CN1135360C - 超声波清洗法 - Google Patents

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Abstract

一种超声波清洗方法，用于清除蒸汽锅炉(10)由于先期受到水或200℃以上高温蒸汽作用而在凹形头(22)，管撑板(20)，管板(18)和管(16)内表面上形成的膜层，水垢和泥渣，即在蒸汽锅炉内装一超声换能器(52)或换能器组，把超声换能器(5)和要清洗的表面置于水中或水溶液内。把超声波能输入水中，其功率级在20瓦/加仑或20瓦/加仑以上，频率10～200千赫兹。可将大量超声波能输入水中，致使能量有效地穿透管排内部和其他内部结构。

Description

超声波清洗法
背景技术
本发明涉及一种超声波清洗方法，清除装配件表面由于受高温水或蒸汽作用形成的膜层，水垢和泥渣沉积物，更具体地说，涉及如管壳式换热器等工业生产容器的表面清洗法。
在封闭式传热系统中，长期受水或水溶液作用的金属表面，不管系统纯净程度如何，往往会产生膜层或水垢和/或为泥渣覆盖。所以，例如在工业发电站，200℃或以上的高温联机运行数月后，象管壳式换热器这样的大型容器，通常称为蒸汽锅炉，往往在管、管板、管撑板和其他内部结构表面上会产生粘附膜层，水垢和/或泥渣沉积物，即使水的纯度可控制到百万分之几或更低些水平也会如此。这些膜层，水垢和泥渣经过一段时期后，便对蒸汽锅炉运行性能起到有害作用。此外，在工业发电加压水核电站的蒸汽锅炉凹形头或其他一次系统部件内表面上，往往会产生放射性膜层，即使加压水纯度控制在十亿分之几的水平也会如此。所以，这种令人讨厌的放射性膜层仍会提高电站背景辐射能级。
人们已经研制出各种脱机清洗方法，来清除发出蒸汽换热器内表面上积累的膜层，水垢和泥渣。在工业上成功的方法有：冲击波压力脉冲；水击；化学清洗；泥渣分割；使用水垢调节剂和/或用大量水冲洗。但是，这些脱机清洗方法，包括装置和各种其他辅助作业，总是需要很长时间，按照要求严格的路径预定计划来清除靠近管板和管撑板管表面上积累的粘附膜层，水垢和泥渣。而且，业已证明，在管外表面与管撑板之间环隙形成的粘附水垢的管板上积累的含硅泥渣堆清理起来，尤为困难。因此，不能清除的残余粘附水垢和泥渣，在工业清洗法完成后，有可能依然保存在蒸汽锅炉内表面上，这样降低了清洗工作的有效性。由于工业倾向于日益快速燃料更换停机，限制了清洗工作有效最佳时间，而使残留水垢和泥渣问题混合一起。
所以，电力工业及其供电部门长期以来探索切实可行的方法，更有效地破坏蒸汽锅炉里面积累的粘附膜层，水垢和/或泥渣。因此，大约在20多年前(美国专利号4,320,528提出申请时)曾建议在工业核反应堆系统中，单独或配合常用化学清洗组分使用超声波技术，以便清除蒸汽锅炉管，管板和管撑板上腐蚀、氧化和沉积聚积物。美国专利第4,244,749号提供了一种在有间距的管之间的平面结构中定位多个超声换能器和以足以产生空穴的功率级操作该换能器的技术。然而，到目前为止超声波技术尚未证明在工业上有成效地清洗蒸汽锅炉二次(或壳体)侧伸出管板和撑板的许多小间距小直径管排内部。根据美国专利号4,645,542，按照美国专利号4,320,528作法，布置蒸汽锅炉换能器要求时间长，费用高而且又费力。而且，有些情况下，还要减少一部分蒸汽锅炉，而这却是许多业主不愿做的(按照专利)。
发明内容
本发明的一个目的是推出一种有效方法，用超声波清洗装配件表面由于先期受到水或200℃或200℃以上高温蒸汽作用而形成的粘附膜层，水垢和泥渣。另一个目的是提出一种工业上有效清洗法。
