一種鈉鉀合金回路拆除的可靠性施工方法

王增輝 WANG Zeng-hui；石建業(yè) SHI Jian-ye

（核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300）

0 引言

鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路自國(guó)內(nèi)建成以來(lái)，已開(kāi)展了一系列如導(dǎo)電、絕緣管道流的磁流體動(dòng)力學(xué)、自由表面流體的MHD效應(yīng)等基礎(chǔ)學(xué)科的研究，產(chǎn)出了一大批具有國(guó)際影響力的科研成果，為我國(guó)科技進(jìn)步作出了很大的貢獻(xiàn)；但是隨著科學(xué)試驗(yàn)裝置老化或更新?lián)Q代，越來(lái)越多的鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路裝置出現(xiàn)這樣或者那樣的問(wèn)題，對(duì)原有試驗(yàn)回路進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)或改造的要求迫在眉睫。如何安全可靠、針對(duì)性的拆除鈉鉀試驗(yàn)回路管道及設(shè)備是當(dāng)前各大研究院所在升級(jí)或改造過(guò)程中需解決的首要難題。

1 鈉鉀合金試驗(yàn)回路工藝介質(zhì)特點(diǎn)

鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路工藝介質(zhì)為鈉鉀合金，它自身具有特殊的化學(xué)性：屬于堿金屬，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在潮濕的空氣中容易發(fā)生劇烈燃燒，遇水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)并爆炸，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

①2Na+O2=2NaO+熱量

②2K+O2=2KO+熱量

③NaO+H2O=NaOH+熱量

④KO+H2O=KOH+熱量

⑤2Na+2H2O=NaOH+H2+熱量

⑥2K+2H2O=KOH+H2+熱量

⑦H2與空氣混合發(fā)生劇烈爆炸

鈉鉀合金在燃燒或爆炸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的大量氣溶膠煙霧，不僅嚴(yán)重降低了事故現(xiàn)場(chǎng)的能見(jiàn)度，而且這些氧化物粉塵對(duì)人體的皮膚和普通衣料都有強(qiáng)烈的堿蝕灼傷作用，吸入呼吸道會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞呼吸系統(tǒng)。所以在對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行升級(jí)改造過(guò)程中，應(yīng)充分了解試驗(yàn)回路工藝流程及其組成，熟悉其介質(zhì)的危害性，才能針對(duì)性地制定出切實(shí)可行的技術(shù)方案，從而保證升級(jí)或改造工作順利和安全的開(kāi)展。

2 鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路拆除重難點(diǎn)

鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路拆除過(guò)程中，對(duì)回路管道和容器內(nèi)鈉鉀合金的安全可靠處理是回路拆除的一項(xiàng)重要工作。在查閱國(guó)內(nèi)科研院所多年來(lái)對(duì)回路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的了解和掌握，充分認(rèn)識(shí)和理解了鈉鉀合金化學(xué)性質(zhì)的活潑性，試驗(yàn)回路拆除前應(yīng)做好鈉鉀處理詳細(xì)技術(shù)方案和應(yīng)急處理方案，并做好以下三項(xiàng)重難點(diǎn)工作內(nèi)容。

①前期準(zhǔn)備工作：前期準(zhǔn)備工作包括根據(jù)鈉鉀處理技術(shù)方案，設(shè)計(jì)并加工相關(guān)專(zhuān)用的部件；施工人員個(gè)人防護(hù)用品和專(zhuān)用工具的準(zhǔn)備；施工人員的培訓(xùn)和配合、協(xié)調(diào)工作；建立應(yīng)急處理措施。②回路貯罐鈉鉀的處理：首先需對(duì)貯運(yùn)罐進(jìn)行清洗、抽真空以及加熱烘烤，然后將鈉鉀液體采用液壓方式壓入貯運(yùn)罐。少量、多次地將貯運(yùn)罐內(nèi)的鈉鉀液體與配制的專(zhuān)用液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的無(wú)害化合物后排放。③回路容器和管道鈉鉀的處理：試驗(yàn)回路管道鈉鉀合金工質(zhì)排空后，管道內(nèi)部會(huì)有掛壁、殘留工質(zhì)，殘留的鈉鉀多達(dá)幾千克。

