核電廠超聲波在線去污技術應用實踐

關鍵詞：超聲波;在線去污;核電廠

0 引言

核電廠一回路主系統由反應堆、主泵、穩壓器、蒸汽發生器和相應管道組成。此外包括安全和輔助系統，這些系統按照功能大體上分為三類：①專設安全設施，包括安全注入系統、安全殼噴淋系統、輔助給水系統和安全殼隔離系統;②核輔助系統，包括化學容積和控制系統、硼和水補給系統、余熱排出系統、反應堆和乏燃料水池冷卻和處理系統、設備冷卻水系統;③三廢處理系統，包括廢液處理系統、廢氣處理系統、固體廢物處理系統。核電機組在正常運行過程中，堆芯產生的活化腐蝕產物會隨著冷卻劑遷移至一回路相關系統，并通過離子交換（可溶物）、結晶（可溶物）、沉降（可溶物）、沉積（微粒）等形式沉積附著在相關設備、管道、閥門內表面或通過離子交換（可溶物）進入其氧化層，活化腐蝕產物沉積較多的位置導致現場輻射水平升高，給個人和集體劑量的控制帶來較大的挑戰[1] 。目前核電廠主要采取的措施包括屏蔽、系統內高壓沖洗、拆卸去污。屏蔽法采取的是在輻射水平較高設備或管線周圍搭設腳手架，在腳手架上搭設鉛皮進行屏蔽，根據輻射水平不同，搭設的鉛皮層數不同;系統內高壓沖洗主要通過引入高壓除鹽水對設備管線進行反復沖洗;拆卸去污主要將拆卸后的設備在去污廠房去污，去污后再回裝到現場設備中。以上三種措施均耗費較多的人力和物料，不僅增加工作人員的受照劑量，同時增加現場放射性廢物的產生量。目前核電廠超聲波去污技術的應用已經比較成熟，其中應用較多的是聯合其他去污方法的離線去污，如蒸汽發生器盲板超聲波去污[2] 、主泵內插件超聲波去污、控制棒驅動機構超聲波去污[3-6] 等。關于在運行的設備管道上在線超聲去污技術，目前主要是對超聲波在線去污裝置的研究[7-8] ，宋云龍等人[1] 對該技術進行了初步實踐，還需要更多的實踐反饋以促進該技術的發展成熟。本文介紹了超聲波在線去污工藝在核電廠部分管線上的應用實踐及取得的效果，為超聲波在線去污技術進一步研究提供了參考意見。

1 超聲波去污技術原理及特點

超聲波，即頻率高于20 kHz 的高頻聲波，具有方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能的特點。

超聲波去污原理主要是基于超聲波的“空化效應”。當超聲波在液體中傳播時，液體微團會受到正負的交變力作用，如果液體內某一點所受負壓力（即拉力）大于該點的靜壓力與液體微團間親聚力的總和時，液體在該點就會被“撕裂”產生空洞，隨后該點又受到正壓力的作用，已產生的空洞被壓縮而崩潰消失，使液體微團相互激烈沖撞，在局部形成極大的沖擊波。這種沖擊波的瞬間壓力可以達到上千個大氣壓，這一過程被稱為“空化效應”。當準備去污的工件置于施加有超聲波的液體中時，上述空化效應更容易在工件的表面發生。這是因為空化效應并非均勻地分布于液體內各處，而是集中在液體微團親聚力較弱的地方，而工件表面附近親聚力相對較弱，更容易產生空化。于是，大量空化泡猶如一顆顆“微型炸彈”， 將工件表面附著的污垢剝離、粉碎并分散開來，達到去污的目的[6] 。超聲波對于表面形狀比較復雜或帶有細孔、狹縫的工件，也能在縫隙孔洞內部產生空化并去污，不存在明顯的死角，這是高壓水沖洗及拆卸后去污所不能比擬的。

