KR100709375B1 - 초음파 세정방법 - Google Patents

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Abstract

200℃ 보다 더 높은 온도에서 물 또는 증기에 이전에 노출된 용기(10)의 채널헤드(22), 튜브지지판(20), 튜브시트(18), 및 튜브(16)의 내면으로부터 막, 스케일 및 슬러지를 세정하는 초음파세정방법은 초음파트랜스듀서(52) 또는 초음파어레이를 상기 증기발생기내로 도입하고 물 또는 수용액에서 세정될 상기 튜브의 내면과 상기 초음파트랜스듀서(5)를 잠기게한다. 20watts/gallon 이상의 출력레벨 또는 10KHz 내지 200KHz 의 주파수로 초음파에너지가 물로 도입된다. 다량의 초음파에너지가 튜브의 내부열 및 기타내부구조체내를 효과적으로 관통할 수 있도록 물에 도입될 수 있다.

Description

초음파 세정방법{AN ULTRASONIC CLEANING METHOD}
본 발명은 고온수 또는 고온증기에 노출된 후에 조립체의 표면으로부터 막, 스케일(scales) 및 슬러지퇴적물(sludge deposits)을 세정하는 초음파 세정방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 셸(shell) 및 튜브 열교환기 등과 같은 공업용 프로세스 용기의 표면을 세정하는 방법에 관한 것이다.
폐쇄된 열전달시스템에서 장시간에 걸쳐 물 또는 수용액에 노출된 금속의 표면은 시스템 청결도 수준과는 무관하게 막 또는 스케일을 성장(develop)시키거나 슬러지에 의하여 덮여지고, 또는 막 또는 스케일을 성장(develop)시키고 슬러지에 의하여 덮여지는 경향이 있다. 따라서, 예를 들어, 상업용발전소에서 200℃ 이상의 고온에서의 수개월 동안 온-라인 운전후에는, 물의 청결도(purity)가 ppm(parts per million) 수준 또는 그 이하로 제어될 수 있다고는 하나 일반적으로 증기발생기로 알려진 셸 및 튜브 열교환기와 같은 대형 용기에는 튜브, 튜브시트(tubesheets), 튜브지지판 및 기타의 내부구조체부분의 표면에 들러붙는 막, 스케일, 슬러지퇴적물 중 하나 이상이 형성되는 경향이 있다. 이들 막, 스케일 및 슬러지는 일정 시간이 지난후에는 증기발생기의 작동성능에 악영향을 줄 것이다. 또한, 상업용전력을 발생시키는 가압수 핵 발전소에서는, 가압수의 청결도가 ppb(parts per billion) 수준으로 제어되더라도 증기발생기 또는 기타 시스템 주요 구성요소의 채널헤드의 내부 표면상에 방사성 막(radioactive films)이 형성되려는 경향이 있다. 바람직하지 않게도, 이러한 방사성 막은 공장의 배경 방사선 수준을 높일 수 있다.
증기를 발생시키는 열교환기의 내부 표면상에 쌓인 막, 스케일 및 슬러지를 제거하기 위하여 다양한 오프-라인 세정방법이 개발되어 왔다. 상업적으로 성공한 방법은, 충격파를 이용하는 압력 펄싱; 워터 슬래핑(slapping); 화학적 세정; 슬러지 랜싱(lancing); 슬러지 조정제의 사용; 및 매우 많은 양의 물을 이용하는 플러싱 중 하나 이상의 단계를 포함한다. 하지만, 튜브시트 및 튜브지지시트 근처의 튜브표면상에 쌓여서 들러붙는 막, 스케일 및 슬러지를 제거하기 위해서 설치작업 및 다양한 기타 보조 작업을 포함하는 이들 오프-라인 방법은 임계 경로 스케쥴(critical path schedule)에 어김없이 긴 시간이 필요하다. 또한 튜브 외부표면 및 튜브지지판 사이의 고리모양의 틈새에 형성되어 들러붙는 스케일 및 튜브시트상에 쌓인 실리카를 함유한 슬러지덩어리는 특히 제거하기 어렵다는 것이 판명되었다. 따라서, 들러붙는 스케일 및 슬러지의 제거할 수 없는 잔류량이 상업적 세정단계의 종료시에서 증기발생기의 내부 표면상에 남게되어, 세정작업의 유효성을 떨어뜨린다. 잔류 스케일 및 슬러지의 문제는 정전기간에도 더욱 빨리 연료를 보급하려는 산업 경향에 의하여 정도가 더 심해지며, 세정작업을 위하여 이용가능한 시간대를 제한한다.