鉴于这些目的，本发明属于超声波清洗法，它包括以下作法：容器装一超声换能器，它所装的装配件表面先期受到水或200℃或200℃以上高温蒸汽作用，造成至少有部分表面覆盖有膜层，水垢或泥渣；超声换能器浸入液体，至少有部分表面在液体中；发出超声波能，在与液体接触的换能器外表面功率级至少约20瓦/加仑(5.3瓦/升)，频率为约10到约200千赫兹左右，这样把超声波能输入液体。在优选实施例中，发出能量的功率级至少约为10瓦/英寸2(1.6瓦/厘米2)。最可取的是采用换能器组，对容器液体输出至少20～60瓦/加仑(5～16瓦/升)。它的优点是在清洗操作过程中，装配件不会产生剧烈震动便将膜层、水垢和泥渣破坏，否则的话将会损坏装配件结构。此外，虽然有些大粒子可将膜层、水垢和泥渣破坏，但巨大能量往往会产生小粒子，长期沉淀在容器流动的湍流液体中，致使细粒离开装配件表面移到例如外过滤器系统，细粒在此与液体分离，然后被过滤的液体再循环到表面。
在本发明优选实施例中，容器可装一超声换能器或换能器组，并悬挂在其中(清洗工作后可拆下)。例如可将一换能器或一串换能器自蒸汽锅炉二次侧管撑板悬挂下来，并挂入管束。换能器链可下垂到邻接下管撑板上表面以上区域，或穿过管撑板流水孔口达到更远的管撑板以上区域，或者甚至下垂到管板以上区域。在蒸汽锅炉一次侧，可将一换能器或换能器链自管板悬挂下来，并挂入凹形头。在上述实施例的一个变型中，在电力联机运行期间，可在蒸汽锅炉保留一换能器或换能器链，而不是在一次清洗工作开始装入蒸汽锅炉，而在结束时，又从中拆下。它的优点是许多换能器组可在容器内用换能器较小子配件现场组装(而后拆除)，因为这种子配件可通过容器上较小管口配装。在同样的实施例中，容器可装一换能器或换能器链，并支撑在可拆装支承装配件上，而不是容器。
在本发明另外的优选实施例中，容器装一超声换能器或一组换能器，并且将超声换能器或换能器组及至少装配件一部分置于液体中。然后，换能器或换能器组把超声波能输入液体，移动换能器或换能器组，换能器或换能器组再次将超声波能输入液体。有利的是超声换能器高能量节或超声换能器组高能量节可通过液体清洗远距离表面，例如装配件周围区域和管排内部。在上述实施例中，换能器或换能器组，在能量同时输入液体时，以大约0.1英寸/分(2.5毫米/分)以上速度通过液体。在其他操作中，换能器或换能器组只能在波间通过液体。
在本发明优选的工业实施例中，清洗液是水或是一种含清洗剂或水垢调节剂的稀释水溶液。
附图说明
如权利要求所述，只要通过示例，配合附图所示下面优选实施例详细说明，本发明更是一目了然。其中：
图1是蒸汽锅炉示意图，用本发明的实施例进行清洗；
图2是移动式贯穿图1蒸汽锅炉管撑板的超声换能器透视图。
优选实施例说明
现借助详图，特别是图1，示出一种型式的蒸汽锅炉10，它用在工业发电加压水核反应堆中。蒸汽锅炉10有一下圆柱段12，它的基本上同心外套14装一U形管束(由成千成万的管组成，用管16表示)，垂直伸出管板18，穿过许多管撑板20。在另一蒸汽锅炉设计中，下圆柱段有一直管束(未示出)。凹形头22焊接到管板18，它有内隔板24，将凹形头隔成两部分，即热段部分26和冷段部分28，前者接收自反应堆容器(未示出)来的热冷却液(一般是高压水，含有少量硼和锂)；后者将冷却器冷却液相对返回反应堆容器。蒸汽锅炉有一个以上的小直径管口46(直径6英寸(15.2厘米)或6英寸(15.2厘米)以下)，靠近管束底部，用于管16和管板18的维护和检查，此外，蒸汽锅炉还设有类似的管口(未示出)高出下圆柱段，用于上管束区管撑板和其他内部结构的维护和检查。蒸汽锅炉10还设有上圆柱段34，它带进水管口36和排气管口38，前者用于接收自涡轮发电机来的补给水；后者则将蒸汽返回涡轮发电机。其他的蒸汽锅炉是卧式结构，其中管束为水平排列，而不是图1所示垂直取向。本文所述清洗法同样适用于这种结构。
