超聲波及磁攪拌輔助超臨界CO2清洗裝置研制

鄧景珊，程保良，陳思遠(yuǎn)，朱光偉，戴熒，胡德棟

（1.200233 上海市 國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司；2.250101 山東省 濟(jì)南市 山東奧諾能源科技股份有限公司；3.300199 江西省 南昌市 東華理工大學(xué)；4.266061 山東省 青島市 青島科技大學(xué)）

0 引言

核電站一些零部件往往會(huì)沉積放射性物質(zhì)，目前主要的清洗方式為基于化學(xué)溶液的超聲波清洗，化學(xué)清洗會(huì)產(chǎn)生大量的放射性液態(tài)，給后面的放射性水存儲(chǔ)和處理造成很多困難。超臨界CO2流體是指處于臨界壓力（7.38 MPa）和臨界溫度（31.1℃）以上的 CO2，有氣體的性質(zhì)，具有粘度低、表面張力小和對溶解對象的傳輸速率大等特點(diǎn)；同時(shí)，超臨界CO2流體具有液態(tài)CO2特性，密度與液態(tài)CO2相當(dāng),對材料表面的有機(jī)污物和一些無機(jī)污物具有較強(qiáng)的溶解能力[1-3]。可以利用超臨界CO2作為清洗的溶劑，加入適量的化學(xué)清洗劑（夾帶劑），一方面可以提高清洗效率，縮短清洗時(shí)間；另一方面，通過減低壓力和溫度，很容易將污垢與超臨界CO2流體分離，最后CO2以氣體的方式經(jīng)過濾器后排掉，產(chǎn)生的放射性廢物很少，實(shí)現(xiàn)放射性廢物的減量化[4-9]。為了進(jìn)一步提高清洗效率和潔凈度，可以在清洗釜上設(shè)計(jì)安裝超聲波振子和磁攪拌器[10-14]。

1 清洗裝置組成

所研制的超臨界CO2清洗裝置由磁攪拌清洗釜、常規(guī)清洗釜、第一級分離釜、第二級分離釜、高壓泵、冷水機(jī)、流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)、閥門、管路等組成。磁攪拌清洗釜與常規(guī)清洗釜為間歇式工作[1]，磁攪拌器清洗釜內(nèi)安裝有兩組棒式超聲波振盒，磁攪拌清洗釜和常規(guī)清洗釜的容積均為29 L。裝置的流程圖見圖1。

圖1 超臨界CO2清洗裝置流程圖Fig.1 Sketch of supercritical CO2cleaning device

將待清洗的零件放入清洗釜中，CO2由氣瓶出來，以氣態(tài)形式經(jīng)過過濾器，經(jīng)冷水機(jī)冷卻變成液態(tài)后存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐中，由高壓泵將液態(tài)CO2經(jīng)與夾帶劑混合后，進(jìn)入清洗釜（磁攪拌釜或常規(guī)清洗釜）。在清洗釜中，控制壓力和溫度高于臨界點(diǎn)，使CO2處于超臨界狀態(tài)，通過沖刷、浸泡和化學(xué)作用對零件進(jìn)行清洗。清洗后的CO2流體在第一分離釜中，完成CO2與污垢的分離，第二分離釜進(jìn)行再次分離。分離后的CO2流體返回到CO2氣瓶出口處，循環(huán)使用。

2 清洗裝置設(shè)計(jì)

清洗釜及分離釜作為超臨界CO2流體零部件清洗裝置中的關(guān)鍵設(shè)備都屬于承壓設(shè)備，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮其安全性，同時(shí)考慮到清洗釜及分離釜作為工業(yè)化清洗設(shè)備需要進(jìn)行頻繁開啟與關(guān)閉，因此在對清洗釜及分離釜進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需采用自/手動(dòng)快開結(jié)構(gòu)，在保證安全的前提下追求高效。

2.1 超聲波和磁攪拌輔助清洗釜設(shè)計(jì)

超聲波及磁力攪拌輔助清洗釜主要結(jié)構(gòu)包括磁力驅(qū)動(dòng)裝置、超聲波裝置、卡箍、上端蓋、筒體、下端蓋、保溫夾套、料框等，其裝配圖見圖2。

圖2 磁力攪拌清洗釜裝配圖Fig.2 Assembly drawing of magnetic stirring cleaning kettle

（1）上端蓋

考慮到磁力攪拌清洗釜在一次清洗過程中需要進(jìn)行將上端蓋開啟與關(guān)閉的工作，因此磁力攪拌清洗釜的上端蓋與筒體連接方式應(yīng)為快開結(jié)構(gòu)，磁力攪拌清洗釜的上端蓋與筒體連接方式為卡箍連接。磁力攪拌清洗釜的上端蓋設(shè)有安裝磁力驅(qū)動(dòng)裝置與超聲波裝置的開孔，磁力驅(qū)動(dòng)裝置的攪拌軸部分通過上端蓋伸入筒體內(nèi)部，磁力驅(qū)動(dòng)裝置與上端蓋采用法蘭盤固定，超聲波裝置振子部分通過上端蓋伸入筒體內(nèi)部，其余部分與上端蓋焊接固定。上端蓋外側(cè)采用與卡箍配合的結(jié)構(gòu)，下部有一部分伸入筒體且開有O 型圈槽以便與筒體形成徑向密封。