따라서, 발전산업 및 전기공급자들은 증기발생기의 내부에 쌓여 들러붙는 막, 스케일 및 슬러지 중 하나 이상을 더욱 효과적으로 제거할 실제적인 방법을 오랫동안 연구해왔다. 따라서, (미국특허 제4,320,528호가 출원된)대략 20년전이나 그 이전에는, 증기발생기의 튜브, 튜브시트 및 튜브지지판상의 부식, 산화 및 침전의 축적물을 제거하기 위하여 상업적 핵 반응기 시스템에서 초음파 단독으로 또는 공지된 화학적 세정혼합물과 관련하여 초음파를 채용하는 것이 제안되었다. 미국특허 제 4,244,749호는 캐비테이션을 발생시키기에 충분한 출력레벨에서 트랜스듀서를 운전하고 이격된 파이프들 사이의 평면구성에서 복수의 초음파트랜스듀서를 위치시키는 기술을 제공하였다. 하지만, 증기발생기의 2차(또는 셸)측상의 촘촘한 간격의 많은 내부의 열, 튜브시트로부터 연장되는 작은 직경의 튜브 및 지지판을 세정하기 위하여, 초음파 기술은 지금까지 상업적으로 만족스럽다고 입증되지 않았다. 미국특허 제4,645,542호에 따르면, 미국특허 제4,320,528호의 실시에 따른 증기발생기내의 트랜스듀서의 배치는 상당한 시간, 노력 및 비용을 필요로 한다. 또한, 어떤 경우에는 (상기 특허에 따라) 증기발생기의 일부를 잘라내야할 필요도 있어서, 많은 소유주들은 그렇게 하기를 꺼린다.
본 발명의 목적은 200℃ 이상의 온도에서 물 또는 증기에 이미 노출된 조립체 표면으로부터 들러붙는 막, 스케일 및 슬러지를 초음파에 의하여 제거하기 위한 효과적인 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은 상업적으로 효과적인 세정방법을 제공하는 것이다.
이들 목적의 관점에서, 본 발명은, 200℃ 이상의 온도에서 물 또는 증기에 이미 노출되었고 그 표면의 일부 또는 전체가 막, 스케일 또는 슬러지에 의하여 덮여진 표면을 가지는 조립체를 포함하는 용기에 초음파 트랜스듀서를 도입시키는 단계; 초음파 트랜스듀서 및 그 표면의 일부 또는 전체를 액내에 잠기게 하는 단계; 및 초음파 에너지를 상기 액에 도입시키기 위하여 상기 액에 접촉한 트랜스듀서의 외부 표면 및 상기 액에서 및 10kHz로부터 200kHz까지의 주파수에서 20 watts/gallon (5.3 watts/liter) 이상의 파워수준으로 초음파 에너지를 발생시키는 단계를 포함하는 초음파세정방법에 속한다. 바람직한 실시에서, 에너지는 10 watts/inch2(1.6 watts/cm2) 이상의 파워수준으로 발생된다. 가장 바람직하게는, 용기내에서 액의 갤론 당 20 내지 60 watts (5 내지 16 watts/liter)의 출력을 내도록 트랜스듀서의 어레이가 채용된다. 유리하게는, 조립체에서 큰 진동을 발생시키지 않거나, 아니면 세정작업 과정에서 조합체를 구조적으로 손상시키지 않으면서 막, 스케일 및 슬러지가 붕괴된다. 또한, 약간 큰 입자가 막, 스케일 및 슬러지를 깨뜨리지만, 강한 에너지는 용기내에서 액의 난류유동내에서 긴 침강 시간을 가지는 작은 입자들을 만들고, 상기 입자들은 예를 들어, 조립체의 표면으로부터 상기 입자가 상기 액체로부터 분리될 수 있는 외부필터시스템으로 멀리 운반된 다음 재순환될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에서, 초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 어레이는 용기로 도입되어 상기 용기내에 매달려 있을 수 있다(그리고 그 다음 세정작업후에 분리될 수 있다.). 따라서, 예를 들어, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 체인은 증기발생기의 2차측내의 튜브지지판으로부터 드리워져, 튜브번들내에 매달려 있을수 있다. 상기 체인은 바로 아래의 튜브지지판의 상면 위의 영역에 매달리거나 상기 튜브지지판내의 흐름슬롯를 통하여 더 멀리 떨어진 튜브지지판 위의 영역에 매달리거나 심지어 상기 튜브시트 위의 영역까지 내려갈 수 있다. 증기발생기의 1차측에서, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서 체인은 튜브시트로부터 드리워질 수 있으며 채널헤드내에 매달릴 수 있다. 이러한 실시의 변형례에서, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서 체인은 세정작업의 시작과 종료시에 증기발생기로 도입되거나 제거되는 대신 온-라인 출력운전동안 증기발생기내에 잔류할 수 있다. 유리하게는, 큰 트랜스듀서의 어레이는 용기내의 비교적 작은 노즐을 통과하기에 적합한 더 작은 트랜스듀서의 부분조립체로 현장에서(in situ) 용기내에 조립( 및 추후 분해)될 수 있다. 유사한 실시예로, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서 체인은 용기내로 도입되고 용기 대신 제거가능한 지지조립체에 의하여 지지될 수도 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 어레이가 용기내로 도입되고, 상기 초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이 및 조립체의 일부 또는 전부가 액(liguid) 내에 잠긴다. 그 다음, 초음파에너지가 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이에 의하여 액 내로 도입되고, 상기 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이는 이동되며 초음파 에너지는 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이에 의하여 액내로 다시 도입된다. 유리하게는, 초음파 트랜스듀서의 고에너지 노드(node) 또는 초음파 트랜스듀서어레이의 고에너지 노드는 상기 액을 통하여 이동되고 튜브의 내부 열 및 조립체내의 주위 영역과 같은 멀리 떨어진 표면을 세정할 수 있다. 상기 실시에서, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이는 동시에 에너지를 액에 도입시키면서 0.1 inch/minute (2.5 mm/minute) 또는 더 빠른 속도로 액을 통과하여 이동할 수 있다. 다른 작업에서, 트랜스듀서 또는 트랜스듀서어레이는 파동사이에서만 액을 통하여 이동할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시에서, 세정액은 물 또는 세정제 또는 스케일조정제를 포함하는 희석된 수용액이다.