在联机发电运行过程中，补给水流进蒸汽锅炉10，与上圆柱段34循环水混合，通常向下流过由下圆柱段12和外套14组成的环状空间，再向上进入外套14底部与管板18上表面40之间地区。然后，在管表面发生蒸汽时，大部分水向上流过沿管16和每一管撑板20上4到6个或更多的流水孔口42。另一部分循环水则并联流过管16与管撑板20之间环隙44，从而使环隙不为水垢和/或泥渣所堵塞。然后，蒸汽和水两相混合物流出下圆柱段12，进入上圆柱段34。在蒸汽锅炉10上圆柱段34分离器和干燥器(未示出)中，发生的蒸汽与混入的水分离，然后排出排气管口38。通常，蒸汽锅炉管侧正常运行压力可达约155巴(2250磅/英寸2)或以上，温度达到约340℃(650°F)或以上。一般说来，蒸汽锅炉壳侧正常运行压力则可达约63巴(920磅/英寸2)或以上，温度达到约280℃(540°F)或以上。
这种工业发电厂联机运行，连续发电一两年，然后脱机按计划中断运转，以便进行燃料更换，同时对电厂维护和检查。联机期间，在蒸汽锅炉10壳侧发生高压高温蒸汽时，在管外表面，特别是稍高于管撑管20和管板18地区，往往会聚积膜层和水垢。更具体地说，在管16与管撑板20之间的间隙44趋向于聚积粘附水垢。此外，在管板18上表面40中心区，在管撑板20上表面也往往会较小程度地积累泥渣沉淀物。近来，在燃料更换停机过程中，蒸汽锅炉二次侧清洗可用压力脉冲。或根据结垢问题自然情况和清洗所用时间采用上述其他工业方法之一。此外，在蒸汽锅炉管侧，可用若干工业方法之一(例如高锰酸盐处理法配合柠檬酸-草酸处理法或低氧化状态金属处理法)，对凹形头或系统连接部件，如反应堆冷却液泵(未示出)表面上的放射性膜层进行清洗，以降低背景辐射能级。
在本发明的超声波清洗法中，采用一个超声换能器或一组换能器(图2中用超声换能器52表示)，通过小管口46装入蒸汽锅炉10，或沿着上管束区通过上部小直径管口(未示出)之一装入。超声换能器52可以是一种径向推拉式换能器，两端各有一谐振器杆和发生器(也叫做超声变换器)，这种型式由德国施特劳宾哈特的马丁瓦尔特超声波技术有限公司(MartinWalter Ultraschalltech-nik GmbH of Straubenhardt，Germany)制造，它是美国专利号5,200,666主题内容，在此包含该专利以公开径向换能器的结构。这些换能器52可输出功率约1000瓦或以上。高效径向换能器以25千赫兹运行，可破坏工业蒸汽锅炉某些粘附水垢，该换能器直径50～70毫米，长度大约70毫米。初步试验表时，这种换能器可破坏管上环状水垢，而这种水垢用化学清洗却不能去除。其他的径向换能器直径40～50毫米，长度大约60毫米，以40千赫兹运行，可破坏特殊粘附膜层、水垢、和泥渣。操作这种换能器可将10瓦/英寸2(1.5瓦/厘米2)或以上功率从其外表面输入到周围液体。其他换能器可以20千赫兹，甚至低于此频率运行，产生5瓦/厘米2或以上表面能量强度。例如，可采用能输出4000瓦的大功率换能器。这种径向换能器组可以组装，组成第一排是两个以上轴向对准的换能器，间隔约为一个换能器长度，再有一相邻平行第二排，由同样间隔换能器组成，布置在靠近第一排换能器间距处。液体输入总能量最好约为20～60瓦/加仑(5.3-16瓦/升)或以上。优选实施例范围是约40～60瓦/加仑(10.6-16瓦/升)。美国专利号4,537,511被包括以公开换能器组的设计。同样也可采用能运行且可输出同样多或更多能量的其他换能器。例如，可以在谐振杆末端使用装有一个换能器的声纳装置(Sonotrodes)。
