超声波清洗的相关应用知识介绍

本文简单介绍了核工业设备去污过程中常用的清洗方法，详细叙述了超声波清洗的原理及在核工业设备去污中的应用，并着重分析了老化柜超声波去污存在的问题。通过建立试验模型，探讨了清洗时间、清洗温度和超声波功率密度对清洗效果的影响，展望了核设备超声波清洗的前景和研究方向。

　　　核电站在经过一个运行周期后，在电站进行停堆换料其间将对部分重要设备和部件进行检查和维修，包括反应堆冷却剂泵的叶轮、导叶、密封件，反应堆压力容器和反应堆冷却剂泵的主螺栓、螺母等。由于被放射性污染，在去污前，检修人员无法直接这些设施和设备内进行检修。

　　随着我国早期建设和服役核设施已或将进入退役期，这些退役核设施中受放射性污染的设备和部件，如果简单处置，会对环境和后代产生的影响。

　　1核去污概述

　　核设施中设备和部件所受的污染多种多样，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。为了避免这些放射性元素扩散并危害人体，在核电站等核工业领域中必须对受到放射性污染的工件进行清洗处理，使其辐射强度降至zui低，以达到使人或环境能接受的放射性水平，并提高资源利用率。这个过程称为"核去污"[1]。 核去污在核工业各单位特别是核电站的正常运行维护中具有十分重要的意义。

　　2国内外现状

　　核去污是一门跨多学科的技术，由于去污程度各不相同，从而要求去污技术多样化，以便能对付复杂多样的放射性污染。选择去污技术时，必须考虑下列事项：1）去污的效率；2）设施设备在去污后的完整性；3）废物处理；4）二次污染；5）经济性。目前主流的去污技术有三类：1）化学去污法；2）电化学去污法；3）机械（物理）去污法[2]。 化学去污法采用的主要方法是通过把构成放射性核素的载体的金属氧化物结晶晶粒溶解或剥离而除去放射性污染。化学去污法适宜于对反应堆一回路那样的含有坚固污染物的庞大且复杂的系统进行去污，但是化学去污剂引起的腐蚀和大量去污废液的处理也是一大难题。电化学法是利用电解抛光的原理溶解极薄一层金属表面，使工件表面变平滑而达到去除放射性物质的效果，其去污效果要比化学去污法要好，但对母材的腐蚀较大。化学法和电化学法现在普遍应用于现在的当今世界的核电站中。我国核电站数量较少，大部分采用的化学去污法。化学法去污，放射性危害极大，严重影响了技术人员的健康，而且易损伤物件表面，耗时长，废水量大，总的来说去污效果都不很令人满意。随着技术的进步，这些方法将逐步淘汰。

　　机械（物理）去污方法主要有喷射水去污法，喷丸处理和超声波去污三种[3]。 喷射水去污法是利用高压水流冲洗部件表面，带走工件表面的污染物。喷丸处理是将带有砂粒或细钢珠的载体，喷射到工件表面，达到去污的效果。这两种方法主要用于一些结构比较简单的大型器件的清洗。超声波去污适用于一些具有复杂结构的部件的清洗，如反应堆冷却过滤器滤孔、换料水池池壁、管道附着腐蚀物、反应堆部件、燃料组件、检修热车间、各种零部件及工具等。

　　3超声波去污原理及特点

　　超声波是指大于20kHz的声波，是一种交变声压，超声波在液体中传播时能使液体出现稀疏状态和密集状态，在密集状态区，液体承受正压力，而在稀疏状态区则承受拉力，在拉力集中的地方会形成空穴。空穴不断地产后和闭合、消失，在空穴的周围立即出现高达数百个大气压的巨大压力，伴随着强大的冲击波，对放射性污染的工件表面产生清洗作用，使放射性污染物从工件表面上被剥离。超声波具有衍射、透射、绕射的特点，故表面复杂工件的放射性污垢也能清除干净，对盲孔、缝隙以及一般难以清洗的地方都可以清洗的非常干净，同时由于空化泡的直径仅为几个微米数量级，所以在去污过程中不会对工件表面造成任何可以察觉的损伤[4] 。

　　超声波用于核去污，将化学法或电化学法耗时十几天或几十天的去污缩短到十几或几十分钟，大大提高了去污的效率，同时由于超声波产生的空化泡只有几个微米，对工件表面不会产生破坏，*保护了设备在去污后高温高湿试验箱的完整性。由于超声波去污实现了装置化，清洗的溶液经过滤循环系统过滤，这样对废物处理的难度大大降低。另外超声波去污法和超声波去污装置易于实现遥控操作与自动化，节省了劳力，并使操作技术人员远离放射性物质，大大降低了受照剂量。从20世纪90年代开始，日本、美国至今已有一半的核电站以的核设备洗涤剂作介质，采用超声波清洗方法对核设备去污。超声波清洗方法是一种相当好的核去污技术，具有清洗效果好、效率高、废水量少、易控制并且对工件母体无损害等优点，正越来越受到重视。

