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 SHI Jian-ye

（核工業工程研究設計有限公司，北京 101300）

0 引言

鈉鉀液態金屬試驗回路自國內建成以來，已開展了一系列如導電、絕緣管道流的磁流體動力學、自由表面流體的MHD效應等基礎學科的研究，產出了一大批具有國際影響力的科研成果，為我國科技進步作出了很大的貢獻；但是隨著科學試驗裝置老化或更新換代，越來越多的鈉鉀液態金屬試驗回路裝置出現這樣或者那樣的問題，對原有試驗回路進行相應的升級或改造的要求迫在眉睫。如何安全可靠、針對性的拆除鈉鉀試驗回路管道及設備是當前各大研究院所在升級或改造過程中需解決的首要難題。

1 鈉鉀合金試驗回路工藝介質特點

鈉鉀液態金屬試驗回路工藝介質為鈉鉀合金，它自身具有特殊的化學性：屬于堿金屬，化學性質非常活潑，在潮濕的空氣中容易發生劇烈燃燒，遇水會發生劇烈反應并爆炸，其化學反應式如下：

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與空氣混合發生劇烈爆炸

鈉鉀合金在燃燒或爆炸過程中會產生的大量氣溶膠煙霧，不僅嚴重降低了事故現場的能見度，而且這些氧化物粉塵對人體的皮膚和普通衣料都有強烈的堿蝕灼傷作用，吸入呼吸道會嚴重損壞呼吸系統。所以在對科學實驗裝置進行升級改造過程中，應充分了解試驗回路工藝流程及其組成，熟悉其介質的危害性，才能針對性地制定出切實可行的技術方案，從而保證升級或改造工作順利和安全的開展。

2 鈉鉀液態金屬試驗回路拆除重難點

鈉鉀液態金屬試驗回路拆除過程中，對回路管道和容器內鈉鉀合金的安全可靠處理是回路拆除的一項重要工作。在查閱國內科研院所多年來對回路運行經驗的了解和掌握，充分認識和理解了鈉鉀合金化學性質的活潑性，試驗回路拆除前應做好鈉鉀處理詳細技術方案和應急處理方案，并做好以下三項重難點工作內容。

①前期準備工作：前期準備工作包括根據鈉鉀處理技術方案，設計并加工相關專用的部件；施工人員個人防護用品和專用工具的準備；施工人員的培訓和配合、協調工作；建立應急處理措施。②回路貯罐鈉鉀的處理：首先需對貯運罐進行清洗、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罐。少量、多次地將貯運罐內的鈉鉀液體與配制的專用液體進行化學反應，生成穩定的無害化合物后排放。③回路容器和管道鈉鉀的處理：試驗回路管道鈉鉀合金工質排空后，管道內部會有掛壁、殘留工質，殘留的鈉鉀多達幾千克。

3 可靠性方法工藝原理

鈉鉀液態金屬試驗回路管道拆除時，鈉鉀合金工質的保護和處理是重點，需解決：管道切割時，保證內部工質與空氣隔絕；避免管道切割過程產生高溫，控制切割濕度。我們通過實驗和研究，提出氬氣保護與液氮冷凍相結合的冷切割、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，通過氣相部分（氬氣）保護液相部分(鈉鉀合金)不與空氣接觸；通過液氮將管道急速冷凍，使內部液相部分變為固態，同時采用割管刀的冷切割方式避免切割瞬間產生高溫，最終實現管道成功分離，如圖1所示。

圖1 管道內部殘留鈉鉀合金溶液、切口及冷凍區域

該方法可以實現管道環切口底部無鈉鉀工質溢流和噴濺，實現管道切口處及管道內部鈉鉀工質與空氣隔絕；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，用醇類或水直接反應劇烈，危險性較高，可以通過采用飽和水蒸氣減小反應面積，并采用氬氣保護從而控制反應速度的方法，實現混合氣體與工質緩慢氧化，最終達到和平處理目的。

4 可靠性方法操作要求和實施步驟

4.1 操作要求

4.1.1 環境要求

管道切割、后處理施工應選在干燥的晴天進行，嚴禁在陰雨、大風天氣進行施工，空氣濕度應保證≤60%。施工場地布置做好科學、合理規劃，現場應無其它水源、無火源，并保持現場良好的通風條件。