이제부터 상세한 도면, 특히 도 1을 참조하면, 발전용 상업적 가압수 핵반응기내에 채용된 형태의 증기발생기와 같은 용기(10)가 도시되어 있다. 용기(10)는 튜브시트(18)로부터 및 복수의 지지판(20)을 통하여 수직으로 연장된(대표적으로 튜브(16)에 의하여 표현된 수천개의 튜브를 포함하는)U-튜브번들을 포함하는 실질적으로 동심원 레퍼(wrapper)를 구비한 하부 원통형부(12)를 가진다. 다른 증기발생기 디자인에서, 직선의 튜브번들(도시되지 않음)이 하부 원통형부에 제공될 수 있다. 튜브시트(18)에 용접된 체널헤드(22)는, 반응기용기(도시안됨)로부터 뜨거운 냉각제(통상적으로 적은량의 보론 및 리튬을 포함하는 고압수)를 수용하는 핫 레그부(hot leg section)(26) 및 비교적 더 차가운 냉각제를 반응기 용기로 반송시키는 콜드 레그부(cold leg section)(28)을 포함하는 2개의 부분으로 분할하는 내부 구획판(24)을 가진다.
용기(10)는 튜브(16)와 튜브시트(18)를 보수하고 검사하기 위한 튜브 번들의 바닥 근처에 1개 이상의 작은 지름(6inch(15.2cm)직경이하)의 노즐(46)를 가진다. 또한, 증기발생기는 상부 튜브번들영역에서 튜브지지판 및 기타 내부 구조체를 보조하고 검사하기 위한 하부 원통형부상의 더 높은 곳에 유사한 노즐(도시안됨)을 가진다. 상기 용기(10)는 발전용 터빈-발전기로부터의 공급수를 수용하기 위한 입구노즐(36) 및 상기 터빈-발전기로 증기를 반송시키는 출구노즐(38)을 가진다. 기타 증기발생기는 수평으로 설계되며, 상기 튜브번들은 도 1에 도시된 바와 같이 수직보다는 수평으로 배향된다. 본 명세서에서 기술되는 세정방법은 이러한 설계에 동등하게 적용가능하다.
온-라인 발전운전동안, 공급수는 용기(10)로 들어가 상부 원통형 부(34)내의 재순환수와 혼합되고, 일반적으로 하부 원통형부(12)와 레퍼(14)에 의하여 형성되는 환상부(annulus) 부분을 통하여 아래쪽으로 흐르며, 레퍼(14)의 바닥과 튜브시트(18)의 상면(40) 사이의 영역내에서 위쪽으로 진행방향을 바꾼다. 그 다음, 상기 공급수의 대부분은 튜브표면에서 증기를 발생시키면서 튜브지지판(20) 각각의 4 내지 6 이상의 흐름슬롯(42)을 통하여, 튜브(16)를 따라 위쪽으로 흐른다. 재순환수의 나머지는 고리모양의 틈새(annular crevices; 44)가 스케일, 슬러지 또는 스케일 및 슬러지에 의하여 차단되지 않은 정도범위로 튜브(16)와 튜브지지판(20) 사이의 상기 틈새(44)를 통하여 평행하게 흐른다. 그 다음, 증기와 물의 2상 혼합물(two phase mixture)은 하부 원통형부(12)로부터 상부 원통형부(34)로 흐른다. 발생된 증기는 용기(10)의 상부 원통형부(34)내의 분리기 및 건조기(도시안됨)내에서 함께 반출된 물로부터 분리된 다음, 출구 노즐(38)의 밖으로 흐른다. 통상적으로, 증기발생기의 튜브측은 최고로 155bar(2250psi) 이상의 압력 및 최고로 340℃ 이상(650℉)이상의 온도에서 작동된다. 통상적으로, 증기발생기의 셸측은 최고로 63bar(920psi) 이상의 압력 및 최고로 280℃(540℉)이상의 온도에서 작동한다.