3 可靠性方法工藝原理

鈉鉀液態(tài)金屬試驗(yàn)回路管道拆除時(shí)，鈉鉀合金工質(zhì)的保護(hù)和處理是重點(diǎn)，需解決：管道切割時(shí)，保證內(nèi)部工質(zhì)與空氣隔絕；避免管道切割過(guò)程產(chǎn)生高溫，控制切割濕度。我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和研究，提出氬氣保護(hù)與液氮冷凍相結(jié)合的冷切割、氬氣與飽和水蒸汽混合氣緩慢氧化的后處理方法。管道切割時(shí)，通過(guò)氣相部分（氬氣）保護(hù)液相部分(鈉鉀合金)不與空氣接觸；通過(guò)液氮將管道急速冷凍，使內(nèi)部液相部分變?yōu)楣虘B(tài)，同時(shí)采用割管刀的冷切割方式避免切割瞬間產(chǎn)生高溫，最終實(shí)現(xiàn)管道成功分離，如圖1所示。

圖1 管道內(nèi)部殘留鈉鉀合金溶液、切口及冷凍區(qū)域

該方法可以實(shí)現(xiàn)管道環(huán)切口底部無(wú)鈉鉀工質(zhì)溢流和噴濺，實(shí)現(xiàn)管道切口處及管道內(nèi)部鈉鉀工質(zhì)與空氣隔絕；管道切割拆除后，帶有殘留鈉鉀合金廢液的管道處于密閉狀態(tài)，用醇類(lèi)或水直接反應(yīng)劇烈，危險(xiǎn)性較高，可以通過(guò)采用飽和水蒸氣減小反應(yīng)面積，并采用氬氣保護(hù)從而控制反應(yīng)速度的方法，實(shí)現(xiàn)混合氣體與工質(zhì)緩慢氧化，最終達(dá)到和平處理目的。

4 可靠性方法操作要求和實(shí)施步驟

4.1 操作要求

4.1.1 環(huán)境要求

管道切割、后處理施工應(yīng)選在干燥的晴天進(jìn)行，嚴(yán)禁在陰雨、大風(fēng)天氣進(jìn)行施工，空氣濕度應(yīng)保證≤60%。施工場(chǎng)地布置做好科學(xué)、合理規(guī)劃，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)無(wú)其它水源、無(wú)火源，并保持現(xiàn)場(chǎng)良好的通風(fēng)條件。

4.1.2 氬氣保護(hù)要求

管道切割拆除時(shí)，應(yīng)指派專(zhuān)人監(jiān)控充氬氣壓力，保證回路供氣壓力在2-3kPa范圍，隨時(shí)監(jiān)測(cè)氬氣瓶?jī)?nèi)的氬氣剩余氣量，保證氬氣瓶的氣量能完成一個(gè)管道切口的切割和封堵。

4.1.3 橡膠塞和盲板制作要求

橡膠塞和盲板是用于管道切口的封堵，需在車(chē)間提前制作，橡膠塞和盲板處有接管，帶有閥門(mén)（部分加壓力表）；使用時(shí)將其直接與管口對(duì)接，便于后續(xù)充氬保護(hù)，制作示意圖如圖2。

圖2 管道橡膠塞及盲板制作示意圖

4.1.4 個(gè)人防護(hù)要求

管道切割時(shí)，施工人員需穿防火服、佩戴防護(hù)眼鏡、防護(hù)面罩、防護(hù)皮手套、防護(hù)靴，領(lǐng)口、袖口綁扎結(jié)實(shí)，褲口應(yīng)套在防護(hù)靴外側(cè)，避免異物落入靴內(nèi)。管道切口四周掛防火毯，保證管道切口與施工人員的物理隔離；切割時(shí)，向防火毯內(nèi)插入攝像頭以找準(zhǔn)管道切口位置，施工人員通過(guò)觀察攝像頭相連的顯示屏幕進(jìn)行施工操作。

