取得了重大進展，包括去除二回路的含銅部件、提高給水pH 值等，但仍然無法完全避免腐蝕產物的形成及其向SG 內的輸送。

一旦進入SG，腐蝕產物會：①由排污系統排出；②被蒸汽帶出；③在SG 內各個表面沉積。實際上，通過排污系統排出并不是一種從SG 內去除腐蝕產物的有效手段。此外，被蒸汽帶出的腐蝕產物會輸送到冷凝器，還會再次輸送回SG 內。因此，大部分輸送到SG 的腐蝕產物最終會在SG 內各個表面沉積。在湍流沉積、沸騰沉積、重力沉降等因素的綜合作用下，大多數腐蝕產物趨于在換熱面（如傳熱管外表面）和低流速區域（如管板上表面、支撐板）聚集，形成泥渣。

SG 內存在的泥渣可引發大量的運行問題，主要包括3 個方面：①傳熱管和內部構件腐蝕：在管板和傳熱管的泥渣上都會出現雜質的沸騰濃縮，會造成局部的侵蝕環境，引起傳熱管、管板和傳熱管支撐的腐蝕；②支撐板堵塞：在傳熱管和支撐板交匯處形成的泥渣會造成支撐板水流通道堵塞，這些泥渣會破壞正常的流動模式，造成微振磨損、液位不穩等；③換熱性能降低：泥渣沉積會導致傳熱管換熱性能降低，造成二次側蒸汽壓力下降、機組功率降低。

SG 構件腐蝕是影響SG 運行的最主要問題。在國外，最初采用Alloy600MA 傳熱管的SG 上的若干腐蝕問題導致了核電廠在滿功率運行不滿15 年就被迫更換了SG。盡管國內核電廠的SG 使用了Alloy690TT 和Alloy800NG 等抗腐蝕性能更高的先進材料，但實驗室試驗和部分現場經驗表明，這些材料也無法完全避免所有的腐蝕現象。

2 物理清洗技術的原理及特點

利用力學、熱學、光學、電學原理，依靠外來能量的作用，如機械摩擦、超聲波、高壓、沖擊、紫外線、蒸汽等除去物體表面污垢的方法稱為物理清洗。物理清洗具效率高、無腐蝕、安全環保等特點[1]。高壓水射流清洗、超聲波清洗和激光清洗是目前應用最為廣泛的物理清洗技術。

2.1 高壓水射流清洗技術

高壓水射流清洗技術是從20 世紀70 年代初開始逐漸發展起來的一項高新清洗技術，是高壓水射流應用的一個重要方面。它是利用高壓水發生設備產生高壓水，通過噴嘴將高壓水轉變為高度聚集的水射流，正向或切向沖擊被清洗物表面，從而使一種或多種材料（附著層）從另一物體（基體）表面脫離下來，達到清洗目的[1]。

高壓水射流清洗技術對設備材料、特性、形狀及污垢種類均無特殊要求，只需能夠直射即可進行清洗，因此應用十分廣泛。

2.2 超聲波清洗技術

超聲波清洗技術通過換能器，將超聲頻源的聲能轉換為機械振動，清洗液受到超聲波輻射，液體中的微氣泡會在聲波的作用下保持振動。當聲壓或者聲強達到一定程度時，氣泡就會迅速膨脹，然后又突然閉合。在這段過程中，氣泡閉合的瞬間產生沖擊波，使氣泡周圍產生極高的壓力及局部高溫，這種超聲波空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使其分化于溶液中，達到清洗目的。

超聲波清洗技術設備簡單，而且只要液體能夠浸沒、聲場能夠存在的地方都能產生清洗效果，因此特別適用于幾何形狀復雜的物體表面清洗。

2.3 激光清洗技術

激光清洗技術主要是基于物體表面污染物吸收激光能量后，或氣化揮發，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面。通過高能激光束照射待清洗物表面，可以使表面的污物、銹斑或涂層瞬間蒸發或剝離[2]，清除清潔對象表面的附著物，達到清洗目的。