이러한 상업용발전소는 온-라인으로 운전되고 1 내지 2년 동안 전력을 연속적으로 발생시킨 다음, 연료보급을 하는 동시에 발전소의 보전 및 점검을 위하여 계획된 정전 기간의 오프-라인을 갖는다. 고압, 고온의 증기가 용기(10)의 셸측에서 발생되는 경우의 온-라인 기간동안, 막 및 스케일이 튜브외면, 특히 튜브시트(18) 및 튜브지지판(20)의 바로 위의 영역에 쌓이는 경향이 있다. 특히, 들러붙는 스케일이 튜브(16)과 튜브지지판(20) 사이의 틈새(44)내에 쌓이는 경향이 있다. 또한 슬러지의 퇴적은 튜브시트(18)의 상면(40)의 중앙영역내에 쌓이고 튜브지지판(20)의 상면에는 더 적은 정도로 쌓이는 경향이 있다. 추후에, 연료보급을 위한 정전 기간동안에, 증기발생기의 2차측은 압력 펄싱 또는 오염문제 및 세정할 수 있는 시간의 성질에 따라 기타 상술된 상업적 방법 중 하나에 의하여 세정될 수 있다. 또한, 증기발생기의 튜브측상에서, 배후 방사선 수준(background radiation levels)을 줄이기 위해서 채널헤드 또는 반응기 냉각제 펌프(도시안됨)와 같은 부착된 시스템 구성요소의 표면상의 방사성 막은 몇가지 상업적 방법(예를 들어, 시트르산 - 옥살산 처리 또는 저 산화 상태 금속 처리중의 어느 하나와 과망간산염 처리와의 조합에 의하여)중 하나에 의하여 세정될 수 있다.
본 발명의 초음파 세정방법에서, (도 2의 초음파트랜스듀서(52)로 나타낸) 초음파트랜스듀서 또는 트랜스듀서의 어레이는 작은 노즐(46)을 통하여 상부의 작은 직경노즐(도시안됨)중 하나 또는 용기(10)로 상부번들영역을 따라 삽입될 수 있다. 초음파트랜스듀서(52)는 방사상트랜스듀서의 구조를 개시하기 위해서 본 명세서에서 참조로 포함된 미국특허 제 5,200,666호의 논제가 되는 Martin Walter Ultraschalltechnik GmbH of Straubenhardt, Germany 에서 제조된 형태의 어느 한쪽의 끝단부상에 발생기(또한 초음파변환기로 알려짐)를 구비한 공진기 막대를 갖는 반경방향의 푸시풀(push pull)트랜스듀서가 될 수 있다. 이들 트랜스듀서(52)는 1000W 이상까지 출력될 수 있다. 25KHz에서 작동하는 상업용 증기발생기상에 있는 어떤 종류의 부착 스케일을 붕괴시키는데 효과적인 반경방향 트랜스듀서는 50 내지 70mm 의 직경과 70mm 의 길이를 갖는다. 예비 테스팅은 이러한 트랜스듀서들이 화학적세정에 의해서 제거될 수 없는 튜브상의 스케일 칼라(scale collar)를 느슨하게 만들 수 있다는 것을 나타낸다. 직경이 40 내지 50 mm 이고 그 길이가 60mm 인 다른 반경방향 트랜스듀서들은 특별히 달라붙는 막, 스케일 및 슬러지를 파괴하기 위해서 40KHz 에서 작동될 수 있다. 이들 트랜스듀서들은 주변액체내로 그것들의 외부표면에서 10 watts/inch2 (1.5 watts/cm2 )에서 작동될 수 있다. 다른 트랜스듀서들은 20KHz 또는 그 미만에서도 작동될 수 있고 5 watts/cm2 이상의 표면에너지 밀도를 생성한다. 예를 들어, 4000 watts를 발생시킬 수 있는 고출력트랜스듀서가 채용될 수 있다. 이러한 방사상 트랜스듀서들의 어레이는, 트랜스듀서의 길이만큼 서로 떨어진 2개 이상의 트랜스듀서들이 축선방향으로 정렬된 제1열로부터 조립되고, 인접하여 평행으로 있는 제2열은 제1열의 트랜스듀서들 사이의 간격에 인접하여 유사하게 간격을 두고 위치할 수 있다. 바람직하게는 상기 액체에서 전체 에너지 입력은 20 내지 60 watts/gallon(5.3 내지 16 watts/liter) 또는 그 이상의 정도이다. 바람직한 실시예에서, 그 범위는 40 내지 60 watts/gallon(10.6 내지 16 watts/liter) 가 된다. 미국특허 제 4,537,511 호는 트랜스듀서어레이의 디자인의 개시를 위해서 참조로 포함된다. 더 많은 에너지로 출력할 수 있고 동원될 수 있는 기타 트랜스듀서들이 또한 채용될 수 있다. 예를 들어, 공명로드(resonating rod)의 끝단에 하나의 트랜스듀서를 가지는 소노트로드(sonotrodes)가 채용될 수 있다.
