一种钠钾合金回路拆除的可靠性施工方法

王增辉 WANG Zeng-hui；石建业 SHI Jian-ye

（核工业工程研究设计有限公司，北京 101300）

0 引言

钠钾液态金属试验回路自国内建成以来，已开展了一系列如导电、绝缘管道流的磁流体动力学、自由表面流体的MHD效应等基础学科的研究，产出了一大批具有国际影响力的科研成果，为我国科技进步作出了很大的贡献；但是随着科学试验装置老化或更新换代，越来越多的钠钾液态金属试验回路装置出现这样或者那样的问题，对原有试验回路进行相应的升级或改造的要求迫在眉睫。如何安全可靠、针对性的拆除钠钾试验回路管道及设备是当前各大研究院所在升级或改造过程中需解决的首要难题。

1 钠钾合金试验回路工艺介质特点

钠钾液态金属试验回路工艺介质为钠钾合金，它自身具有特殊的化学性：属于碱金属，化学性质非常活泼，在潮湿的空气中容易发生剧烈燃烧，遇水会发生剧烈反应并爆炸，其化学反应式如下：

①2Na+O2=2NaO+热量

②2K+O2=2KO+热量

③NaO+H2O=NaOH+热量

④KO+H2O=KOH+热量

⑤2Na+2H2O=NaOH+H2+热量

⑥2K+2H2O=KOH+H2+热量

⑦H2与空气混合发生剧烈爆炸

钠钾合金在燃烧或爆炸过程中会产生的大量气溶胶烟雾，不仅严重降低了事故现场的能见度，而且这些氧化物粉尘对人体的皮肤和普通衣料都有强烈的碱蚀灼伤作用，吸入呼吸道会严重损坏呼吸系统。所以在对科学实验装置进行升级改造过程中，应充分了解试验回路工艺流程及其组成，熟悉其介质的危害性，才能针对性地制定出切实可行的技术方案，从而保证升级或改造工作顺利和安全的开展。

2 钠钾液态金属试验回路拆除重难点

钠钾液态金属试验回路拆除过程中，对回路管道和容器内钠钾合金的安全可靠处理是回路拆除的一项重要工作。在查阅国内科研院所多年来对回路运行经验的了解和掌握，充分认识和理解了钠钾合金化学性质的活泼性，试验回路拆除前应做好钠钾处理详细技术方案和应急处理方案，并做好以下三项重难点工作内容。

①前期准备工作：前期准备工作包括根据钠钾处理技术方案，设计并加工相关专用的部件；施工人员个人防护用品和专用工具的准备；施工人员的培训和配合、协调工作；建立应急处理措施。②回路贮罐钠钾的处理：首先需对贮运罐进行清洗、抽真空以及加热烘烤，然后将钠钾液体采用液压方式压入贮运罐。少量、多次地将贮运罐内的钠钾液体与配制的专用液体进行化学反应，生成稳定的无害化合物后排放。③回路容器和管道钠钾的处理：试验回路管道钠钾合金工质排空后，管道内部会有挂壁、残留工质，残留的钠钾多达几千克。

3 可靠性方法工艺原理

钠钾液态金属试验回路管道拆除时，钠钾合金工质的保护和处理是重点，需解决：管道切割时，保证内部工质与空气隔绝；避免管道切割过程产生高温，控制切割湿度。我们通过实验和研究，提出氩气保护与液氮冷冻相结合的冷切割、氩气与饱和水蒸汽混合气缓慢氧化的后处理方法。管道切割时，通过气相部分（氩气）保护液相部分(钠钾合金)不与空气接触；通过液氮将管道急速冷冻，使内部液相部分变为固态，同时采用割管刀的冷切割方式避免切割瞬间产生高温，最终实现管道成功分离，如图1所示。

图1 管道内部残留钠钾合金溶液、切口及冷冻区域

该方法可以实现管道环切口底部无钠钾工质溢流和喷溅，实现管道切口处及管道内部钠钾工质与空气隔绝；管道切割拆除后，带有残留钠钾合金废液的管道处于密闭状态，用醇类或水直接反应剧烈，危险性较高，可以通过采用饱和水蒸气减小反应面积，并采用氩气保护从而控制反应速度的方法，实现混合气体与工质缓慢氧化，最终达到和平处理目的。

4 可靠性方法操作要求和实施步骤

4.1 操作要求

4.1.1 环境要求

管道切割、后处理施工应选在干燥的晴天进行，严禁在阴雨、大风天气进行施工，空气湿度应保证≤60%。施工场地布置做好科学、合理规划，现场应无其它水源、无火源，并保持现场良好的通风条件。