激光清洗技術在清洗過程中不會接觸清洗物體表面，對清洗對象產生的機械負荷小，還具有清洗速度快、清洗效率高、能夠精確控制清洗能量等特點。

3 物理清洗技術在蒸汽發生器二次側泥渣去除中的應用

由于核行業特殊的安全性考慮和保守的決策特點，目前應用在SG 二次側泥渣去除中的物理清洗技術以水射流清洗技術為主，超聲波清洗、壓力脈沖清洗、大流量噴淋等物理清洗手段也有應用。激光清洗技術由于SG 管束結構復雜、泥渣種類繁多，工程應用難度很高，目前還未被采用。

3.1 水射流清洗

泥渣水射流清洗技術（Sludge Lancing）是目前應用最廣泛的SG 二次側泥渣去除技術，作為一種預防性維修措施，自20世紀90 年代初開始在國內核電廠的每次大修中都會實施，有效保障了SG 的安全運行。

SG 二次側水射流清洗技術利用高壓水射流，將SG 內的沉積物打碎并沖至外環廊，通過環流驅趕到抽吸系統進行吸出，并在下游的過濾系統進行收集，以達到去除SG 二次側沉積物的目的[3]。

SG 二次側水射流清洗的原理如圖1 所示。

圖1 SG 二次側水射流清洗原理

3.1.1 管廊式清洗技術

管廊式清洗技術是指從SG 中心管廊、外環廊發射水射流進行清洗的技術（與在傳熱管束內發射水射流進行清洗的管間式清洗技術相對）。清洗裝置通常安裝在SG 二次側手孔、眼孔上，高壓泵系統為清洗裝置提供壓力8～20 MPa 的高壓水，用于在清洗裝置前端的噴嘴形成水射流[4]。對于傳熱管呈正方形排列的SG，泥渣清洗一般僅在中心管廊進行。對于傳熱管呈三角形排列的SG，泥渣清洗可以在中心管廊進行，也可以在外環廊進行，以便清洗中心管廊清洗不可達的管間區域。

管廊式清洗設備從結構上可以分為懸臂式、導軌式和爬行器式3 類：①懸臂式清洗設備通過槍體頭部的一般設有多排噴嘴，通過槍體的步進運動，使噴嘴到達需要清洗的指定傳熱管管間；通過槍體的旋轉運動，使噴嘴噴射出的水射流同時清洗多排管間區域；②導軌式清洗設備工作原理與懸臂式清洗設備類似，不同之處在于其使用了導軌作為噴嘴組件的支撐；③爬行器式清洗設備最大的特點是采用了管廊式爬行機器人搭載噴嘴組件實施水力清洗，主要適用于中心管廊沒有排污管、阻擋塊等障礙物的SG。

3.1.2 管間式清洗技術

管間式清洗技術通過直接在SG 管束管間內噴射高壓水射流以便對硬性沉積物進行破碎和去除。管間式清洗技術與管廊式清洗技術最大的不同在于其噴嘴工作時位于管束管間內，可以降低水射流對泥渣的噴射距離。通常，管間式清洗系統的運行壓力比管間式清洗更高，可以達到30 MPa 以上。一旦沉積物在管間式清洗過程中被高壓水射流擊碎，就可以通過壓力更低、流量更高的水射流沖至SG 外環廊區域進行吸出。

管間式清洗設備使用一套專門的輸送裝置，通過步進、旋轉、推拔等動作，將一根柔性、帶狀結構的噴嘴組件（通常稱為柔性鋼帶）送入SG 管束內的指定管間區域，實現近距離的定點水射流清洗。

管間式清洗技術是目前去除SG 二次側管板上表面硬性沉積物最有效的手段之一，但是其實施周期比較長、清洗效率較低，對SG 接口條件、現場場地等先決條件的要求也更高。另外，由于管間式清洗的高壓力和水射流的短射程（相比于管廊式清洗），還需要額外考慮避免SG 本體受損。