4.1.5 管道運(yùn)輸要求

待處理管道運(yùn)輸應(yīng)選擇干燥的晴天進(jìn)行，嚴(yán)禁陰雨天氣操作；運(yùn)輸之前需確認(rèn)管道是否密封，是否有氬氣保護(hù)，若無(wú)保護(hù)或密封措施，嚴(yán)禁運(yùn)輸；人工搬運(yùn)管道，搬運(yùn)過(guò)程至少需三人一同完成（一人監(jiān)督，二人搬運(yùn)），管道在搬運(yùn)的過(guò)程中輕拿輕放，嚴(yán)禁碰撞管道；電瓶車(chē)運(yùn)輸時(shí)，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程也至少三人完成（一人駕駛、二人監(jiān)督），嚴(yán)禁劇烈顛簸震動(dòng)。電瓶車(chē)需有行駛證，電瓶車(chē)司機(jī)需駕駛證；運(yùn)輸管道要與電瓶車(chē)體固定在一起，控制電瓶車(chē)車(chē)速，減少運(yùn)輸過(guò)程中震動(dòng)；管道運(yùn)輸過(guò)程中，車(chē)箱內(nèi)至少有兩人全程監(jiān)護(hù)；管道裝卸車(chē)時(shí)需輕拿輕放，嚴(yán)禁搬運(yùn)時(shí)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)。

4.2 管道切割實(shí)施步驟

管道切割主要是完成液氮冷凍、管道切割、封堵的過(guò)程，整段管道的切割拆除步驟圖見(jiàn)圖3。

圖3 鈉鉀管道切割步驟圖

管道切割前，管道氣相壓力應(yīng)調(diào)整為3-5kPa；首先在切口位置左右500mm范圍內(nèi)用液氮冷凍管道，用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量冷凍溫度控制在-40～-30℃。切割時(shí)，專(zhuān)人控制氬氣壓力，始終保持在3-5kPa，操作人員隨時(shí)用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量切口溫度；管道切口下方應(yīng)放置石蠟油桶，使切口部位殘留的鈉鉀合金浸落石蠟油內(nèi)，同時(shí)保證切割位置有氬氣從接口流出。管道切斷后，使用帶閥門(mén)的橡膠塞堵漏，橡膠塞端頭連接氬氣進(jìn)氣管準(zhǔn)備向管道內(nèi)充氬氣。管段用橡膠塞封堵后，需再套上橡膠手套用膠帶綁扎牢固，如果管段存放時(shí)間較長(zhǎng)，例如夜晚需存放時(shí)，必須用鋼板焊接封堵，并轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域且在72h內(nèi)將內(nèi)部鈉鉀合金溶液處理完畢。

采用同種方法，進(jìn)行第二道切口切割，切斷后使用內(nèi)窺鏡觀察管道內(nèi)鈉鉀合金殘余量；對(duì)于殘余量較多的管道，緩慢傾斜將其內(nèi)部鈉鉀合金倒入盛裝石蠟油的鐵桶中，然后對(duì)切口位置殘留物采用棉紗布蘸取石蠟油，緩慢擦拭，直至切口內(nèi)壁干凈無(wú)異物，最后用橡皮膠塞或預(yù)制好的不銹鋼板將切口進(jìn)行封堵；對(duì)于殘余量較少的管道，直接對(duì)切口擦拭后封堵（封堵方式同上）。切割完成后應(yīng)將切割的管段放于指定存放區(qū)域，待后處理。石蠟油桶收集液面低于桶高50mm左右時(shí)，將收集桶蓋上蓋子放置于安全區(qū)域等待處理。