4.1.2 氩气保护要求

管道切割拆除时，应指派专人监控充氩气压力，保证回路供气压力在2-3kPa范围，随时监测氩气瓶内的氩气剩余气量，保证氩气瓶的气量能完成一个管道切口的切割和封堵。

4.1.3 橡胶塞和盲板制作要求

橡胶塞和盲板是用于管道切口的封堵，需在车间提前制作，橡胶塞和盲板处有接管，带有阀门（部分加压力表）；使用时将其直接与管口对接，便于后续充氩保护，制作示意图如图2。

图2 管道橡胶塞及盲板制作示意图

4.1.4 个人防护要求

管道切割时，施工人员需穿防火服、佩戴防护眼镜、防护面罩、防护皮手套、防护靴，领口、袖口绑扎结实，裤口应套在防护靴外侧，避免异物落入靴内。管道切口四周挂防火毯，保证管道切口与施工人员的物理隔离；切割时，向防火毯内插入摄像头以找准管道切口位置，施工人员通过观察摄像头相连的显示屏幕进行施工操作。

4.1.5 管道运输要求

待处理管道运输应选择干燥的晴天进行，严禁阴雨天气操作；运输之前需确认管道是否密封，是否有氩气保护，若无保护或密封措施，严禁运输；人工搬运管道，搬运过程至少需三人一同完成（一人监督，二人搬运），管道在搬运的过程中轻拿轻放，严禁碰撞管道；电瓶车运输时，整个运输过程也至少三人完成（一人驾驶、二人监督），严禁剧烈颠簸震动。电瓶车需有行驶证，电瓶车司机需驾驶证；运输管道要与电瓶车体固定在一起，控制电瓶车车速，减少运输过程中震动；管道运输过程中，车箱内至少有两人全程监护；管道装卸车时需轻拿轻放，严禁搬运时产生剧烈震动。

4.2 管道切割实施步骤

管道切割主要是完成液氮冷冻、管道切割、封堵的过程，整段管道的切割拆除步骤图见图3。

图3 钠钾管道切割步骤图

管道切割前，管道气相压力应调整为3-5kPa；首先在切口位置左右500mm范围内用液氮冷冻管道，用点温计测量冷冻温度控制在-40～-30℃。切割时，专人控制氩气压力，始终保持在3-5kPa，操作人员随时用点温计测量切口温度；管道切口下方应放置石蜡油桶，使切口部位残留的钠钾合金浸落石蜡油内，同时保证切割位置有氩气从接口流出。管道切断后，使用带阀门的橡胶塞堵漏，橡胶塞端头连接氩气进气管准备向管道内充氩气。管段用橡胶塞封堵后，需再套上橡胶手套用胶带绑扎牢固，如果管段存放时间较长，例如夜晚需存放时，必须用钢板焊接封堵，并转移至安全区域且在72h内将内部钠钾合金溶液处理完毕。

采用同种方法，进行第二道切口切割，切断后使用内窥镜观察管道内钠钾合金残余量；对于残余量较多的管道，缓慢倾斜将其内部钠钾合金倒入盛装石蜡油的铁桶中，然后对切口位置残留物采用棉纱布蘸取石蜡油，缓慢擦拭，直至切口内壁干净无异物，最后用橡皮胶塞或预制好的不锈钢板将切口进行封堵；对于残余量较少的管道，直接对切口擦拭后封堵（封堵方式同上）。切割完成后应将切割的管段放于指定存放区域，待后处理。石蜡油桶收集液面低于桶高50mm左右时，将收集桶盖上盖子放置于安全区域等待处理。

4.3 管道后处理实施步骤

管道后处理主要是完成管道充氩气、水蒸气，混合气体发生氧化反应，然后向管段内注水验证的过程，待处理管道处理步骤如图4。

图4 钠钾管道后处理步骤图

首先将待处理管道放置在处理装置（如图5）支撑架上，打开预热反应装置阀门V1、调节阀门V2，供气压力保持在2-3kPa。待处理管道内部排出氧气表示氩气已充满，此步骤不要求精确；然后装置将出口软管连接到管道橡胶塞接口处开始控制反应速度。

图5 钠钾管道处理装置图

预热保温管线和待处理管道，观测点温计示数待其达到90℃，缓慢打开带处理管段胶塞处阀门，同时打开蒸汽锅炉，使饱和水蒸气与氩气混合气体进入管道，进行缓慢氧化。通过控制氩气压力和饱和蒸汽速度，调整混合气体比例，从而调整与钠钾合金溶液的反应速率。

