CN103182389B - 一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，它包括以下步骤：(1)对换热器的传热管进行物理清洗；(2)化学清洗；(3)采用钝化剂进行钝化处理。该发明提供了一种清洗效果好，清洗效率高，降低清洗成本，防止换热器腐蚀生锈，能够减少清洗过程中对工作人员和环境危害的反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺。

Description

一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺

技术领域

本发明涉及反应堆工程技术领域，特别涉及一种游泳池式反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺。

背景技术

游泳池式反应堆简称49-2反应堆，该反应堆的换热器共有两台，其作用是：49-2反应堆运行时，一回路冷却水导出堆芯产生的热量，通过换热器把热量传递给二回路冷却水，以此循环往复的循环换热，实现堆芯的持续冷却。因此这两台换热器是49-2反应堆冷却系统交换热量、保证堆芯充分冷却和安全运行的重要设备。

两台换热器全为不锈钢材质，卧式平放，固定管板列管式结构。两台换热器分别有1224根和1054根传热管，传热管型号一致，均为外径22mm、壁厚2mm、长3m的不锈钢管。运行时，一次冷却水在传热管外侧运行(壳程)，二次冷却水在传热管内运行(管程)。

49-2反应堆一次水冷却系统属于封闭式循环冷却系统。一次冷却水使用的是经过严格处理过的去离子水，水的电导率始终小于2μs/cm，因此一次水冷却系统中不会产生结垢现象，即换热器壳程不结垢。

49-2反应堆二次水冷却系统属于敞开式循环冷却系统。此系统中，冷却水会在换热器的传热部分产生沉积物沉积和结垢现象。沉积物的来源主要有三种：

①由补充水带入的无机盐类，由以下两种原因，在冷却水中析出而附着在传热管表面而形成水垢：

a.运行过程中，冷却水被蒸发浓缩，使一些无机盐的浓度超过其溶解度，并在传热管表面上析出无机盐垢。例如，硫酸钙垢、硅酸镁垢等；

b.冷却水中含有碳酸氢钙，在经过传热管壁时受热分解，放出二氧化碳，生成溶解度很小的碳酸钙垢。

②补充水带入的固体悬浮物(泥沙、尘土和冷却水在冷却塔内从空气中洗涤下来的尘埃)在冷却水运行到传热管时，由于流速降慢而沉降为淤泥。

③补充水或空气中带入的微生物在冷却水中繁殖后形成的微生物黏泥。

49-2反应堆两台主换热器传热管的材质是321不锈钢，这种材料的导热系数为23.26W/(m·K)；传热管内最主要的两种沉积物，碳酸盐垢和泥污的导热系数分别为0.464-0.697W/(m·K)和0.117W/(m·K)，分别仅为321不锈钢导热系数的3％和0.5％左右。因此传热管内附着的沉积物将大大降低换热器的传热能力。

沉积物还会使换热器中冷却水通道的截面变小，从而导致冷却水的流量降低，使换热器的换热能力进一步降低。

沉积物覆盖于传热管表面，为金属材料的垢下腐蚀创造了充分条件，垢下腐蚀会使传热管产生点腐蚀或穿孔腐蚀，发生这种情况会导致一次冷却水泄漏。

为了提高换热器的传热能力，防止设备金属材料腐蚀，因此要对换热器的管程进行定期清洗。49-2反应堆每满功率运行120天左右，就需要对一回路换热器的传热管进行一次清除。

现行的换热器沉积物清洗方法主要有物理清洗法和化学清洗法。物理清洗法是指通过物理的或机械的方法对设备进行清洗的一大类清洗方法。常用的物理清洗方法有：捅刷、吹气、刮管器清洗、胶球清洗等。不同物理清洗设备的清洗效果不同，且设备通用性较差，一种设备只能针对一种或几种结构的换热器进行清洗。化学清洗是通过化学药剂的作用使被清洗设备中的沉积物溶解、疏松、脱落或剥离的一大类清洗方法。这两大类方法通常配合或交替使用。

从七十年代起，49-2反应堆就开始采用化学清洗方法清洗换热器。化学清洗是通过化学药剂使传热管中的沉积物溶解、疏松、脱落或剥离的一种清洗方法。49-2反应堆采用的化学清洗剂一直是硝酸。