트랜스듀서(52)가 노즐(46)등의 비교적으로 작은 직경노즐을 통해서 용기(10)로 도입된 후 용기내부를 통과하도록 조작되는 위치에서, 튜브시트(18)위의 이격된 튜브지지판(20)을 가지는 수평 튜브시트로부터 수직으로 연장되는 튜브번들의 튜브(16)등과 같은 세정될 필요가 있는 표면으로 조작되는 경우에, 트랜스듀서(52)는 이들 배치장치의 사용과 구조의 개시를 위해서 본 명세서에서 참조로 포함된 미국특허 제 5,069,172호의 양수인의 슬러지랜스레일시스템(assingee's sludge lance rail system) 또는 (전력산업에서 SID 로봇으로서 공지된) 미국특허 제 5,265,129호의 전달장치등의 로봇장치(54)에 의해서 조작될 수 있다. 이들 전달장치는 증기발생기내의 카메라, 세정헤드 및 슬러지랜스를 독창적으로 조작하도록 디자인되었고 트랜스듀서(52) 또는 트랜스듀서의 어레이를 장착시키기에 알맞게 되어있다. 다른 로봇 시스템은 미국 특허 제 5,036,871호, 미국 특허 제 5,564,371호 및 US SIR H1,115 에 의하여 개시되어 있다. 이점으로는, 고주파수에서 고에너지를 도입하기 위해서 트랜스듀서(52)를 전달하는 (따라서 저변위를 일으키는) 레일 또는 기타 장치가 트랜스듀서(52)를 충분히 고정시킬 수 있어 트랜스듀서(52)가 용기(10)에 고정되도록 부착할 필요가 없어진다. 도 2는 튜브지지판(20)내의 흐름슬롯(42)를 통하여 연장되는 로봇장치(54)를 나타낸다. 흐름슬롯(42)는 중심튜브레인을 따라 6개 이상의 흐름슬롯중 어느 하나가 될 수 있고 5 inches(12.7cm) 이상의 너비와 14 inches(35.6cm) 이상의 길이를 가질 수 있다. 상대적으로 고출력레벨이 채용되는 실시예에서, 미국 특허 제 5,564,371호에 나타난 바와 유사한 방식으로 튜브지지판들중 하나에 의해서 트랜스듀서 조립체를 중간위치에 고정시키는 것이 바람직하다. 유리하게는, 전달장치는 용기(10)의 U-튜브 번들에서 튜브레인의 중앙을 따라 튜브(16)의 핫 레그와 콜드 레그 사이에 트랜스듀서(52)(또는 트랜스듀서어레이)를 이동시킬 수 있다.
선택적으로, 튜브번들내에서 반경방향 바깥쪽으로 및 상기 튜브시트를 향하여 아래쪽으로 파동에너지의 바람직한 분포를 제공하기 위해서 반사기 실드(reflector shield, 도시안됨)는 트랜스듀서(52)(또는 트랜스듀서 어레이)위에 또는 그 근처에 사용될 수 있다. 효과적인 반사기실드는 내부가 가스로 채워진 쉐브론(chevron) 또는 "V" 형상의 호일(foil) 몸체를 가질 수 있다. 덜 효율적인 실드는 간단히 금속판으로 제조될 수 있다. 유사하게, 필요하다면 반사기실드(도시안됨)가 튜브지지시트위의 상부번들영역내에 사용될 수 있다.
청구항에 설명된 바와 같은 본 발명은, 단지 예시의 방법으로 첨부도면내에 도시된 발명의 바람직한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 여기서,
도 1은 본 발명의 실시예에서 세정될 수 있는 증기발생기의 개략도,
도 2는 도 1의 증기발생기의 튜브지지판을 통과하여 연장된 이동가능한 초음파 트랜스듀서의 사시도이다.
본 발명의 제1실시예에서는, (도 1에 도시된 바와 같이)트랜스듀서(52)의 하나 또는 그 이상의 체인(53)은 최상부의 튜브지지판(20)으로부터 증기발생기내에 또는 상기 증기발생기보다 더 높게 매달려질 수 있고, 그 다음, 큰 트랜스듀서어레이가 현장에서 조립되고 증기발생기의 상부번들영역을 세정하기 위하여 사용되도록 작은 직경의 노즐을 통해서 증기발생기내에 별도로 도입되는 로봇에 의하여 장착( 및 후에 분리)된다. 어떤 증기발생기에서는, 이러한 배치에 대한 접근을 허용하도록 하부(12)의 상부에 추가노즐(46)(도시안됨)이 사용가능하다. 도 1은 동일한 흐름슬롯 또는 인접한 흐름슬롯(도시안됨)내에서 작동하는 로봇에 의해서 흐름슬롯에 설치된 끝단판(55 및 56) 사이에 연장되는 긴 체인(53)을 보여준다. 트랜스듀서(52)는 (일반적으로 도시된 바와 같이) 튜브지지판(20)의 위쪽 또는 트랜스듀서(57)에 의해서 보여주는 바와같이 흐름슬롯(42)내에 위치될 수도 있다. 또다른 실시예에서, 하부판(56)은 상판(55)으로부터 매달린 체인(53)과 추(도시안됨)로 대체될 수 있다. 예를 들어, 미국특허 제 4,143,709호에 의해서 기재된 바와 같이, 튜브지지판내의 확장된 구멍을 통하여 다중튜브가 연장되는 증기발생기디자인에서 튜브 주위의 틈새를 세정하도록 추(plumb)를 가지는 체인(53)이 사용되는 것이 유리할 수 있다. 