超聲波清洗的相關應用知識介紹

本文簡單介紹了核工業設備去污過程中常用的清洗方法，詳細敘述了超聲波清洗的原理及在核工業設備去污中的應用，并著重分析了老化柜超聲波去污存在的問題。通過建立試驗模型，探討了清洗時間、清洗溫度和超聲波功率密度對清洗效果的影響，展望了核設備超聲波清洗的前景和研究方向。

　　　核電站在經過一個運行周期后，在電站進行停堆換料其間將對部分重要設備和部件進行檢查和維修，包括反應堆冷卻劑泵的葉輪、導葉、密封件，反應堆壓力容器和反應堆冷卻劑泵的主螺栓、螺母等。由于被放射性污染，在去污前，檢修人員無法直接這些設施和設備內進行檢修。

　　隨著我國早期建設和服役核設施已或將進入退役期，這些退役核設施中受放射性污染的設備和部件，如果簡單處置，會對環境和后代產生的影響。

　　1核去污概述

　　核設施中設備和部件所受的污染多種多樣，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。為了避免這些放射性元素擴散并危害人體，在核電站等核工業領域中必須對受到放射性污染的工件進行清洗處理，使其輻射強度降至zui低，以達到使人或環境能接受的放射性水平，并提高資源利用率。這個過程稱為"核去污"[1]。 核去污在核工業各單位特別是核電站的正常運行維護中具有十分重要的意義。

　　2國內外現狀

　　核去污是一門跨多學科的技術，由于去污程度各不相同，從而要求去污技術多樣化，以便能對付復雜多樣的放射性污染。選擇去污技術時，必須考慮下列事項：1）去污的效率；2）設施設備在去污后的完整性；3）廢物處理；4）二次污染；5）經濟性。目前主流的去污技術有三類：1）化學去污法；2）電化學去污法；3）機械（物理）去污法[2]。 化學去污法采用的主要方法是通過把構成放射性核素的載體的金屬氧化物結晶晶粒溶解或剝離而除去放射性污染?；瘜W去污法適宜于對反應堆一回路那樣的含有堅固污染物的龐大且復雜的系統進行去污，但是化學去污劑引起的腐蝕和大量去污廢液的處理也是一大難題。電化學法是利用電解拋光的原理溶解極薄一層金屬表面，使工件表面變平滑而達到去除放射性物質的效果，其去污效果要比化學去污法要好，但對母材的腐蝕較大?；瘜W法和電化學法現在普遍應用于現在的當今世界的核電站中。我國核電站數量較少，大部分采用的化學去污法?；瘜W法去污，放射性危害極大，嚴重影響了技術人員的健康，而且易損傷物件表面，耗時長，廢水量大，總的來說去污效果都不很令人滿意。隨著技術的進步，這些方法將逐步淘汰。

　　機械（物理）去污方法主要有噴射水去污法，噴丸處理和超聲波去污三種[3]。 噴射水去污法是利用高壓水流沖洗部件表面，帶走工件表面的污染物。噴丸處理是將帶有砂?；蚣氫撝榈妮d體，噴射到工件表面，達到去污的效果。這兩種方法主要用于一些結構比較簡單的大型器件的清洗。超聲波去污適用于一些具有復雜結構的部件的清洗，如反應堆冷卻過濾器濾孔、換料水池池壁、管道附著腐蝕物、反應堆部件、燃料組件、檢修熱車間、各種零部件及工具等。

　　3超聲波去污原理及特點

　　超聲波是指大于20kHz的聲波，是一種交變聲壓，超聲波在液體中傳播時能使液體出現稀疏狀態和密集狀態，在密集狀態區，液體承受正壓力，而在稀疏狀態區則承受拉力，在拉力集中的地方會形成空穴?？昭ú粩嗟禺a后和閉合、消失，在空穴的周圍立即出現高達數百個大氣壓的巨大壓力，伴隨著強大的沖擊波，對放射性污染的工件表面產生清洗作用，使放射性污染物從工件表面上被剝離。超聲波具有衍射、透射、繞射的特點，故表面復雜工件的放射性污垢也能清除干凈，對盲孔、縫隙以及一般難以清洗的地方都可以清洗的非常干凈，同時由于空化泡的直徑僅為幾個微米數量級，所以在去污過程中不會對工件表面造成任何可以察覺的損傷[4] 。

　　超聲波用于核去污，將化學法或電化學法耗時十幾天或幾十天的去污縮短到十幾或幾十分鐘，大大提高了去污的效率，同時由于超聲波產生的空化泡只有幾個微米，對工件表面不會產生破壞，*保護了設備在去污后高溫高濕試驗箱的完整性。由于超聲波去污實現了裝置化，清洗的溶液經過濾循環系統過濾，這樣對廢物處理的難度大大降低。另外超聲波去污法和超聲波去污裝置易于實現遙控操作與自動化，節省了勞力，并使操作技術人員遠離放射性物質，大大降低了受照劑量。從20世紀90年代開始，日本、美國至今已有一半的核電站以的核設備洗滌劑作介質，采用超聲波清洗方法對核設備去污。超聲波清洗方法是一種相當好的核去污技術，具有清洗效果好、效率高、廢水量少、易控制并且對工件母體無損害等優點，正越來越受到重視。