　　4超声波去污试验

　　虽然超声波清洗被应用于一般工业清洗中已超过半个世纪，在这些领域已经积累丰富的经验，但核去污有其特殊性，如*照搬一般工业清洗方面技术，失败的可能性100%，因此必须了解核去污的性质，对核设备用超声波去污系统进行专门的研究，并在实践中运行检验，才能达到核去污的要求。

　　尽管我国已仿制出超声波核去污设备，但如何对其清洗参数的确定，以及这些参数对清洗效果的影响还缺乏研究。一般认为影响清洗效果主要取决于三个因素：1）超声波的频率和振幅；2）介质的物理属性，包括蒸汽压，表面张力，密度和粘度等；3）液体的流变状态，静止，紊流或层流。

　　与上述因素有关的超声波设备参数有超声波频率，功率密度，清洗温度、时间，根据这些设备参数，可以按照三水平四因素设计正交试验L 9（34 ）。

　　我公司应国内某核电站的要求，开发核设备超声波去污箱。为了对核设备的污染物清洗有正确的了解，我们对该核电站提供的试样做了去污试验，并对试验结果进行了初步分析。超声波清洗机是HW单槽系列超声波清洗机，清洗机具备电加热功能和定时功能，槽体材质为耐酸碱腐蚀的恒温老化房不锈钢材料SUS316L。由于本次试验仅仅为了探索超声波去污设备参数对去污效果的影响，为了简化试验，忽略清洗液化学物理特性对本次试验的影响，所以清洗液采用同一种国内应用较广的设备表面核污染清洗剂（KD-128B型清洗剂），配以70%的除盐水。清洗试验在密闭的环境下进行。清洗之前，先将试样编号，并采用美国Victoreen-190辐射测量仪分别测得试样的表面平均辐射剂量率，然后按表1给定条件进行去污试验，清洗后用除盐水漂洗两次，zui后在分别测得试样去污后的平均辐射剂量率。试验数据见表1。

　　表1 超声波参数对核设备去污效果的影响 试验号 超声频率（KHz） 清洗时间

　　（H） 清洗温度

　　（℃） 功率密度

　　（W/L） 辐射当量剂量率

　　（mSv/h） 去污因数 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 三次去除系数之和 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 表中去污因数是指放射性物质污染初始辐射剂量率与去污处理后辐射剂量率的比值。去污因数越高，说明清洗效果越好。三次去除因数之和是指在同一条件下，三次实验结果即去污因数之和。

　　由于在实际应用中，核污染的情况和核设备本身结构都相当复杂，采用单一频率的超声波设备，去污过程中，往往会产生"驻波"，从而形成清洗死区，对核设备部件的盲孔、凹槽等很难清洗到位，影响清洗效果。因此国内步入式试验室外核去污超声设备都采用高中低复合频率以避免产生驻波引起的清洗死区，以提高清洗效果，同时超声波换能器采用振盒式结构安装在较大结构的封闭箱体中，这样也便于去污箱的维修。所以在这里，我们不讨论频率对清洗效果的趋势影响。

　　由上表，我们作出功率密度，清洗温度，清洗时间对去污因数的影响趋势图（见图1）。

　　图1 去污因数影响趋势图

　　5分析与结论

　　由图1 可以看出，清洗时间在60小时冷热冲击箱至80小时之间时，去污因数随清洗时间增加明显，超过80小时后，去污因数几乎不再增加。

　　清洗温度在80℃至95℃之间时，去污因数随清洗温度增加明显，低于80℃时，去污因数几乎不变化。

　　功率密度在8w/l至10w/l 之间时，去污因数随功率密度增加明显，功率密度超过10w/l 时，去污因数几乎不变化。

　　根据上述分析，从经济性的角度，我们可以得出这样的结论：清洗时间在80小时，清洗温度在95℃，功率密度在10w/l的情况下，清洗效果较好，去污经济性*。

　　6结束语

　　本文通过试验结果，初步探讨了核设备去污箱的超声波参数和去污效果之间的关系。由于核污染的多样性和复杂性，大多数超声波核去污设备是带有循环过滤的复杂系统，因此还需要探讨清洗液的高温老化房流变性（液体的流速，流量和流向）对清洗效果的影响，以及化学清洗剂的理化性质（表面张力，表面蒸汽压，密度和粘度）对清洗效果的影响。随着国家推行拉动内需的政策，国内核电形势蓬勃发展，超声波核去污设备也会得到越来越多地应用，对核设备去污的理论研究也必将进一步加深。