필요하다면, 체인(53)을 온-라인 운전동안 증기발생기내에 남겨두고 나중의 차기 운전정지시 사용될 수도 있다. 바람직하게는, 트랜스듀서(52)는 아이릿 (eyelet) 또는 기타 적절한 플렉시블 커넥터에 의해서 접속된다. 튜브지지판(20)들 중 하나의 위에있는 영역을 세정하기 위해서, 3개 내지 4개 체인의 4000 또는 그 이상의 watt (four or more 1000)(또는 더욱 강력한)까지의 트랜스듀서(52)의 각각이 20watts/gallon 내지 60watts/gallon(5.3 내지 16watts/liter) 에 이르는 총량을 상기 액체내로 도입하도록 튜브지지판(20)의 상부 표면위의 튜브번들의 중심에서 튜브레인(tube lane)에 매달려질 수 있다. 유리하게는, 작은직경노즐을 통해서 도입될 수 없었던 큰 트랜스듀서어레이는, 튜브지지판(20)을 통해서 조작된 후 현장에서(in situ) 조립되며(나중에 분해되는) 더 짧은 시간주기로 증기발생기의 상부 번들영역을 세정하기 위하여 사용되는 전달장치에 의해서 부분조립품상태로 도입될 수 있다. 도 1은 또한 채널헤드를 세정하기 위하여 튜브시트(18)로부터 채널헤드(22)내에 매달린 추(59)를 가지는 (트랜스듀서(52)의 체인일 수 있는) 트랜스듀서(52)를 또한 도시한다.
트랜스듀서(52)가 튜브시트(18) 근처의 작은 노즐(46)을 통해서 용기(10)내로 도입된 후, 튜브(16)와 튜브시트(18)의 일부분 또는 전체가 액에 잠기도록 노즐(46)이 밀봉되고 그 후 물 또는 수용액등의 상기 액이 용기(10)내로 도입될 수 있다. 튜브지지판(20)이 세정되어야 한다면, 그것 또한 잠겨야 한다. 튜브지지판(20) 모두가 세정되는 본 발명의 1실시예에서, 먼저 최상부의 튜브지지판(20)을 세정한 다음, 그 다음으로 낮은 하부튜브지지판(20)까지 액 레벨(liquid level)을 낮추고 그 튜브지지판(20)등을 세정하고 제거된(dislodged) 스케일과 슬러지가 아래쪽으로 세척될 수 있도록 튜브시트(22)로 내려간다. 대안적인 실시예에서, 몇 개의 또는 전체 지지판(20)까지도 동시에 세정되거나 또는 한 개 이상의 튜브지지판(20)과 튜브시트(18)가 동시에 세정될 수 있다. 이점으로는, 용기(10)의 1차측(primary side)에는 상기 1차측상의 막 또는 스케일이 캐비테이팅(cavitating)액에 의해서 방해되지 않도록 가스(공기 또는 질소)로 채워질 수 있다. 1실시예에서, 예를 들어 공기 또는 불활성기체(즉, 질소)가 증기발생기(34)내로 도입됨으로써 증기발생기내의 압력이 증가된다. 몇 바(bar) 또는 그 이상으로 가압될 때, 트랜스듀서 표면에서의 캐비테이션이 억제될 수 있고 이것에 의해서 튜브어레이 내부로 또는 채널헤드를 관통하는 초음파에너지의 침투를 증가시킨다. 또한, 동일한 효과를 얻기 위해서, 물 또는 세정제의 온도를 바람직하게는 35°또는 그 이하로 제어할 수 있다. 종국에는, 물 또는 세정제는 증기발생기(34)에 진공을 가함으로써 탈기(degassed)될 수 있다. 상기 액체 매질을 탈기하는 것은 본 발명의 세정작용을 개선시킨다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 초음파에너지는 튜브(16) 및 튜브지지판(20) 또는 튜브시트(18)에 대하여 연속적으로 또는 단계적으로 중 어느 하나의 방법으로 트랜스듀서(52) 또는 트랜스듀서어레이를 이동시키면서 초음파에너지를 발생시킬 수 있다. 대안적으로, 고출력레벨에서 필요하다면, 예를 들어 미국특허 제 5,564,371호에서 개시된 바와 같이 트랜스듀서(52) 또는 트랜스듀서어레이 근처의 전달장치를 적절히 지지하기 위해서 에너지가 상기 액체내로 도입되는 기간 사이에초기 위치로부터 그 다음 위치까지 트랜스듀서(또는 트랜스듀서의 어레이)가 이동될 수 있다. 유리하게는, 트랜스듀서(52)(또는 트랜스듀서어레이)를 이동하는 것은 인접표면 및 갈라진 틈새(crevice)와 또한 번들의 내부열(row)에 있는 튜브의 표면 및 갈라진 틈새가 최대의 소리에너지 노드(node)에 노출되도록 초음파 노드를 이동시킨다. 바람직한 실시예에서, 트랜스듀서(52) 또는 트랜스듀서어레이는 초음파에너지를 상기 액내에 도입시킬 때 0.1inch/minute(2.5 mm/minute) 이상의 공칭속도로 이동한다. 유리하게는, 방사상(radial) 트랜스듀서는 튜브, 튜브시트 용접점 또는 증기발생기의 기타 내부구조물을 손상시키지 않고 500Gs 또는 그 이상의 저진폭에너지를 상기 액내로 도입시킬 수 있다.