4.3 管道后處理實(shí)施步驟

管道后處理主要是完成管道充氬氣、水蒸氣，混合氣體發(fā)生氧化反應(yīng)，然后向管段內(nèi)注水驗(yàn)證的過(guò)程，待處理管道處理步驟如圖4。

圖4 鈉鉀管道后處理步驟圖

首先將待處理管道放置在處理裝置（如圖5）支撐架上，打開(kāi)預(yù)熱反應(yīng)裝置閥門(mén)V1、調(diào)節(jié)閥門(mén)V2，供氣壓力保持在2-3kPa。待處理管道內(nèi)部排出氧氣表示氬氣已充滿，此步驟不要求精確；然后裝置將出口軟管連接到管道橡膠塞接口處開(kāi)始控制反應(yīng)速度。

圖5 鈉鉀管道處理裝置圖

預(yù)熱保溫管線和待處理管道，觀測(cè)點(diǎn)溫計(jì)示數(shù)待其達(dá)到90℃，緩慢打開(kāi)帶處理管段膠塞處閥門(mén)，同時(shí)打開(kāi)蒸汽鍋爐，使飽和水蒸氣與氬氣混合氣體進(jìn)入管道，進(jìn)行緩慢氧化。通過(guò)控制氬氣壓力和飽和蒸汽速度，調(diào)整混合氣體比例，從而調(diào)整與鈉鉀合金溶液的反應(yīng)速率。

待裝置反應(yīng)一段時(shí)間，側(cè)耳聽(tīng)管道內(nèi)部無(wú)聲音和用內(nèi)窺鏡觀察其內(nèi)部是否殘留鈉鉀未判斷反應(yīng)完成的標(biāo)準(zhǔn)；若仍有可見(jiàn)鈉鉀合金殘留，則繼續(xù)用混合氣緩慢將其氧化；若無(wú)可見(jiàn)鈉鉀合金殘留，則關(guān)閉下部橡膠塞開(kāi)關(guān)，向內(nèi)部注滿水使內(nèi)部鈉鉀充分反應(yīng)；反應(yīng)完全后，回收管道至安全區(qū)域；收集盤(pán)中的堿性廢液（主要是氫氧化鈉溶液）裝于塑料桶中交給廢液公司處理。

5 可靠性措施

5.1 質(zhì)量措施

施工前，做好人員的培訓(xùn)考核工作；施工人員和安全人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)且考核合格，焊接、吊裝、運(yùn)輸?shù)仁┕と藛T必須經(jīng)資格評(píng)定合格持證上崗。同時(shí)，檢查確認(rèn)所使用的機(jī)具及測(cè)量設(shè)備標(biāo)定合格并在標(biāo)定有效期；檢查核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防器材、防護(hù)用品的標(biāo)識(shí)是否有效。施工過(guò)程中認(rèn)真記錄環(huán)境溫濕度、記錄氬氣氣瓶出口壓力數(shù)值；對(duì)拆除管段及設(shè)備進(jìn)行標(biāo)號(hào)，嚴(yán)格按照拆除操作規(guī)程順序開(kāi)展拆除工作，并做好記錄；拆除后的管段及設(shè)備嚴(yán)格按照拆除操作規(guī)程做好封堵保護(hù)。