（2）筒體

磁力攪拌清洗釜的筒體部分設(shè)有超臨界CO2進(jìn)口與出口接管的開孔以及外接壓力表接管的開孔，磁力攪拌清洗釜的筒體外側(cè)包裹保溫夾套，保溫夾套的保溫介質(zhì)為水并設(shè)有水進(jìn)口和水出口。筒體端部采用與卡箍配合的結(jié)構(gòu)。

（3）卡箍

卡箍的作用是連接筒體與上端蓋，采用兩段式結(jié)構(gòu)，即將卡箍分成對稱的兩段并分別在兩段的端部安裝銷孔進(jìn)行緊固連接。

（4）其他結(jié)構(gòu)

磁力攪拌清洗釜的下端蓋與筒體采用焊接的方式連接，下端蓋開有與排污管線連接的孔；磁力攪拌清洗釜底部設(shè)有用于支撐磁力攪拌清洗釜的支架使之底部與地面留出一定空間，以便于安裝高壓管線及閥門。

根據(jù)GB 150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義，對磁攪拌清洗釜進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)、計(jì)算和強(qiáng)度校核。設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 磁攪拌清洗釜設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)Tab.1 Design and calculation parameters of magnetic stirring cleaning kettle

2.2 常規(guī)清洗釜設(shè)計(jì)

常規(guī)清洗釜相對磁力攪拌清洗釜內(nèi)徑較小，高度較高，目的是對某些細(xì)長且清洗要求不高的零部件進(jìn)行清洗。圖3 為常規(guī)清洗釜裝配圖。

圖3 普通清洗釜裝配圖Fig.3 Assembly drawing of common cleaning kettle

常規(guī)清洗釜包括卡箍、上端蓋、筒體、下端蓋、保溫夾套、接管等。上端蓋與筒體也采用快開結(jié)構(gòu)卡箍連接。上端蓋外側(cè)與筒體端部外側(cè)采用與卡箍配合的對稱結(jié)構(gòu)。上端蓋下部有凸出伸入至筒體內(nèi)部，凸出部分開有O 型圈槽。上端蓋與筒體采用密封方式為徑向自緊式密封。卡箍采用二段式并在每段末端設(shè)有銷孔。筒體上開有超臨界CO2進(jìn)出口和外接壓力表連接口，筒體被保溫夾套包裹，保溫夾套上開有保溫介質(zhì)進(jìn)出接口。下端蓋與筒體采用焊接方式連接。下端蓋底部開有排污孔。表2 為設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)。

表2 常規(guī)清洗釜設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)Tab.2 Design and calculation parameters of conventional cleaning kettle

2.3 分離釜設(shè)計(jì)

分離釜的作用是將清洗完成后的超臨界CO2流體降溫減壓，使其恢復(fù)到氣態(tài)。此時(shí)污垢從CO2流體中析出并在分離釜中收集，分離釜相對于清洗釜不需要頻繁的開啟與關(guān)閉，但也需要定期打開進(jìn)行清理，因此分離釜選用螺紋連接結(jié)構(gòu)。圖4 是分離釜結(jié)構(gòu)圖。

圖4 分離釜裝配圖Fig.4 Assembly drawing of separation kettle

分離釜包括螺紋壓環(huán)、筒體、下端蓋、保溫夾套、接管等。分離釜上端蓋與筒體采用螺紋連接。上端蓋包括堵頭和螺紋壓環(huán)兩部分，堵頭下部開有O 型圈槽。堵頭由筒體端部伸入筒體內(nèi)通過O 型圈與筒體組成徑向密封，螺紋壓環(huán)與堵頭配合，并于筒體端部采用螺紋連接，以便將堵頭與筒體形成軸向約束。分離釜筒體部分開有超臨界CO2進(jìn)出口和外接壓力表及泄壓管線接口，筒體被保溫夾套包裹，保溫夾套上開有保溫介質(zhì)進(jìn)出口。分離釜下端蓋與筒體采用連接方式為焊接，下端蓋底部開有排污口。表3 為分離釜設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算參數(shù)。

表3 分離釜設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)Tab.3 Design and calculation parameters of separation kettle

3 設(shè)備安裝調(diào)試

由南通鉑拓實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司根據(jù)超聲波及磁攪拌輔助超臨界CO2清洗裝置的設(shè)計(jì)圖紙，完成整套裝置的加工制造，實(shí)物圖見圖5。

圖5 超聲波及磁攪拌輔助超臨界CO2清洗裝置圖Fig.5 Ultrasonic-and-magnetic-stirring-assisted supercritical CO2cleaning device

該裝置在50℃、20 MPa 及攜帶劑加入量為100 mL 的條件下，對配制核污染試樣清洗55 min后，其α放射性去污率達(dá)到95%以上，γ和β放射性去污率達(dá)到90%以上。

4 結(jié)論

本文所研制的超臨界CO2清洗裝置具有兩個(gè)清洗釜：一個(gè)帶有超聲波和磁攪拌器，另一個(gè)為常規(guī)清洗釜。超聲波振子采用棒式振子，占用空間小，易于安裝。兩個(gè)清洗釜頂蓋皆為液壓驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)開啟和關(guān)閉功能。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)α放射性去污率達(dá)到95%以上，γ和β放射性去污率達(dá)到90%以上。該實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果為超臨界CO2清洗技術(shù)在核工業(yè)去污提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。