3.1.3 上部管束清洗技術

UBHC（Upper Bundle Hydraulic Cleaning，上部管束水力清洗）系統采用與管廊式清洗設備相近的清洗壓力，旨在使用高壓水射流粉碎支撐板梅花孔處的泥渣和松脫沉積在支撐板上的泥渣。UBHC 設備一般通過SG 二次側手孔沿中心管廊區域進行安裝，然后再向上逐層穿過支撐板中間的分流孔對目標支撐板進行清洗。

UBHC 在美國、日本和韓國進行過若干次現場實施，但近年來一直沒有現場使用實例。早期使用UBHC 技術的核電廠在近年來都開始采用化學清洗的方式來改善SG 上部管束內的泥渣沉積情況。這是因為化學清洗可以高效地完成上部管束清洗目標，而且設備使用方面的顧慮也更低。相比于化學清洗，UBHC 所需的實施時間比預期更長，清洗效率也不如化學清洗，而且在某些應用場合UBHC 設備還會面臨設備在SG 內難以回收的風險。

3.2 大流量管束噴淋清洗

大流量管束噴淋清洗（High Volume Bundle Flush）技術也稱為上部管束沖洗技術，采用低壓力、高流量的水流直接作用于管束頂部或最上層支撐板上部。其目的是將管束上的松散泥渣沖至SG 二次側管板上表面，使其在后續的管板水射流清洗工序中進行去除和收集。大流量噴淋清洗技術的實際應用情況因機組而異，部分機組上未見明顯的清洗效果，也有在部分機組上表現了明顯的泥渣去除效果。總體而言，大流量噴淋清洗技術對于上部管束內有大量松散泥渣及垢片堆積的機組清洗效果更好。

大流量噴淋清洗技術實施起來相對簡單，對SG 的結構完整性幾乎沒有影響。但是，該技術通常無法用來去除當前SG 支撐板梅花孔內沉積的泥渣，因為清洗過程中穿過梅花孔的水流速度相對太低。因此，實施大流量噴淋清洗通常并不能在短期內提升SG 的熱工水力性能。

3.3 泥渣驅趕

泥渣驅趕（Sludge Flushing）技術是一種可以從快速去除管板上表面松散泥渣及垢片的清洗技術。泥渣驅趕的實施方式與管廊式清洗技術類似，不同之處在于其采用更低的清洗壓力、更高的流量，水射流的直徑設計為正好匹配待清洗傳熱管管間的可視間隙。

泥渣驅趕技術采用的泵和設備更為簡單，通過高流量射流掃射的方式，可以有效地將管間內的松散泥渣沖至SG 外環廊區域進行收集。該技術可以在有效去除松散泥渣及垢片的同時，最大程度縮短實施時間。

雖然泥渣驅趕技術無法有效去除管板上的硬泥渣，但是可以快速、有效地對管板上表面的松散泥渣進行去除，為后續硬性沉積物的去除步驟（比如化學清洗、超聲清洗等）創造有利條件。

3.4 超聲波清洗

使用超聲波清洗技術進行SG 二次側管板泥渣清洗時，空化氣泡趨于在泥渣的微孔和裂隙中生成。這種空化對污垢的直接反復沖擊，一方面破壞污物與清洗表面的吸附，另一方面能引起污物層的疲勞破壞而剝離，氣體型氣泡的振動可對固體表面進行擦洗，污層一旦有縫隙，氣泡立即“鉆入”使污層脫落。通過清洗液傳播的聲波，其空化作用能夠從表面或內部破壞泥渣。

超聲波清洗一般通過專用工裝將換能器安裝在SG 中心管廊的中間位置，實施時需要確保清洗液浸沒超聲波換能器。清洗液通過輔助設備進行循環，確保其溫度等參數在要求的范圍內。在大多數應用案例中，超聲波清洗都使用了ASCA（Advanced Scale Conditioning Agent）化學清洗溶劑，以便進一步軟化管板上的硬泥渣，提升超聲波的物理清洗效果。