浓硝酸是一种强氧化性酸，化学清洗使用的是经过稀释后的稀硝酸。稀硝酸清洗液可以去除传热管内的腐蚀产物和碳酸盐水垢。在稀硝酸清洗液中加入缓释剂，可使清洗剂对不锈钢传热管的腐蚀速度变为极低。清洗时，硝酸与水垢发生化学反应，生成易溶于水的钙、镁硝酸盐而把水垢清洗掉。用稀硝酸加缓释剂清洗换热器的方法，属于停车后单台设备的循环式酸清洗方法。

因受老式清洗设备条件的限制，无法一次同时清洗两台换热器，只能对两台换热器进行分次清洗，这增加了换热器清洗的时间。

清洗过程采用循环酸洗液方法：将清洗液储存槽和换热器之间连接上循环泵和管道，形成一个闭合回路，使清洗液不断循环，沉积物在不断受到新鲜清洗液的化学作用和冲刷作用下溶解或脱落，达到去除沉积物的作用。

硝酸清洗方法主要存在以下三点缺点：

①水垢清除效率低

传热管上的沉积物主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。硝酸清洗液只能和水垢反应，无法和其它沉积物反应，即无法清除淤泥、腐蚀产物和生物沉积物；并且当换热器传热管被污垢完全堵塞后，清洗液就无法流通过整个传热管。清洗液无法清除堵塞部位后的沉积物，造成换热器清洗不彻底，减少了换热器清洗完后的最大运行时间，增加了检修次数和运行成本。

②清洗过程危险

在稀释硝酸过程中，会挥发大量含酸气体，污染工作场所环境，严重危害工作人员呼吸系统健康；并且稀释过程中，会产生硝酸液体飞溅，操作危险不安全。

③浪费化学药剂

清洗完成后的废酸液，仍含有较高的酸性，无法直接排放，需用额外的弱碱进行中和，操作繁琐，增大了工作量。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种清洗效果好，清洗效率高，降低清洗成本，防止换热器腐蚀生锈，能够减少清洗过程中对工作人员和环境危害的反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，关键在于，它包括以下步骤：(1)对换热器的传热管进行物理清洗；(2)化学清洗；(3)采用钝化剂进行钝化处理。

所述步骤(2)中的化学清洗的洗涤剂为氨基磺酸溶液。

所述步骤(2)中采用氨基磺酸化学清洗时，清洗液的温度≤80℃。清洗液的温度优选采用50℃～60℃。

所述步骤(1)的物理清洗为利用专用工具对换热器中的传热管进行清洗，该专用工具的结构分钻头、钻杆、电锤三部分，钻头焊接在钻杆上，钻杆尾部用于安装于电锤中，随电锤运动，其中钻头两侧无副刃带，钻头的直径小于钻杆的直径的。

在步骤(1)物理清洗前、步骤(2)化学清洗后、步骤(3)钝化剂钝化处理后分别进行清水冲洗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在化学清洗前，先进行了物理清洗步骤，利用专用的清洗工具可以在确保换热器中传热管不受损伤的情况下，打通每一根被污垢堵塞的换热管，使之后的化学清洗可以到传热管的全部部分，这将大大提高化学清洗效率。

(2)在化学清洗完后，进行钝化处理，避免了换热器化学清洗完毕后，金属表面处于活化状态而产生的腐蚀生锈状况。

(3)在化学清洗步骤中，化学洗涤剂为氨基磺酸，氨基磺酸的储存、运输和使用都非常安全，它可以大大降低化学清洗时对工作人员身体和周围环境的危害。

(4)工艺中产生的酸性的酸洗废液可以和碱性的钝化溶液进行中和反应，处理工艺产生的废溶液时，不用再使用新的化学药剂，合理利用废液降低了清洗成本。

附图说明

图1清洗工艺的流程图

图2化学清洗的工艺流程图

图3专用工具的结构示意图

图4换热器清洗完成后的总传热系数对比图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，本实施例是以游泳池式反应堆的换热器为例，具体工艺流程如图1所示，首先将全部换热器的传热管用清水清洗一遍，然后用专用工具对传热管内壁进行物理清洗，使每一根传热管都没有污垢堵塞，处于完全通畅的状态，物理清洗完毕后用洗涤剂进行化学清洗，之后用水冲洗完传热管内残存的酸洗液后，用钝化剂对传热管进行钝化处理，将化学清洗废液和钝化废液进行中和处理，然后达标排放，最后用清水冲洗一遍换热器，清洗工作完成。