凡是蒸汽锅炉10必须通过较小直径管口的，如管口46装入换能器52，然后通过容器内部进行操纵，需要清洗以下表面的地方，如垂直伸出水平管板18的管束管16，管板18上面有彼此隔开的管撑板20，换能器52可用自动装置54进行操纵。如美国专利号5,265,129传送装置(电力工业叫做SID机器人)或美国专利号5,069,172受让人的泥渣喷枪轨道系统，在此包含上述专利以公开这些使用装置的用法及结构。设计的这些传送装置本是用来操纵蒸汽锅炉中的照相机，清洗头和泥渣喷枪，而且也能适于快速传送换能器52或换能器组。美国专利号5,036,871，美国专利号5,564,371和美国SIRH1，115公开了其它自动系统。其优点是为发出高频高能量(因而引起低位移)，传送换能器52的轨道或其他装置可使换能器52充分稳定，以致换能器52将不再需要固定地装到蒸汽锅炉10上。图2表示一种传送装置54，贯穿管撑板20内的流水孔口42。流水孔口42可以是沿管中心通道6个或更多的流水孔口的任何一个，其宽度大约超过5英寸(12.7厘米)，长度约为14英寸(35.6厘米)或以上。实际应用中，凡是使用较高功率级的地方，最好是用美国专利号，5,564,371所示类似方法，通过管撑板之一将换能器装配件稳定在中间位置。优点是传送装置可以在蒸汽锅炉10U形管束，沿管通道中心，在冷热段之间，移动换能器52(或换能器组)。
在换能器52(或换能器组)上面或相邻处可任选使用反射器防护屏(未示出)，以便向下朝管板和径向朝外进入管束择优分配波能。高效反射器防护屏可有一人字形或“V”形箔体，内部充气。效果稍差的防护屏采用金属板，制造简单。同样，在管撑板上面，上管束区内，需要时，也可采用一个反射器防护屏(未示出)。
在本发明的一个实施例中，有一个或一个以上的换能器52的链53(如图1所示)。可从蒸汽锅炉最上管撑板20或蒸汽锅炉较高的地方悬挂下来，然后用机械人安装(而后拆下)，机械人单独地通过小直径管口装进蒸汽锅炉，使有可能现场组装大型换能器组，并用来清洗蒸汽锅炉上管束区。有些蒸汽锅炉在下部12上段装有附加管口46(未示出)，以便有可能这样使用。图1表示长链53，分布在端板55与56之间，通过机械人在同一或相邻流水孔口(未示出)操作，把端板装到流水孔口。换能器52可装在管撑板20(如通常所示)上面或流水孔口42内，如换能器57所示。在另外的实施例中，下板56可换成铅垂(未示出)和从上板55悬挂下来的链53。使用带铅垂的链53可以有效地清洗蒸汽锅炉结构周围间隙，即多管贯穿管撑板扩孔的地方，如美国专利号4,143,709所公开的。需要时，在联机运行过程中，链53可保留在蒸汽锅炉，然后在下次停机时使用，换能器52最好用环眼或其他合适的挠性联接器连接起来。为了清洗管撑板20之一上面的区域，3至4串4个或4个以上1000瓦(或更大功率)的换能器52各自悬挂在管撑板20上表面之上的管束中心管通道内，以便将总计可达约20～60瓦/加仑(5.3-16瓦/升)或以上的能量输入液体，有利的是不能通过小直径管口装入的大型换能器组可通过传送装置装入子配件，传送装置则通过管撑板20进行操纵，然后在现场组装(而后拆下)，并在较短时间内用来清洗蒸汽锅炉上管束区。图1还表示一种换能器52(可能是一串换能器52)，带有铅垂59，自管板18悬挂下来，进入凹形头22，以清洗凹形头。
换能器52通过靠近管板18的小管口46进入蒸汽锅炉10后，则将管口46密封起来，然后把液体，如水或水溶液输入蒸汽锅炉10，从而使至少一部分管16和管板18浸入液体内。如果管撑板20要清洗，则同样应浸入液体。本发明的一个实施例中，凡是全部管撑板20要清洗，最好首先清洗最上面的管撑板20，然后把液面降到相邻下管撑板20，以此类推到管板22，这样将沉积水垢和泥渣冲洗掉。在另一个实施例中，可同时清洗数个，甚至全部撑板20，或者同时清洗一个以上管撑板20和一个管板18。优点是蒸汽锅炉10一次侧可充气(空气或氮气)，这样一次侧上的膜层或水垢不为气蚀液体所干扰。在一个实施例中，例如由于蒸汽锅炉10输入空气或惰性气体(即氮气)而使蒸汽锅炉压力升高，如果增加压力若干巴以上，则换能器表面上的气蚀得到抑制，从而提高了进入管排或通过凹形头的超声波能穿透力。此外，水温或清洗剂温度可以控制，最好控制在35℃或35℃以下，以便取得同样的效果，最后，蒸汽锅炉34抽真空，可使水或清洗剂去气。液体介质去气可改善本发明的清洗作用。