일반적으로, 트랜스듀서(52)의 어레이를 채용하는 실시예에서, 트랜스듀서 (52)는 동일한 주파에서 작동한다. 어떤 실시예에서, 고정장치(fixture)에 의하여 지지된 트랜스듀서(52)의 어레이를 채용하거나 로봇, 레일등에 의하여 도입되고 조작되던 간에, 더욱 효과적인 스케일을 붕괴시키기 위하여 2개의 트랜스듀서(52)가 서로 다른 주파수로 동시에 작동할 수 있다. 예를 들어, 어레이중의 하나의 트랜스듀서(52)는 25kHz 에서 작동하는 반면 또다른 트랜스듀서(52)는 40kHz 에서 작동한다. 응용예에서의 특정 주파수는 스케일 또는 슬러지의 위치(즉, "섀도우(shadow)" 영역에서 또는 자유 스팬 튜브 표면(free span tube surfaces)같이 노출된 표면상에서 튜브와 튜브시트 또는 지지판 사이의 갈라진 틈)에 따를 것이다. 또한, 퇴적형태 및 입자크기등의 작동조건들이 영향을 줄 수 있다.
트랜스듀서(52)가 정상파(standing wave)에 의해서 고진폭 파동에너지를 발생시키기 때문에, 에너지장은 트랜스듀서의 공진기의 길이를 따라서 불균일해진다. 그러나, 트랜스듀서 주위의 에너지장의 불균일성은 튜브번들내부의 산란 및 반사 뿐만 아니라 파동회절로 인하여 공진기로부터의 거리와 함께 감소되는 경향이 있다. 서로 다른 주파수를 사용함으로써, 초기 불균일 에너지장의 효과가 실질적으로 극복될 수 있고 기포형성과 붕괴의 패턴조차 생성할 수 있다.
보다 낮은 주파수에서, 기포는 그것들이 붕괴하기 전에 성장하는데 더 많은 시간을 걸리므로, 더 큰 힘을 가지고 붕괴하며 더 많은 에너지를 방출할 것이다. 또한, 에너지장에서의 물체가 파장 (25kHz 에서 2.4inches(6.1cm)이며 40kHz에서 1.5inches(3.8cm))과 동일한 크기를 갖을 때까지 섀도우가 생성되지 않기 때문에 보다 낮은 주파수에서 "섀도잉(shadowing)"이 줄어든다. 튜브직경이 1 inch(2.5cm) 보다 작고 따라서 상기 파장보다 더 작기 때문에, 섀도잉은 증기발생기의 퇴적물의 붕괴에 현저히 악영향을 미치지 않을 것이다. 또한, 상이한 주파수의 동시 사용은 튜브지지판과 흐름분포차폐판(baffle)의 증기발생기의 비교적 큰 내부구성요소의 " 투명도"를 감소시킬 수 있다. 더 높은 주파수에서, 파장이 더 짧아지기 때문에 파동회절은 증가하는 경향이 있다. 따라서, 튜브 뒤에서부터 퇴적물의 세정은 25kHz 에서 보다 40kHz에서 더욱 효과적이다.
유리하게는, 증기발생기내의 에너지장이 충분히 균일하다면, 튜브의 열(column) 사이의 공간과 상기 정상파 안티노드(antinode)를 정렬시키기 위해서 트랜스듀서(52)가 이동될 필요는 없다. 따라서, 세정시간은 실질적으로 감소될 수 있고 어떤 경우에는 "활성화된(energized)" 세정시간의 25% 까지 감소될 수 있다.
또한, 상이한 주파수는 그것의 노드 패턴에 겹치도록 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 25kHz 에서의 안티노드는 1.2inches(3cm) 떨어져 있고 40kHz 에서의 안티노드는 0.75inch 떨어져 있다. 따라서, 노드 패턴은 더 긴 파동의 파동주파수의 절반에 놓여질(overlaid) 수 있으며, 예를 들어, 40kHz 트랜스듀서(52)의 하나 거른(every other) 안티노드는 20kHz에 동조진 25kHz 트랜스듀서(52)의 각각의 노드와 튜닝될 수 있다.