该工艺具体清洗过程如下：

(1)物理清洗

物理清洗是指利用专门研制的机械除垢工具疏通传热管内堵塞的淤泥和水垢的方法。该专用工具如图3所示，它主要由三部分组成，第一部分为市场上常规使用的电锤，第二部分为钻杆，钻杆为螺纹钢材质，钻杆的尾部连接在电锤上，并随着电锤旋转和移动，第三部分为钻头，钻头焊接在钻杆端部。其中钻头两侧无副刃带，钻头的直径小于钻杆的直径。

物理清洗传热管时，将电锤速度调为最低档，运行方式选择为锤加钻档，将前方钻头深入到传热管内的堵塞部分，然后用外部水源不间断的向该根传热管内部进行冲水，之后开启电锤，让电锤向前移动，直至传热管堵塞部分被全部打通。

电锤工作时选择锤加钻档，锤的作用使钻杆产生纵向运动，用于打穿传热管内的淤泥和软垢；钻的作用使钻杆产生缓慢的匀速转动，利用钻头排屑槽和螺纹钢本身的螺纹，再加上向传热管内不断的冲水，可以使淤泥和软垢在脱落后，附着在钻杆的外部槽内，通过旋转不断的排出管外，使管内堵塞物不断减少。通过实践证明，使用该专用工具可以非常容易打通被堵塞的传热管。

不损伤传热管是清洗换热器的首要要求。通过以下分析可以证明使用机械除垢工具时不会对传热管造成损伤。钻杆对传热管可能造成的损伤，主要来源于钻头部分和螺纹钢部分。加工时选择直径小于钻杆直径的低硬度钻头，并将其两侧副刃带全部磨掉，没有副刃带的钻头在清理传热管时，无法对管子内壁形成切削，并且其直径小于螺纹钢直径，在清洗时，钻头是无法接触到传热管内壁的，它只能向前打通堵塞部分，无法损伤传热管；本实施例中钻杆的直径小于管子内径2mm，它和管子之间有垢层，无法直接摩擦到管子内壁，并且因为传热管为不锈钢材质，其硬度要大于螺纹钢材质的硬度，所以在两者发生摩擦时，也只会磨损螺纹钢表面，其也是无法对传热管内壁造成损伤的。

(2)化学清洗

本实施例中化学清洗方法是使用氨基磺酸加缓蚀剂的混合溶液对两台串连的换热器进行循环清洗。

清洗时，将两台换热器、酸洗泵和酸洗槽串联起来，检查系统密封完好后，将酸洗剂注入到酸洗槽中，开启酸洗泵对换热器进行循环清洗，如图2所示。

氨基磺酸是一种固体清洗剂，具有低毒、无味、不吸湿、不挥发、污染性小以及对金属腐蚀性小、不产生氢脆等优点。氨基磺酸在储存、运输和使用时都是十分安全和方便的，尤其在配置清洗液时，相对于使用硝酸，减少了许多对操作人员的危害。

氨基磺酸可与碳酸盐、金属的氧化物等反应，生成溶解度很大的氨基磺酸钙、氨基磺酸镁、氨基磺酸铁等化合物。它对碳酸盐、磷酸盐等物质的溶解能力强，清洗效果好。氨基磺酸与水垢的反应非常强烈，反应时产生大量二氧化碳气体，因此，它还有剥离垢层的作用。