4.1.2 氬氣保護要求

管道切割拆除時，應指派專人監控充氬氣壓力，保證回路供氣壓力在2-3kPa范圍，隨時監測氬氣瓶內的氬氣剩余氣量，保證氬氣瓶的氣量能完成一個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，需在車間提前制作，橡膠塞和盲板處有接管，帶有閥門（部分加壓力表）；使用時將其直接與管口對接，便于后續充氬保護，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 個人防護要求

管道切割時，施工人員需穿防火服、佩戴防護眼鏡、防護面罩、防護皮手套、防護靴，領口、袖口綁扎結實，褲口應套在防護靴外側，避免異物落入靴內。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，向防火毯內插入攝像頭以找準管道切口位置，施工人員通過觀察攝像頭相連的顯示屏幕進行施工操作。

4.1.5 管道運輸要求

待處理管道運輸應選擇干燥的晴天進行，嚴禁陰雨天氣操作；運輸之前需確認管道是否密封，是否有氬氣保護，若無保護或密封措施，嚴禁運輸；人工搬運管道，搬運過程至少需三人一同完成（一人監督，二人搬運），管道在搬運的過程中輕拿輕放，嚴禁碰撞管道；電瓶車運輸時，整個運輸過程也至少三人完成（一人駕駛、二人監督），嚴禁劇烈顛簸震動。電瓶車需有行駛證，電瓶車司機需駕駛證；運輸管道要與電瓶車體固定在一起，控制電瓶車車速，減少運輸過程中震動；管道運輸過程中，車箱內至少有兩人全程監護；管道裝卸車時需輕拿輕放，嚴禁搬運時產生劇烈震動。

4.2 管道切割實施步驟

管道切割主要是完成液氮冷凍、管道切割、封堵的過程，整段管道的切割拆除步驟圖見圖3。

圖3 鈉鉀管道切割步驟圖

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

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

4.3 管道后處理實施步驟

管道后處理主要是完成管道充氬氣、水蒸氣，混合氣體發生氧化反應，然后向管段內注水驗證的過程，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，打開預熱反應裝置閥門V1、調節閥門V2，供氣壓力保持在2-3kPa。待處理管道內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始控制反應速度。

圖5 鈉鉀管道處理裝置圖

預熱保溫管線和待處理管道，觀測點溫計示數待其達到90℃，緩慢打開帶處理管段膠塞處閥門，同時打開蒸汽鍋爐，使飽和水蒸氣與氬氣混合氣體進入管道，進行緩慢氧化。通過控制氬氣壓力和飽和蒸汽速度，調整混合氣體比例，從而調整與鈉鉀合金溶液的反應速率。

待裝置反應一段時間，側耳聽管道內部無聲音和用內窺鏡觀察其內部是否殘留鈉鉀未判斷反應完成的標準；若仍有可見鈉鉀合金殘留，則繼續用混合氣緩慢將其氧化；若無可見鈉鉀合金殘留，則關閉下部橡膠塞開關，向內部注滿水使內部鈉鉀充分反應；反應完全后，回收管道至安全區域；收集盤中的堿性廢液（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 質量措施

施工前，做好人員的培訓考核工作；施工人員和安全人員必須經過專業培訓且考核合格，焊接、吊裝、運輸等施工人員必須經資格評定合格持證上崗。同時，檢查確認所使用的機具及測量設備標定合格并在標定有效期；檢查核對現場消防器材、防護用品的標識是否有效。施工過程中認真記錄環境溫濕度、記錄氬氣氣瓶出口壓力數值；對拆除管段及設備進行標號，嚴格按照拆除操作規程順序開展拆除工作，并做好記錄；拆除后的管段及設備嚴格按照拆除操作規程做好封堵保護。

5.2 安全措施

施工拆除前應規定建立施工作業控制區，施工現場配備專職安全員負責安全監督，嚴格管控進出人員，并做好登記記錄；施工現場設置安全隔離區，拉警戒線、掛警示牌，張貼安全告示，并根據現場實際情況布置石墨滅火器和消防器材。施工作業應按相關要求辦理作業票據，并保證后續作業中票據在有效期內；施工人員必須自覺遵守各項安全規章制度及操作規程，嚴格按照拆除方案及操作規程進行施工；進入施工現場的人員必須正確穿戴好勞動保護用品，佩戴安全帽必須系好下頜帶，安全帶在使用時應高掛低用，安全帶不得打結使用。吊裝作業，必須核實吊車起吊能力和設備重量，不得超負荷起吊，吊裝時起重臂下嚴禁站人。每日做到安全早班會的安全技術交底，并留存記錄；對施工現場每日安全動態巡檢不少于兩次，做好配電柜、配電箱的檢查，對安全隱患及時提出并整改；若發生安全事故，要采取應急措施并及時向有關部門匯報。