3.5 壓力脈沖清洗

壓力脈沖清洗（Pressure Pulse Cleaning）技術也稱為鼓泡清洗技術，清洗時將SG 二次側充滿水或化學清洗溶劑并周期性釋放高壓氣體產生壓力脈沖，引起液體振蕩，使得SG 二次側沉積物破碎并分散于溶液中，再通過循環過濾或水射流清洗的方式完成泥渣去除。清洗時的液位高度可根據清洗目標區域進行調整，以便提高泥渣清洗效果。

在20 世紀80 年代中期，壓力脈沖清洗技術在4 個機組的直流式SG 濕保養過程中進行了應用。該技術的應用取得了有限的成功，并促進了水擊清洗技術的研究。

3.6 水擊清洗

水擊清洗（Water Slap Cleaning）技術通過產生強力的、大流量的“水擊”來破碎SG 支撐板管孔處沉積的泥渣。過去，該技術在直流式SG 上有過實施，但是近年來一直沒有現場應用。

水擊清洗一般在直流式SG 濕保養過程中實施，其注入裝置的氮氣壓力室比鼓泡清洗更大，安裝在SG 上注入裝置的數量也比鼓泡清洗更多。因此，水擊清洗每次脈沖會向液體中導入更高的能量。水擊清洗過程中，SG 內的液面高度通過精確控制，使其略微低于待清洗支撐板的下表面。清洗系統的注入裝置在SG 下部管板附近周期性地向SG 內分散注入高壓氮氣。氣泡的膨脹使得SG 內的液柱加速向上增長。液面的快速升高對支撐板下表面造成沖擊，水流將強制通過支撐板開孔并沖散沉積物。水擊清洗剝離的泥渣可通過水的過濾循環等方式進行去除和收集。

4 物理清洗技術與化學清洗技術聯合使用

化學清洗主要通過化學溶劑溶解的方式去除SG 內的傳熱管垢片、松散沉積物、二次側管板上的大部分沉積物以及支撐板縫隙內的沉積物。通常，對于單臺SG 管板區域采用物理清洗的方式可去除的泥渣量約為20～150 kg，而采用化學清洗的方式則可在全管束范圍（包括管板區域）去除高達3500 kg 的泥渣[5]。

由于化學清洗的效果與待溶解物的可達性有關，尤其對于去除難度更高的硬性沉積物。因此，改善硬性沉積物的可達性可以大幅提升化學清洗的清洗效果。基于上述考慮，國際上通常會將物理清洗技術與化學清洗技術聯合使用，以期獲得更好的清洗效果。

4.1 壓力脈沖清洗與化學清洗聯合使用

在20 世紀90 年代中期，壓力脈沖清洗與EPRI/SGOG 化學清洗聯合的清洗工藝在美國Surry 核電廠、Callaway 核電廠和Sequoyah 核電廠完成了5 次現場應用。通過化學溶解及后續的水射流清洗工序，去除了大量的沉積物。但近年來一直沒有EPRI/SGOG 化學清洗與壓力脈沖清洗聯合使用的現場實例。因為現場經驗表明，即使單獨使用EPRI/SGOG 化學清洗技術，在不聯合壓力脈沖清洗的情況下，也能有效地去除SG 上部管束的泥渣（包括造成支撐板梅花孔堵塞的泥渣），而且液體的劇烈攪動會導致大量的松散泥渣從上部管束剝落并聚集在SG 管板上，覆蓋了硬泥渣，降低了其可達性，影響其溶解效率。