此外，超聲波還具有防腐作用，其原理是在內管壁表面自然形成的裂縫中存在溶解的氧氣，在超聲波振動的作用下，可被強制從裂縫中排出;另外，超聲波的脈沖長期作用于管的內壁表面，使微小的縫隙附近管壁發生形變，這些形變可把裂縫的邊緣封住，使水中的溶解氧不會滲入裂縫中，消除了腐蝕的源頭，保護金屬免受磨蝕[9] 。

2 超聲波在線去污在核電廠的應用實踐

2. 1 超聲波在線去污裝置

本次實踐中使用的超聲波去污裝置[10] 由核電廠和江蘇梵影電力科技有限公司共同設計開發，該裝置的設計結合了核電站實際情況，考慮了設備整體尺寸大小、連接方式、自身重量等因素，可以在輻射控制區滿足水、電、排放條件的管線上使用，提高了工作人員安裝速度，并有效降低了管線輻射水平。該裝置由智能電控柜、換能器振子、上壓板、下壓板、緊固螺釘，以及振子罩殼等組成。換能器振子以粘接等方式固定在非標夾具上壓板，非標夾具以夾持方式安裝在管線上（構成外部夾持振子式），通過振動向管道一側發射超聲波。超聲波去污裝置的主要參數列于表1。

2. 2 輻射監測

現場輻射監測使用德國AUTOMESS 公司生產的6150AD5 型便攜式輻射劑量率儀（測量范圍：0. 1 μSv/ h ～ 1 Sv/ h; 能量范圍： 45 keV ～3 MeV），監測時貼近被測管線，取多組數據平均值。在線監測對比儀表使用的是武漢海王科技有限公司生產的核電廠輻射監測系統（KRT），KRT 探頭距離核取樣系統監測管線約20 cm，KRT 探頭距離化學和容積控制系統下泄管線約10 cm。核素的變化分析采用美國CANBERRA生產的GENIE2000 型譜儀（測量范圍：10 nSv/ h～100 mSv/ h;能量范圍：50 keV～3 MeV），用以輔助判斷去污效果。

2. 3 安裝和使用

設備安裝過程：

（1）將換能器振子通過壓板安裝到管道上;

（2）將換能器振子控制線連到電控箱上;

（3）接通電控箱電源;

（4）通過電控箱操控面板進行控制，設定功率和時間;

（5）啟動超聲波發生裝置進行去污。

安裝過程中應注意：

（1）設備應安裝在管道平直處，不得損壞管線及焊縫;

（2）去污管道內必須是活水，可以將去除的腐蝕活化產物轉移走;

（3）振動時長根據輻射監測儀表數據變化確定，一般為10 ～ 30 min 可以完成去污清洗操作。

2. 4 結果與討論

2. 4. 1 試驗點位

在線超聲波去污設備使用場所需具備以下條件：

（1）去污管線內具有可流動的介質;

（2）去污管線下游具備過濾或收集介質的裝置。

結合超聲波去污設備使用條件，現場選取以下3 個位置進行試驗，點位信息列于表2。

2. 4. 2 監測點布設

為了驗證超聲波在線去污的效果，在試驗點位同時開展了常規沖洗去污。為了保證二者的初始污染條件一致，進行了超聲波去污冷試驗（試驗管線不具有放射性）。冷試驗采取在超聲波去污段不同位置投放錫紙的方法檢驗垂直入射超聲波的橫向傳導對錫紙造成的損壞率，結果表明，超聲波功率為100 W 時，距離超聲波振子40 cm 處對錫紙作用力可忽略不計。故實踐中，設置兩種去污方式的試驗點位間隔50 cm。具體設置如圖2 所示，監測點1 為超聲波去污管段，監測點2 為常規沖洗去污管段。試驗階段將監測點2（常規去污段）置于監測點1（超聲波去污段）上游，是由于監測點1 下游管線周邊有較多高輻射管線干擾，影響該管段的有效監測，而上游管線處于較空曠區域，可實現有效監測。KTR 探頭由于距離去污管線較遠，為了更好測定去污效果，將KTR 探頭設置在超聲波去污段。