5.2 安全措施

施工拆除前應(yīng)規(guī)定建立施工作業(yè)控制區(qū)，施工現(xiàn)場(chǎng)配備專(zhuān)職安全員負(fù)責(zé)安全監(jiān)督，嚴(yán)格管控進(jìn)出人員，并做好登記記錄；施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置安全隔離區(qū)，拉警戒線、掛警示牌，張貼安全告示，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置石墨滅火器和消防器材。施工作業(yè)應(yīng)按相關(guān)要求辦理作業(yè)票據(jù)，并保證后續(xù)作業(yè)中票據(jù)在有效期內(nèi)；施工人員必須自覺(jué)遵守各項(xiàng)安全規(guī)章制度及操作規(guī)程，嚴(yán)格按照拆除方案及操作規(guī)程進(jìn)行施工；進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的人員必須正確穿戴好勞動(dòng)保護(hù)用品，佩戴安全帽必須系好下頜帶，安全帶在使用時(shí)應(yīng)高掛低用，安全帶不得打結(jié)使用。吊裝作業(yè)，必須核實(shí)吊車(chē)起吊能力和設(shè)備重量，不得超負(fù)荷起吊，吊裝時(shí)起重臂下嚴(yán)禁站人。每日做到安全早班會(huì)的安全技術(shù)交底，并留存記錄；對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)每日安全動(dòng)態(tài)巡檢不少于兩次，做好配電柜、配電箱的檢查，對(duì)安全隱患及時(shí)提出并整改；若發(fā)生安全事故，要采取應(yīng)急措施并及時(shí)向有關(guān)部門(mén)匯報(bào)。

5.3 環(huán)境保護(hù)

施工期應(yīng)按照《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》和《建筑施工場(chǎng)界噪聲限制》來(lái)安排施工方式和施工時(shí)間，降低施工噪聲、減少振動(dòng)，降低對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響。加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)噪聲、廢水、廢氣的監(jiān)控工作，及時(shí)采取措施降低噪聲、廢氣和廢水的污染，做到無(wú)污染施工。施工垃圾必須采取有效合理的處理措施，采用封閉式臨時(shí)專(zhuān)用垃圾道或者采用編織袋分類(lèi)收集施工垃圾，應(yīng)該集中堆放，并且及時(shí)清理，嚴(yán)禁亂扔亂放。拆除過(guò)程中產(chǎn)生的鈉鉀合金廢液及管道容器內(nèi)鈉鉀合金廢液應(yīng)分別存儲(chǔ)，待后續(xù)統(tǒng)一處理；處理后的廢液（氫氧化鈉、氫氧化鉀）應(yīng)統(tǒng)一交由具有資質(zhì)的廢液公司回收處理。

5.4 應(yīng)急處理

可能發(fā)生的鈉鉀事故主要有：飛濺、泄漏、火災(zāi)（爆炸）等三大類(lèi)。針對(duì)事故不同類(lèi)型，應(yīng)采取不同的處置措施，主要措施包括：擦拭、沖洗、滅火、隔絕、堵漏、攔截、覆蓋、轉(zhuǎn)移和收集等。當(dāng)確認(rèn)發(fā)生鈉鉀事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員必須保持冷靜，在保證安全的情況下，采取相應(yīng)的措施降低泄漏率、切斷泄漏源。對(duì)泄露出的鈉鉀用干砂、膨脹石墨覆蓋。如果有少量的鈉鉀在操作時(shí)意外溢出著火，應(yīng)命令現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員利用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)滅火裝置進(jìn)行撲滅，然后迅速撤離現(xiàn)場(chǎng)，并關(guān)閉事故房間房門(mén)。嚴(yán)禁在堿金屬火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)，使用水、二氧化碳、鹵代烷、泡沫滅火劑及普通干粉滅火劑。可采取的滅火措施：氮?dú)庋蜎](méi)、固定式膨脹石墨滅火劑噴撒、推車(chē)式膨脹石墨滅火器滅火、手提式膨脹石墨滅火器滅火、滅火劑盒和漏鈉接收抑制盤(pán)、干砂。在堿金屬火災(zāi)得到控制或熄滅后，應(yīng)及時(shí)注意現(xiàn)場(chǎng)的通風(fēng)降溫，同時(shí)注意避免因通風(fēng)過(guò)快而引起滅火劑保護(hù)層的破壞，發(fā)生二次燃燒。禁止用裸露水流進(jìn)行降溫，以免不慎造成堿金屬與水的直接接觸，發(fā)生爆炸等意外事故。火災(zāi)撲滅后，仍然要派人監(jiān)護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，消滅余火。