4.2 水射流清洗與化學清洗聯合使用

2006 年底和2007 年初，在美國Vogtle 核電廠的2 臺機組上分別實施了水射流清洗與化學清洗聯合的全管束范圍清洗，使用了EPRI/SGOS 化學清洗技術和泥渣水射流清洗技術，主要步驟如下：①管板硬泥渣去除步驟：在110 ℃下使用EPRI/SGOS 溶劑并進行周期性排氣操作，溶解管板上的硬泥渣；②全管束主體除鐵步驟：在93 ℃下使用與管板硬泥渣清洗相同的溶劑，溶解管垢和上部管束內的大部分泥渣；③縫隙清洗步驟：在121 ℃下使用與管板硬泥渣清洗和全管束清洗相同的溶劑并進行周期性排氣操作，期間對液位高度進行調整使得排氣效果作用于第5、6、7 支撐板，溶解并破碎造成支撐板梅花孔堵塞的泥渣；④最終除銅步驟：去除可能在之前步驟中鍍著在SG 內部構件表面上的銅；⑤泥渣水射流清洗步驟：去除在EPRI/SGOS化學清洗過程中軟化、脫落的任何材料。

在這2 次清洗中，化學清洗的泥渣去除量平均為2582 kg，水射流清洗的泥渣去除量平均為153.5 kg。類似的EPRI/SGOS化學清洗技術和泥渣水射流清洗技術聯合使用的案例還有很多，大部分的EPRI/SGOS 化學清洗都會在最后附加一個泥渣水射流清洗步驟，以便去除化學清洗過程中軟化、脫落的任何材料。EPRI/SGOG 聯合水射流清洗的效果見圖2。

圖2 EPRI/SGOG 聯合水射流清洗效果

2014 年4 月，在美國Comanche Peak 核電廠實施了一次水射流清洗與化學清洗聯合的管板范圍清洗，使用了泥渣水射流清洗技術和ASCA、CODE 化學清洗技術，主要步驟如下：①化學清洗前的管板泥渣水射流清洗；②管板范圍ASCA 化學清洗；③管板范圍CODE 化學清洗；④化學清洗后的管板泥渣水射流清洗。

由于泥渣含銅量很低，在該電廠實施的管板范圍ASCA 化學清洗僅包含一個單獨的除鐵步驟，單臺SG 的泥渣去除量約為31.8 kg。在ASCA 清洗后，實施了CODE 清洗以便去除管板硬泥渣中的鋁和硅的氧化物等固結物，在ASCA 和CODE 清洗前后均實施了泥渣水射流清洗。清洗后的管板恢復了較為理想的清潔狀態。ASCA/CODE 聯合水射流清洗的效果見圖3。

圖3 ASCA/CODE 聯合水射流清洗效果

2007 年至2008 年間在法國Cruas 核電廠、Chinon 核電廠和St.Alban 核電廠實施的HTCC 化學清洗也聯合使用了泥渣水射流清洗技術，主要目的是去除管垢、恢復熱力性能并通過降低支撐板堵塞來減輕傳熱管裂紋的蔓延，主要步驟如下：①在160 ℃下使用HTCC 除鐵溶劑；②泥渣水射流清洗；③冷卻至93 ℃；④在93 ℃下進行真空干燥；⑤在30～40 ℃下使用HTCC除銅溶劑并進行空氣鼓泡；⑥低容量漂洗和全容量漂洗。

在化學清洗的過程中穿插泥渣水射流清洗的步驟，可以去除前一步驟中殘留的松散顆粒。整個清洗步驟在每臺機組上的泥渣去除總量在7800～12 000 kg，SG 的熱力特性得到較為明顯的改善：Cruas 核電廠、Chinon 核電廠清洗后SG 的寬量程液位高度平均降低了1.6 m、蒸汽壓力平均提高了1.6 bar（0.16 MPa）；St.Alban 核電廠SG 雖然清洗前未見蒸汽壓力損失，但清洗后SG 的寬量程液位高度平均降低了3%。