　　4超聲波去污試驗

　　雖然超聲波清洗被應用于一般工業清洗中已超過半個世紀，在這些領域已經積累豐富的經驗，但核去污有其特殊性，如*照搬一般工業清洗方面技術，失敗的可能性100%，因此必須了解核去污的性質，對核設備用超聲波去污系統進行專門的研究，并在實踐中運行檢驗，才能達到核去污的要求。

　　盡管我國已仿制出超聲波核去污設備，但如何對其清洗參數的確定，以及這些參數對清洗效果的影響還缺乏研究。一般認為影響清洗效果主要取決于三個因素：1）超聲波的頻率和振幅；2）介質的物理屬性，包括蒸汽壓，表面張力，密度和粘度等；3）液體的流變狀態，靜止，紊流或層流。

　　與上述因素有關的超聲波設備參數有超聲波頻率，功率密度，清洗溫度、時間，根據這些設備參數，可以按照三水平四因素設計正交試驗L 9（34 ）。

　　我公司應國內某核電站的要求，開發核設備超聲波去污箱。為了對核設備的污染物清洗有正確的了解，我們對該核電站提供的試樣做了去污試驗，并對試驗結果進行了初步分析。超聲波清洗機是HW單槽系列超聲波清洗機，清洗機具備電加熱功能和定時功能，槽體材質為耐酸堿腐蝕的恒溫老化房不銹鋼材料SUS316L。由于本次試驗僅僅為了探索超聲波去污設備參數對去污效果的影響，為了簡化試驗，忽略清洗液化學物理特性對本次試驗的影響，所以清洗液采用同一種國內應用較廣的設備表面核污染清洗劑（KD-128B型清洗劑），配以70%的除鹽水。清洗試驗在密閉的環境下進行。清洗之前，先將試樣編號，并采用美國Victoreen-190輻射測量儀分別測得試樣的表面平均輻射劑量率，然后按表1給定條件進行去污試驗，清洗后用除鹽水漂洗兩次，zui后在分別測得試樣去污后的平均輻射劑量率。試驗數據見表1。

　　表1 超聲波參數對核設備去污效果的影響 試驗號 超聲頻率（KHz） 清洗時間

　?。℉） 清洗溫度

　?。ā妫?功率密度

　?。╓/L） 輻射當量劑量率

　?。╩Sv/h） 去污因數 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 三次去除系數之和 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 表中去污因數是指放射性物質污染初始輻射劑量率與去污處理后輻射劑量率的比值。去污因數越高，說明清洗效果越好。三次去除因數之和是指在同一條件下，三次實驗結果即去污因數之和。

　　由于在實際應用中，核污染的情況和核設備本身結構都相當復雜，采用單一頻率的超聲波設備，去污過程中，往往會產生"駐波"，從而形成清洗死區，對核設備部件的盲孔、凹槽等很難清洗到位，影響清洗效果。因此國內步入式試驗室外核去污超聲設備都采用高中低復合頻率以避免產生駐波引起的清洗死區，以提高清洗效果，同時超聲波換能器采用振盒式結構安裝在較大結構的封閉箱體中，這樣也便于去污箱的維修。所以在這里，我們不討論頻率對清洗效果的趨勢影響。

　　由上表，我們作出功率密度，清洗溫度，清洗時間對去污因數的影響趨勢圖（見圖1）。

　　圖1 去污因數影響趨勢圖

　　5分析與結論

　　由圖1 可以看出，清洗時間在60小時冷熱沖擊箱至80小時之間時，去污因數隨清洗時間增加明顯，超過80小時后，去污因數幾乎不再增加。

　　清洗溫度在80℃至95℃之間時，去污因數隨清洗溫度增加明顯，低于80℃時，去污因數幾乎不變化。

　　功率密度在8w/l至10w/l 之間時，去污因數隨功率密度增加明顯，功率密度超過10w/l 時，去污因數幾乎不變化。

　　根據上述分析，從經濟性的角度，我們可以得出這樣的結論：清洗時間在80小時，清洗溫度在95℃，功率密度在10w/l的情況下，清洗效果較好，去污經濟性*。

　　6結束語

　　本文通過試驗結果，初步探討了核設備去污箱的超聲波參數和去污效果之間的關系。由于核污染的多樣性和復雜性，大多數超聲波核去污設備是帶有循環過濾的復雜系統，因此還需要探討清洗液的高溫老化房流變性（液體的流速，流量和流向）對清洗效果的影響，以及化學清洗劑的理化性質（表面張力，表面蒸汽壓，密度和粘度）對清洗效果的影響。隨著國家推行拉動內需的政策，國內核電形勢蓬勃發展，超聲波核去污設備也會得到越來越多地應用，對核設備去污的理論研究也必將進一步加深。