在本发明另外实施例中，相对于管16和管撑板20或管板18，连续或逐步移动换能器52或换能器组时，可发出超声波能。另一方面，如果需要大功率级能量，可将换能器52(或换能器组)从初始位置移到能量输入液体期间后来位置，以便配合支承传送装置，靠近换能器52或换能器组，如美国专利号5,564,371所公开的。优点是，移动换能器52(或换能器组)即移动超声波节，致使相邻表面和间隙以及管表面和管束内排间隙均受到最大声能节的作用。在优选实施例中，液体输入超声波能时，换能器52或换能器组至少以0.1英寸/分(2.5毫米/分)左右标称速度移动。优点是径向换能器可将大约500Gs或以上的低振幅能输入液体，而不会损坏蒸汽锅炉管，管板焊缝或其他内部结构。
通常，在使用换能器52组的实施例中，换能器52以相同频率工作。在某些实施例中，不管使用的换能器52组是用夹具支承，还是用机械人，轨道等传送和操纵，两个换能器52可同时以不同频率工作，以便对水垢取得更有效的破坏作用。例如，组中一个换能器52可以大约25千赫兹频率工作，另一换能器52同时以大约40千赫兹频率工作，使用任何特殊频率取决于水垢或泥渣的位置(即管与管板或撑板间隙，外露表面，如自由间隔管表面或“影”锥)。此外，操作条件，如沉积形态和微粒大小对此也有影响。
因为换能器52产生高振幅驻波波能，故沿换能器的谐振器长度方向，能量场不均匀。不过，由于管束内波绕射以及散射和反射，换能器周围能量场的不均匀性，往往会随着与谐振器的距离而下降。通过使用不同频率，最初不均匀能量场的影响基本得到克服，而且会产生更加均匀的气泡结构和破裂。
低频时，气泡在破裂前，有较长时间增加因此气泡将用较大力量才会消失，并释放更大能量。此外，因为直到能量场中物体尺寸与波长(25千赫兹时2.4英寸(6.1厘米)；40千赫兹时1.5英寸(3.8厘米))相同，才产生阴影，故低频时，“阴影”较少。因为管径在1英寸(2.5厘米)以下，因此小于波长，故阴影不太可能对蒸汽锅炉沉积物破坏起到明显相反作用。此外，同时使用不同频率有可能降低蒸汽锅炉比较大的内部零件的透明性，如管撑板和流量分配折流板的“透明性”。高频时，波绕射往往会因波长较短而增加。因此，从管后面清洗沉积物40千赫兹要比25千赫兹更有效。
有利的是如果蒸汽锅炉能量场充分均匀，则不必移动换能器52，以便使波腹与管柱间隔对准。因此，清洗时间可显著缩短；而且，在某些情况下，可缩短“增能”清洗时间的25％左右。
此外，不同频率可以被调谐，从而使其波节图形重叠。例如，在25千赫兹时，波腹相距1.2英寸(3厘米)；40千赫兹时，波腹相距0.75英寸。因此，在长波的半波频率时，波节图形可能重叠，例如，40千赫兹换能器52每隔一波腹可与调谐到20千赫兹的25千赫兹换能器52每个波腹同步。
本发明使用水和水溶液。该水溶液含有水垢调节剂或化学清洗剂，前者被美国专利号5,841,826和5,764,717公开，后者则被美国专利号5,194,223和5,368,775公开，这些专利被包含在引用中以使用这种化学品。水和水溶液最好去气，因为溶解气体的存在需要额外的能量。本发明还可用作清洗法中若干个步骤之一，这种清洗法包括上述传统液力清洗法，如泥渣分割，压力脉冲，上管束液力清洗以及管束大量冲洗等，如美国专利号4,079,701，4,276,856，4,273,076，4,655,846，4,699,665，5,154,197和5,564,371所公开的，这些专利被包含在这里的引用中以讨论这种实施作法。