5.3 環境保護

施工期應按照《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》和《建筑施工場界噪聲限制》來安排施工方式和施工時間，降低施工噪聲、減少振動，降低對周邊生態環境的影響。加強施工現場噪聲、廢水、廢氣的監控工作，及時采取措施降低噪聲、廢氣和廢水的污染，做到無污染施工。施工垃圾必須采取有效合理的處理措施，采用封閉式臨時專用垃圾道或者采用編織袋分類收集施工垃圾，應該集中堆放，并且及時清理，嚴禁亂扔亂放。拆除過程中產生的鈉鉀合金廢液及管道容器內鈉鉀合金廢液應分別存儲，待后續統一處理；處理后的廢液（氫氧化鈉、氫氧化鉀）應統一交由具有資質的廢液公司回收處理。

5.4 應急處理

可能發生的鈉鉀事故主要有：飛濺、泄漏、火災（爆炸）等三大類。針對事故不同類型，應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、轉移和收集等。當確認發生鈉鉀事故時，現場人員必須保持冷靜，在保證安全的情況下，采取相應的措施降低泄漏率、切斷泄漏源。對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意外溢出著火，應命令現場作業人員利用現場手動滅火裝置進行撲滅，然后迅速撤離現場，并關閉事故房間房門。嚴禁在堿金屬火災事故發生時，使用水、二氧化碳、鹵代烷、泡沫滅火劑及普通干粉滅火劑?？刹扇〉臏缁鸫胧旱獨庋蜎]、固定式膨脹石墨滅火劑噴撒、推車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、干砂。在堿金屬火災得到控制或熄滅后，應及時注意現場的通風降溫，同時注意避免因通風過快而引起滅火劑保護層的破壞，發生二次燃燒。禁止用裸露水流進行降溫，以免不慎造成堿金屬與水的直接接觸，發生爆炸等意外事故?；馂膿錅绾?，仍然要派人監護現場，消滅余火。

堿金屬火災燒傷人員的急救處理步驟如下：①盡快撤離發生事故的房間；②小心地脫去燒壞的衣服（必要時撕開）；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的金屬塊從表皮除去；④當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及時請醫生后期處理。

當堿金屬落入眼睛時，處理步驟如下：①用紗布團取出眼睛中的金屬小塊；②滴入數滴0.4%鹽酸奧布卡因溶液；③過1-2分鐘后，用水流充分沖洗，應用水流從眼睛的外角（太陽穴）向內（至鼻子）清洗；④再滴入數滴氧氟沙星滴眼液；⑤用紗布包扎；⑥及時將傷員送至醫院。

6 應用案例及效益分析

2019年9月應用此方法，順利完成了某研究院鈉鉀合金傳熱試驗回路的拆除及后處理工作，該回路是國內首個以鈉鉀合金為工質的高溫液態金屬傳熱試驗回路，試驗回路拆除范圍包括除鋼結構、氣路緩沖器、起泡器、分子篩外的所有設備和管道，如存儲罐、膨脹罐兼冷卻器、量筒、冷阱、加熱器、管道、閥門、儀表、線纜、托盤，及其它附加設備如容變器、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，全程在氬氣保護下安全拆除，在堿金屬（鈉鉀合金）試驗回路拆除中具有開創性，能為后續國內堿金屬試驗回路的拆除工作提供參考與借鑒。通過對拆除人員的每一步操作進行規范、編制拆除操作規程及方案可行性分析，整個拆除工作處于規范化、標準化、高效化的狀態。具有安全可控、便于施工、靈活高效的特點，便于推廣，實用性強。

7 結論

鈉鉀合金試驗回路拆除采用氬氣保護與液氮冷凍相結合的冷切割方法、氬氣與飽和水蒸汽混合氣緩慢氧化的后處理可靠性方法，從系統完成性、氣體保護有效性、鈉鉀合金收集等多方面充分考慮，保證了拆除順序的科學合理，安全可控。該方法對常規的施工方法進行了創新、細化，可執行性強。對鈉鉀設備的每種操作制定安全防護要求和操作順序，對堿金屬火災、燙傷等可能出現的緊急情況制定專門的處理措施，值得類似科研項目或工程項目推廣使用。