본 발명은 물 및 미국특허 제 5,841,826호 및 제 5,764,717호에 의해서 개시된 바와 같이 스케일 조정제를 포함하는 수용액 또는 화학약품을 사용하기 위하여 본 명세서에서 참조로 하는 미국특허 제 5,194,223호 및 제 5,368,775호에 의하여 개시된 바와 같이 화학적 세정제를 사용할 수 있다. 용해된 가스의 존재는 추가적인 에너지를 필요로하기 때문에 물 또는 수용액을 탈기시키는 것이 바람직하다. 본 발명은 또한 이러한 실시예의 논의를 위하여 본 명세서에서 참조로 포함된 미국특허 제 4,079,701호, 제 4,276,856호, 제4,273,076호, 제 4,655,846호, 제4,699,665호, 제5,154,197호 및 제 5,564,371호에 개시된 바와 같이 슬러지 랜싱(sludge lancing), 압력펄싱(pressure pulsing), 상부 번들 유압 세정(upper bundle hydraulic cleaning) 및 다량 번들 세척(high volume bundle washing)과 같은 전통적인 유압세정방법을 포함하는 세정처리공정에서의 여러가지 단계들 중 하나를 또한 채용될 수 있다.
세정 쉘(shell) 및 용기(10)와 같은 튜브열교환기 뿐만 아니라, 본 발명은 탱크, 펌프, 파이프등의 유사한 컨테이너와 기타 용기의 내부구조부재의 표면을 세정하도록 채용될 수 있다. 또한, 용기는 이전에 고온수 또는 수증기에 노출되어왔던 이동식 조립체를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도시되고 기술되어 있으나, 본 발명의 다음 청구항의 범위내에서 본 발명이 이와 달리 다양하게 구현될 수 있다는 것이 이해되어져야 한다.

Claims (20)

  1. 표면으로부터 막, 스케일 또는 슬러지를 세정하기 위한 초음파세정방법에 있어서,
    상기 막, 스케일 또는 슬러지에 의하여 부분적으로 또는 전체적으로 덮힌 표면을 가지고 200℃ 이상의 온도에서 물 또는 증기에 이미 노출된 조립체를 포함하는 용기(10)내로 외면을 가지는 초음파트랜스듀서(52)를 도입하는 단계,
    액 내에 상기 초음파트랜스듀서(52) 및 상기 조립체 표면의 일부분 또는 전체를 잠기게 하는 단계, 및
    초음파에너지를 상기 액 내로 도입시키기 위하여, 상기 트랜스듀서 (52)외면에서 상기 용기 내의 액의 20 watt/gallon 내지 60 watt/gallon (5.3 내지 16 watts/liter)의 파워레벨로 또한 10KHz 에서부터 200KHz 에 이르는 주파수로 상기 초음파에너지를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스듀서(52) 외면에서, 초음파에너지가 10 watts/inch2 (1.6watts/cm2) 이상의 출력레벨로 생성되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    초음파에너지가 15 내지 40 watts/inch2 (2.3 내지 6.2 watts/cm2) 으로부터의 출력레벨로 발생되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액에 상기 초음파트랜스듀서(52)를 잠기게 하는 단계에 앞서, 상기 용기(10)에 상기 초음파트랜스듀서(52)를 매다는(suspending)단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초음파트랜스듀서(52)의 체인(53)이 상기 용기(10)에 매달려지는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파트랜스듀서(52)는, 조립체 표면을 세정하기 위하여 상기 용기(10)내의 판(20)의 슬롯(slot)(42)에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파트랜스듀서(52)는, 튜브시트(18)로부터 연장되는 튜브(16)번들 (tube bundle)내의 튜브레인(tube lane)안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    이격되어 서로 떨어진 튜브지지판(20) 사이의 튜브(16)번들내로 상기 초음파트랜스듀서(52)가 도입되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  9. 제1항에 있어서,
    초음파에너지를 발생시키는 단계에 앞서 상기 초음파트랜스듀서(52)를 이동시키는 단계,
    초음파에너지를 발생시키는 단계 후에 상기 초음파트랜스듀서(52)를 다시 이동시키는 단계, 및
    10KHz 에서부터 200KHz 까지의 주파수로 상기 초음파에너지를 상기 액내로 도입시키고 상기 트랜스듀서(52) 외면에서 10 watt/inch2(1.6 watts/cm2) 이상의 파워레벨에서 초음파에너지를 다시 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스듀서(52)가 에너지를 상기 액내로 도입할 때 상기 액을 통과하여 상기 트랜스듀서(52)를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초음파에너지를 상기 액내로 도입하면서 상기 트랜스듀서(52)는 0.1inch/minute(2.5mm/minute) 이상의 속도로 이동하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스듀서(52)를 상기 액을 통과하여 2개의 방향으로 이동시키는 로봇장치(54)상에서 트랜스듀서(52)어레이가 노즐(46)을 통하여 용기(10)내로 도입되는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 액은 스케일조정제(scale conditioning agent) 또는 화학세정제(chemical cleaning agent)를 포함하는 수용액인 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 초음파트랜스듀서(52)로부터 별도로 로봇장치(54)을 상기 용기(10)내로 도입시키는 단계, 및
    초음파에너지를 상기 액내로 도입하기 전에 상기 용기(10)내의 상기 로봇장치(54)상에 상기 초음파트랜스듀서(52)를 장착시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
  15. 제1항에 있어서,
    압력 펄스 세정 단계, 다량 튜브 번들 세척 단계, 상부 튜브 번들 유압세정 단계 및 슬러지 랜싱 단계로부터 선택된 하나의 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파세정방법.
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