除了清洗管壳式换热器，如蒸汽锅炉10外，还使用本发明清洗其他容器诸如槽，泵管等类似容器内部结构件的表面。而且，容器还可装先期受高温水或蒸汽作用的移动式装配件。
尽管已对本发明的优选实施例作表示和描述，但不言而喻，本发明在各个方面另外体现在下述发明权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种超声波清洗法，用于清洗表面上的膜层，水垢或泥渣，包括以下步骤：
把具有外表面的超声换能器(52)放入容器(10)，该容器装有具有表面的组件，该组件已经先期受到水或200℃或200℃以上温度的蒸汽的作用，该组件表面至少部分地覆盖有膜层，水垢或泥渣；
将超声换能器(52)和组件表面的至少一部分浸入在液体中；和
产生超声波能以将超声波能输入进液体，该超声波能在换能器(52)外表面的容器内液体功率级范围为20至60瓦/加仑(5.3至16瓦/升)，频率为10至200千赫兹。
2.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：在换能器(52)外表面附近产生功率级至少为10瓦/英寸2(1.6瓦/厘米2)的超声波能。
3.按权利要求2的超声波清洗方法，其特征在于：产生功率级为15～40瓦/英寸2(2.3-6.2瓦/厘米2)的超声波能。
4.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：在超声换能器(52)浸入液体的步骤前，包括以下步骤：
将超声换能器(52)悬挂在容器(10)内。
5.按权利要求4的超声波清洗方法，其特征在于：一串(53)超声换能器(52)被悬挂在容器(10)中。
6.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：超声换能器(52)被放在容器(10)内板(20)上的孔口(42)内，用来清洗组件表面。
7.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：超声换能器(52)被放入从管板(18)延伸出的管(16)束内的管通道中。
8.按权利要求7的超声波清洗方法，其特征在于：超声换能器(52)被放入彼此隔开的管撑板(20)之间的管(16)束中。
9.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：包括以下步骤：
在产生超声波能的步骤前，移动超声换能器(52)；
在产生超声波能的步骤后，再次移动超声换能器(52)；
再次产生超声波能以将超声波能输入进液体，该超声波能在换能器(52)外表面附近的功率级为至少为10瓦/英寸2(1.6瓦/厘米2)范围内，频率为10至200千赫兹。
10.按权利要求1的超声波清洗方法，其特征在于：包括以下步骤：
当换能器(52)将能量输入进液体时，移动换能器(52)通过液体。
11.按权利要求10的方法，其特征在于：超声波能输入进液体时，换能器(52)以至少0.1英寸/分(2.5毫米/分)的速度移动。
12.按权利要求1的方法，其特征在于：通过传送装置(54)上的管口(46)，换能器(52)组被装入蒸汽锅炉(10)以在两个方向上移动换能器(52)通过液体。
13.按权利要求1的方法，其特征在于：液体是含有水垢调节剂或化学清洗剂的水溶液。
14.按权利要求1的方法，其特征在于：还包括以下的步骤：
将传送机械人(54)与超声换能器(52)分开地放入容器(10)；和
超声波能输入进液体前，把超声换能器(52)安装到容器(10)内的传送机械人(54)上。
15.按权利要求1的方法，其特征在于：进一步包括由以下选择的步骤：压力脉冲清洗，管束大量冲洗，上管束液力清洗和吹洗泥渣。
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