超声波及磁搅拌辅助超临界CO2清洗装置研制

邓景珊，程保良，陈思远，朱光伟，戴荧，胡德栋

（1.200233 上海市 国核电站运行服务技术有限公司；2.250101 山东省 济南市 山东奥诺能源科技股份有限公司；3.300199 江西省 南昌市 东华理工大学；4.266061 山东省 青岛市 青岛科技大学）

0 引言

核电站一些零部件往往会沉积放射性物质，目前主要的清洗方式为基于化学溶液的超声波清洗，化学清洗会产生大量的放射性液态，给后面的放射性水存储和处理造成很多困难。超临界CO2流体是指处于临界压力（7.38 MPa）和临界温度（31.1℃）以上的 CO2，有气体的性质，具有粘度低、表面张力小和对溶解对象的传输速率大等特点；同时，超临界CO2流体具有液态CO2特性，密度与液态CO2相当,对材料表面的有机污物和一些无机污物具有较强的溶解能力[1-3]。可以利用超临界CO2作为清洗的溶剂，加入适量的化学清洗剂（夹带剂），一方面可以提高清洗效率，缩短清洗时间；另一方面，通过减低压力和温度，很容易将污垢与超临界CO2流体分离，最后CO2以气体的方式经过滤器后排掉，产生的放射性废物很少，实现放射性废物的减量化[4-9]。为了进一步提高清洗效率和洁净度，可以在清洗釜上设计安装超声波振子和磁搅拌器[10-14]。

1 清洗装置组成

所研制的超临界CO2清洗装置由磁搅拌清洗釜、常规清洗釜、第一级分离釜、第二级分离釜、高压泵、冷水机、流量计、压力表、温度计、阀门、管路等组成。磁搅拌清洗釜与常规清洗釜为间歇式工作[1]，磁搅拌器清洗釜内安装有两组棒式超声波振盒，磁搅拌清洗釜和常规清洗釜的容积均为29 L。装置的流程图见图1。

图1 超临界CO2清洗装置流程图Fig.1 Sketch of supercritical CO2cleaning device

将待清洗的零件放入清洗釜中，CO2由气瓶出来，以气态形式经过过滤器，经冷水机冷却变成液态后存储在储罐中，由高压泵将液态CO2经与夹带剂混合后，进入清洗釜（磁搅拌釜或常规清洗釜）。在清洗釜中，控制压力和温度高于临界点，使CO2处于超临界状态，通过冲刷、浸泡和化学作用对零件进行清洗。清洗后的CO2流体在第一分离釜中，完成CO2与污垢的分离，第二分离釜进行再次分离。分离后的CO2流体返回到CO2气瓶出口处，循环使用。

2 清洗装置设计

清洗釜及分离釜作为超临界CO2流体零部件清洗装置中的关键设备都属于承压设备，对其进行设计时首先要考虑其安全性，同时考虑到清洗釜及分离釜作为工业化清洗设备需要进行频繁开启与关闭，因此在对清洗釜及分离釜进行设备设计时需采用自/手动快开结构，在保证安全的前提下追求高效。

2.1 超声波和磁搅拌辅助清洗釜设计

超声波及磁力搅拌辅助清洗釜主要结构包括磁力驱动装置、超声波装置、卡箍、上端盖、筒体、下端盖、保温夹套、料框等，其装配图见图2。

图2 磁力搅拌清洗釜装配图Fig.2 Assembly drawing of magnetic stirring cleaning kettle

（1）上端盖

考虑到磁力搅拌清洗釜在一次清洗过程中需要进行将上端盖开启与关闭的工作，因此磁力搅拌清洗釜的上端盖与筒体连接方式应为快开结构，磁力搅拌清洗釜的上端盖与筒体连接方式为卡箍连接。磁力搅拌清洗釜的上端盖设有安装磁力驱动装置与超声波装置的开孔，磁力驱动装置的搅拌轴部分通过上端盖伸入筒体内部，磁力驱动装置与上端盖采用法兰盘固定，超声波装置振子部分通过上端盖伸入筒体内部，其余部分与上端盖焊接固定。上端盖外侧采用与卡箍配合的结构，下部有一部分伸入筒体且开有O 型圈槽以便与筒体形成径向密封。