氨基磺酸清洗的工艺条件见表1。

表1氧基磺酸清洗的工艺条件

从表1可以看出，使用氨基磺酸清洗时，清洗液的温度不能高于80℃，清洗液温度保持在50～60℃时，清洗效率最高。为了在循环清洗时，使清洗液的温度能够保持在此温度范围内，采取了以下两种措施：

a.在化学清洗前，关闭一次冷却水管道上换热器的进口阀门，之后用蒸汽对换热器内进行加热，使传热管和传热管外的一次冷却水温度上升到50℃左右，从而使传热管外的液体在之后的清洗中不会冷却清洗液；

b.将水加热到70℃左右时，加入化学清洗药剂，同时在酸洗槽的外部加装保温槽，通过温度传感器的控制，将酸洗槽的温度保持在50～60℃之间，以控制清洗剂的高效率。

使用氨基磺酸清洗液清洗被机械除垢装置疏通后的换热器，清洗效果好、效率高，并且在清洗过程中安全，对设备、工作人员和周边环境危害非常小。

(3)采用钝化剂进行钝化处理

为了防止传热管内壁在化学清洗后，出现金属腐蚀生锈的情况，在化学清洗结束后增加了钝化传热管的步骤。

不锈钢换热器经过化学清洗后，其金属表面处于十分活泼的活化状态。钝化是在金属表面上形成能抑制金属溶解的电子导体膜，这层膜本身在介质中的溶解速度很小，它能使金属阳极溶解速度保持在很小的数值上。钝化可以防止换热器腐蚀生锈，从而延长换热器使用寿命。

换热器完成化学清洗后，首先用清水清洗一遍换热器，以去除其中的残酸。之后，用1％的碳酸钠和0.5％的硝酸钠配置钝化溶液，将水温保持在35℃左右，将钝化液泵入到换热器内，浸泡5小时左右，即可完成钝化过程。

钝化废液为碱性废液，钝化后，可将化学清洗后的酸性废液与钝化废液进行中和反应处理，使中和后的废液pH值达到6-8之间，即可将废液排放处理。

试验例

下面是使用本发明对游泳池式反应堆换热器进行清洗的试验结果。

1.总传热系数

如表2所示，列出了5次清洗完换热器后计算出的总传热系数，其中前两次为未使用本发明计算出总传热系数。计算数据取的是每次清洗完成后第一次开堆时第一天的热工数据平均值。其中图4对这5次的总传热系统进行了一个对比。

从图4中可以看出，在使用本发明清洗换热器后，总传热系数有了显著增长，与第一次清洗后的总传热系数相比，第3次的总传热系数提高了约54％，第4次提高了约78％，第5次则提高了约83.8％，说明清洗换热器时，先用物理清洗方法将堵塞的传热管全部打通，再用化学清洗剂清洗，可以大大提高换热器的清洗效果。

表2换热器清洗完成后的总传热系数

2.二次冷却水流量

在使用本发明清洗换热器前，二次冷却水流量为460t/h左右，使用本发明清洗完之后，流量增加到490t/h左右，增加了约6.5％的流量。这证明，利用该工艺打通了以前堵塞无法疏通的传热管，增加了二次冷却水的流量。

因此，使用本发明清洗换热器，不但大大提高了换热器的清洗效果，解决了只用化学清洗剂无法接触到的沉积物，从而完成了彻底清洗，还对清洗完的换热器提供了防腐蚀的保护，并减少了清洗过程中对工作人员和环境的危害。

Claims (5)

1.一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，其特征在于，它包括以下步骤：(1)对换热器的传热管进行物理清洗；(2)化学清洗；(3)采用钝化剂进行钝化处理；所述步骤(1)的物理清洗为利用专用工具对换热器中的传热管进行清洗，该专用工具的结构分钻头、钻杆、电锤三部分，钻头焊接在钻杆上，钻杆尾部用于安装于电锤中，随电锤运动，其中钻头两侧无副刃带，钻头的直径小于钻杆的直径。

2.根据权利要求1所述的一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，其特征在于，所述步骤(2)中的化学清洗的洗涤剂为氨基磺酸溶液。

3.根据权利要求2所述的一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，其特征在于，所述步骤(2)中采用氨基磺酸化学清洗时，清洗液的温度≤80℃。

4.根据权利要求3所述的一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，其特征在于，清洗液的温度为50℃～60℃。

5.根据权利要求1所述的一种反应堆换热器的物理化学混合清洗工艺，其特征在于，在步骤(1)物理清洗前、步骤(2)化学清洗后、步骤(3)钝化剂钝化处理后分别进行清水冲洗。