4.3 泥渣驅趕、超聲波清洗與化學清洗聯合使用

針對SG 二次側管板硬泥渣的管理問題，與開發新型管間式清洗設備的思路不同，國際上有一種經過驗證的多技術聯合清洗工藝，并定期在現場實施。該聯合清洗工藝采用了泥渣驅趕、超聲波清洗與化學清洗相結合的方式，主要步驟如下：①在機組停堆過程中，實施全高度ASCA 除鐵步驟，通過機組余熱保持溶劑溫度在80 ℃；②在ASCA 除鐵步驟后繼續注入濃縮的ASCA 溶劑（無需排空），并通過空氣鼓泡將溶劑中的還原條件轉變為氧化條件，該步驟可以在30～80 ℃范圍內的任意溫度進行實施，以便吻合機組RCS 系統的冷卻過程；③在機組停堆后，實施初始泥渣驅趕，以便去除SG 二次側管板上積累的松散及脫落的泥渣，提高下方硬泥渣的可達性；④使用ASCA 化學清洗溶劑實施SG 二次側管板超聲波清洗，以便去除管板上的硬性沉積物；⑤實施最終泥渣驅趕，以便去除在之前清洗步驟中破碎脫落的泥渣。

這種聯合清洗工藝于2004 年在日本Tomari 核電廠完成了首次工程應用，去除了SG 二次側管板上約50%的硬性沉積物。視頻檢查結果表明，經過最終的泥渣驅趕步驟后，管板清潔，未見松散泥渣堆積。美國Vogtle 核電廠在2002 年也進行了類似的嘗試，按照全管束ASCA 除鐵、管板ASCA 溶劑超聲波清洗、上部管束大流量噴淋清洗、管板水射流清洗的步驟，在4 臺SG上一共去除了約577 kg 的泥渣，每個步驟所去除的泥渣量分別為425 kg、37 kg、55 kg、60 kg。

ASCA 溶劑對管板硬泥渣的可溶部分進行溶解和軟化，超聲波清洗持續破碎泥渣外層（包括無法在傳統EDTA 和有機抗酸溶液中溶解的固結物）并使得ASCA 溶劑進一步滲透，聯合清洗的效果通過這種方式得到提升。在管板ASCA 清洗前實施一次簡單的泥渣驅趕或縮短的泥渣水射流清洗操作，可以去除管板上積累的松散泥渣，以便管板硬泥渣能在ASCA 清洗過程中更好地被溶劑浸沒。在管板ASCA 浸泡過程中并行實施超聲波清洗不會增加總的清洗時間。無論是單獨使用ASCA 進行管板清洗，還是與超聲波清洗等物理清洗方式聯合使用，在清洗的最后實施一次泥渣水射流清洗可有效去除ASCA 清洗過程中軟化、脫落的任何材料。

5 結語及展望

高壓水射流清洗、超聲波清洗、壓力脈沖清洗等物理清洗技術在SG 二次側泥渣去除中的應用是成功的，而高壓水射流技術以其設備通用性強、清洗成本低、無污染、無腐蝕的特點，在目前的SG 二次側泥渣去除上占據絕對優勢。

雖然在大多數情況下，使用物理清洗技術可以較好地達到期望的清洗效果，但是物理清洗技術也有其局限性。比如，水射流清洗的實施時間、設備復雜程度和設計難度等都會隨著待清洗區域的擴大（包括陰影區的覆蓋）而增加，尤其是清洗區域由管板區域逐漸向全管束區域拓展時。因此，水射流清洗技術僅適合作為一種“局部”清洗技術。目前應用的超聲波清洗技術僅局限于管板上表面區域的清洗，能否拓展應用到全管束區域的清洗還有待驗證。壓力脈沖清洗技術及其衍生的水擊清洗技術對于固結程度較高的泥渣基本沒有去除效果。大流量管束噴淋和泥渣驅趕都只能用于去除松散泥渣。而將物理清洗技術合理地與化學清洗技術聯合使用，可以使兩種清洗技術實現互補，獲得更好的清洗效果。

盡管目前國內核電廠在實踐上更多地關注SG 二次側管板區域的泥渣堆積問題，但隨著機組運行時間的增長，傳熱管結垢、支撐板堵塞等全管束范圍的泥渣沉積問題可能在今后的運行中逐漸呈現。因此，掌握SG 二次側的泥渣分布情況并據此制定合適的清洗策略，使用物理清洗或與化學清洗相結合的方式開展SG 全管束范圍內的泥渣管理，將是今后研究與應用的重點。