堿金屬火災(zāi)燒傷人員的急救處理步驟如下：①盡快撤離發(fā)生事故的房間；②小心地脫去燒壞的衣服（必要時(shí)撕開(kāi)）；③小心地用干或浸有植物油、脫水礦物油的棉紗把落在身上的可見(jiàn)的金屬塊從表皮除去；④當(dāng)堿金屬完全被除去后，用大量的水沖洗受傷的地方；⑤受傷的地方均勻涂抹潤(rùn)濕燒傷膏；⑥用干凈的棉紗和紗布包扎受傷的地方；⑦將受傷人員安置在暖和的地方以待進(jìn)一步治療。

堿金屬煙霧傷害人員處理步驟如下：①用水洗嘴和鼻孔；②喝果汁；③及時(shí)請(qǐng)醫(yī)生后期處理。

當(dāng)堿金屬落入眼睛時(shí)，處理步驟如下：①用紗布團(tuán)取出眼睛中的金屬小塊；②滴入數(shù)滴0.4%鹽酸奧布卡因溶液；③過(guò)1-2分鐘后，用水流充分沖洗，應(yīng)用水流從眼睛的外角（太陽(yáng)穴）向內(nèi)（至鼻子）清洗；④再滴入數(shù)滴氧氟沙星滴眼液；⑤用紗布包扎；⑥及時(shí)將傷員送至醫(yī)院。

6 應(yīng)用案例及效益分析

2019年9月應(yīng)用此方法，順利完成了某研究院鈉鉀合金傳熱試驗(yàn)回路的拆除及后處理工作，該回路是國(guó)內(nèi)首個(gè)以鈉鉀合金為工質(zhì)的高溫液態(tài)金屬傳熱試驗(yàn)回路，試驗(yàn)回路拆除范圍包括除鋼結(jié)構(gòu)、氣路緩沖器、起泡器、分子篩外的所有設(shè)備和管道，如存儲(chǔ)罐、膨脹罐兼冷卻器、量筒、冷阱、加熱器、管道、閥門(mén)、儀表、線纜、托盤(pán)，及其它附加設(shè)備如容變器、氣體緩沖罐等均按要求拆除。采用本方法能夠使鈉鉀合金回路在隔絕空氣、控制溫濕度、避免高溫，全程在氬氣保護(hù)下安全拆除，在堿金屬（鈉鉀合金）試驗(yàn)回路拆除中具有開(kāi)創(chuàng)性，能為后續(xù)國(guó)內(nèi)堿金屬試驗(yàn)回路的拆除工作提供參考與借鑒。通過(guò)對(duì)拆除人員的每一步操作進(jìn)行規(guī)范、編制拆除操作規(guī)程及方案可行性分析，整個(gè)拆除工作處于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、高效化的狀態(tài)。具有安全可控、便于施工、靈活高效的特點(diǎn)，便于推廣，實(shí)用性強(qiáng)。

7 結(jié)論

鈉鉀合金試驗(yàn)回路拆除采用氬氣保護(hù)與液氮冷凍相結(jié)合的冷切割方法、氬氣與飽和水蒸汽混合氣緩慢氧化的后處理可靠性方法，從系統(tǒng)完成性、氣體保護(hù)有效性、鈉鉀合金收集等多方面充分考慮，保證了拆除順序的科學(xué)合理，安全可控。該方法對(duì)常規(guī)的施工方法進(jìn)行了創(chuàng)新、細(xì)化，可執(zhí)行性強(qiáng)。對(duì)鈉鉀設(shè)備的每種操作制定安全防護(hù)要求和操作順序，對(duì)堿金屬火災(zāi)、燙傷等可能出現(xiàn)的緊急情況制定專(zhuān)門(mén)的處理措施，值得類(lèi)似科研項(xiàng)目或工程項(xiàng)目推廣使用。