（2）筒体

磁力搅拌清洗釜的筒体部分设有超临界CO2进口与出口接管的开孔以及外接压力表接管的开孔，磁力搅拌清洗釜的筒体外侧包裹保温夹套，保温夹套的保温介质为水并设有水进口和水出口。筒体端部采用与卡箍配合的结构。

（3）卡箍

卡箍的作用是连接筒体与上端盖，采用两段式结构，即将卡箍分成对称的两段并分别在两段的端部安装销孔进行紧固连接。

（4）其他结构

磁力搅拌清洗釜的下端盖与筒体采用焊接的方式连接，下端盖开有与排污管线连接的孔；磁力搅拌清洗釜底部设有用于支撑磁力搅拌清洗釜的支架使之底部与地面留出一定空间，以便于安装高压管线及阀门。

根据GB 150-2011《压力容器》标准释义，对磁搅拌清洗釜进行设备设计、计算和强度校核。设计参数及计算结果列于表1。

表1 磁搅拌清洗釜设计参数与计算参数Tab.1 Design and calculation parameters of magnetic stirring cleaning kettle

2.2 常规清洗釜设计

常规清洗釜相对磁力搅拌清洗釜内径较小，高度较高，目的是对某些细长且清洗要求不高的零部件进行清洗。图3 为常规清洗釜装配图。

图3 普通清洗釜装配图Fig.3 Assembly drawing of common cleaning kettle

常规清洗釜包括卡箍、上端盖、筒体、下端盖、保温夹套、接管等。上端盖与筒体也采用快开结构卡箍连接。上端盖外侧与筒体端部外侧采用与卡箍配合的对称结构。上端盖下部有凸出伸入至筒体内部，凸出部分开有O 型圈槽。上端盖与筒体采用密封方式为径向自紧式密封。卡箍采用二段式并在每段末端设有销孔。筒体上开有超临界CO2进出口和外接压力表连接口，筒体被保温夹套包裹，保温夹套上开有保温介质进出接口。下端盖与筒体采用焊接方式连接。下端盖底部开有排污孔。表2 为设计参数与计算参数。

表2 常规清洗釜设计参数与计算参数Tab.2 Design and calculation parameters of conventional cleaning kettle

2.3 分离釜设计

分离釜的作用是将清洗完成后的超临界CO2流体降温减压，使其恢复到气态。此时污垢从CO2流体中析出并在分离釜中收集，分离釜相对于清洗釜不需要频繁的开启与关闭，但也需要定期打开进行清理，因此分离釜选用螺纹连接结构。图4 是分离釜结构图。

图4 分离釜装配图Fig.4 Assembly drawing of separation kettle

分离釜包括螺纹压环、筒体、下端盖、保温夹套、接管等。分离釜上端盖与筒体采用螺纹连接。上端盖包括堵头和螺纹压环两部分，堵头下部开有O 型圈槽。堵头由筒体端部伸入筒体内通过O 型圈与筒体组成径向密封，螺纹压环与堵头配合，并于筒体端部采用螺纹连接，以便将堵头与筒体形成轴向约束。分离釜筒体部分开有超临界CO2进出口和外接压力表及泄压管线接口，筒体被保温夹套包裹，保温夹套上开有保温介质进出口。分离釜下端盖与筒体采用连接方式为焊接，下端盖底部开有排污口。表3 为分离釜设计参数和计算参数。

表3 分离釜设计参数与计算参数Tab.3 Design and calculation parameters of separation kettle

3 设备安装调试

由南通铂拓实验设备有限公司根据超声波及磁搅拌辅助超临界CO2清洗装置的设计图纸，完成整套装置的加工制造，实物图见图5。

图5 超声波及磁搅拌辅助超临界CO2清洗装置图Fig.5 Ultrasonic-and-magnetic-stirring-assisted supercritical CO2cleaning device

该装置在50℃、20 MPa 及携带剂加入量为100 mL 的条件下，对配制核污染试样清洗55 min后，其α放射性去污率达到95%以上，γ和β放射性去污率达到90%以上。

4 结论

本文所研制的超临界CO2清洗装置具有两个清洗釜：一个带有超声波和磁搅拌器，另一个为常规清洗釜。超声波振子采用棒式振子，占用空间小，易于安装。两个清洗釜顶盖皆为液压驱动的自动开启和关闭功能。通过实验可以发现α放射性去污率达到95%以上，γ和β放射性去污率达到90%以上。该实验装置及实验结果为超临界CO2清洗技术在核工业去污提供了应用基础。