2. 4. 3 試驗結果

超聲波在線去污應用實踐數據列于表3、表4和表5。由表可知，超聲波去污在前3 分鐘去污效果明顯。

由表3、表4 可知，對于核取樣系統監測管線（管徑為26. 7 mm）使用超聲波在線去污設備（功率為60 W）段的管線輻射水平降低了60%～70%。后調整功率為100 W 時，監測點1 的數據基本無變化，故表3、表4 中采集的數據均為60 W 功率試驗數據。使用常規去污管段輻射水平降低了10%左右。經過兩種方法分別去污后，固定在現場的KRT 儀表監測數據顯示降低了30% ～40%。根據歷史常規沖洗去污記錄， 當沖洗效率較低（≤10%）受周邊環境劑量干擾的KRT 監測系統數據基本無變化。故在本次試驗中KRT 數據變化貢獻主要來自超聲波去污。

化學和容積控制系統下泄管線（88. 9 mm）的超聲波去污管段，在初始功率為60 W，監測儀表數據基本無變化，后改用功率100 W，管段輻射水平降低了27. 5%，KRT 儀表監測數據顯示降低8. 8%，使用常規去污管段輻射水平幾乎未發生變化（表5數據為功率100 W 的試驗數據）。使用超聲波管段輻射水平比未使用超聲波管線顯著降低。

核取樣系統監測管線輻射水平降低較大主要因為管線較細，管內放射性介質對周圍本底環境影響較小，化學和容積控制系統下泄管線輻射水平降低較小主要因為管線較粗，管內放射性介質對周圍本底環境影響較大，另外KRT 監測位置離超聲波振蕩管線距離較遠，輻射水平降低比例相對較小。

為進一步了解超聲波對管線去污效果，去污前后對化學和容積控制系統下泄管線使用GENIE2000 型譜儀進行了核素分析，分析結果列于表6、表7。

通過核素分析，超聲波去污主要去除的是Cr-51，這主要是因為Cr-51 最貼近管線內壁且成垢較大，而超聲波的剝離受力點主要集中在管線內壁，這進一步論證附著在管線外壁的超聲波對管線內壁腐蝕活化產物具有剝離能力，最終降低管線的輻射水平。而對于主要以離子交換或氧化膜結合形成的固定沉積物形式存在的Co-60 和Co-58，超聲波去污的效果較差。去污后檢測到去污前未測到的Mn - 54， 推測主要因為Mn - 54（834. 83 keV）發射能量與Co-58（810. 76 keV）接近，GENIE2000 型譜儀檢查靈敏度不足以識別重疊的峰譜。而在GENIE2000 型譜設置的10 種核素中未有與Cr-51（320. 08）接近的能譜，故排除了其他核素的干擾。

通過對超聲波在線去污應用實踐，以下因素在使用過程中可能影響超聲波在線去污的效果：

（1）超聲波對管道的在線去污效率受超聲功率、去污段管徑和壁厚、管線內介質流速的影響;

（2）去污段管徑壁厚影響超聲波在線去污的效果，管壁越厚，去污效果越差，通過調整功率可克服管線壁厚對超聲波減弱影響;

（3）由于流速越快空化效應越弱[11] ，管線內介質流速快會降低超聲波在線去污的效果;

（4）超聲波對活化腐蝕沉積到管線內壁的松散沉積物有較好的去除效果，對通過離子交換或氧化膜結合形成的固定沉積物較難去除。

3 結語

超聲波在線去污裝置在核電廠的實際應用有其適用性和局限性。此類裝置對于空間結構較復雜、輻射熱點突出、金屬材質的部件，更能發揮其優勢。在使用超聲去污裝置時，需要綜合考慮工作環境、去污部件的特性、部件的輻射水平、人員防護等因素，在合理可行盡量低的輻射防護原則下充分發揮其優勢， 更好的為核電廠運維工作服務。