待装置反应一段时间，侧耳听管道内部无声音和用内窥镜观察其内部是否残留钠钾未判断反应完成的标准；若仍有可见钠钾合金残留，则继续用混合气缓慢将其氧化；若无可见钠钾合金残留，则关闭下部橡胶塞开关，向内部注满水使内部钠钾充分反应；反应完全后，回收管道至安全区域；收集盘中的碱性废液（主要是氢氧化钠溶液）装于塑料桶中交给废液公司处理。

5 可靠性措施

5.1 质量措施

施工前，做好人员的培训考核工作；施工人员和安全人员必须经过专业培训且考核合格，焊接、吊装、运输等施工人员必须经资格评定合格持证上岗。同时，检查确认所使用的机具及测量设备标定合格并在标定有效期；检查核对现场消防器材、防护用品的标识是否有效。施工过程中认真记录环境温湿度、记录氩气气瓶出口压力数值；对拆除管段及设备进行标号，严格按照拆除操作规程顺序开展拆除工作，并做好记录；拆除后的管段及设备严格按照拆除操作规程做好封堵保护。

5.2 安全措施

施工拆除前应规定建立施工作业控制区，施工现场配备专职安全员负责安全监督，严格管控进出人员，并做好登记记录；施工现场设置安全隔离区，拉警戒线、挂警示牌，张贴安全告示，并根据现场实际情况布置石墨灭火器和消防器材。施工作业应按相关要求办理作业票据，并保证后续作业中票据在有效期内；施工人员必须自觉遵守各项安全规章制度及操作规程，严格按照拆除方案及操作规程进行施工；进入施工现场的人员必须正确穿戴好劳动保护用品，佩戴安全帽必须系好下颌带，安全带在使用时应高挂低用，安全带不得打结使用。吊装作业，必须核实吊车起吊能力和设备重量，不得超负荷起吊，吊装时起重臂下严禁站人。每日做到安全早班会的安全技术交底，并留存记录；对施工现场每日安全动态巡检不少于两次，做好配电柜、配电箱的检查，对安全隐患及时提出并整改；若发生安全事故，要采取应急措施并及时向有关部门汇报。

5.3 环境保护

施工期应按照《中华人民共和国环境噪声污染防治法》和《建筑施工场界噪声限制》来安排施工方式和施工时间，降低施工噪声、减少振动，降低对周边生态环境的影响。加强施工现场噪声、废水、废气的监控工作，及时采取措施降低噪声、废气和废水的污染，做到无污染施工。施工垃圾必须采取有效合理的处理措施，采用封闭式临时专用垃圾道或者采用编织袋分类收集施工垃圾，应该集中堆放，并且及时清理，严禁乱扔乱放。拆除过程中产生的钠钾合金废液及管道容器内钠钾合金废液应分别存储，待后续统一处理；处理后的废液（氢氧化钠、氢氧化钾）应统一交由具有资质的废液公司回收处理。

5.4 应急处理

可能发生的钠钾事故主要有：飞溅、泄漏、火灾（爆炸）等三大类。针对事故不同类型，应采取不同的处置措施，主要措施包括：擦拭、冲洗、灭火、隔绝、堵漏、拦截、覆盖、转移和收集等。当确认发生钠钾事故时，现场人员必须保持冷静，在保证安全的情况下，采取相应的措施降低泄漏率、切断泄漏源。对泄露出的钠钾用干砂、膨胀石墨覆盖。如果有少量的钠钾在操作时意外溢出着火，应命令现场作业人员利用现场手动灭火装置进行扑灭，然后迅速撤离现场，并关闭事故房间房门。严禁在碱金属火灾事故发生时，使用水、二氧化碳、卤代烷、泡沫灭火剂及普通干粉灭火剂。可采取的灭火措施：氮气淹没、固定式膨胀石墨灭火剂喷撒、推车式膨胀石墨灭火器灭火、手提式膨胀石墨灭火器灭火、灭火剂盒和漏钠接收抑制盘、干砂。在碱金属火灾得到控制或熄灭后，应及时注意现场的通风降温，同时注意避免因通风过快而引起灭火剂保护层的破坏，发生二次燃烧。禁止用裸露水流进行降温，以免不慎造成碱金属与水的直接接触，发生爆炸等意外事故。火灾扑灭后，仍然要派人监护现场，消灭余火。

碱金属火灾烧伤人员的急救处理步骤如下：①尽快撤离发生事故的房间；②小心地脱去烧坏的衣服（必要时撕开）；③小心地用干或浸有植物油、脱水矿物油的棉纱把落在身上的可见的金属块从表皮除去；④当碱金属完全被除去后，用大量的水冲洗受伤的地方；⑤受伤的地方均匀涂抹润湿烧伤膏；⑥用干净的棉纱和纱布包扎受伤的地方；⑦将受伤人员安置在暖和的地方以待进一步治疗。

碱金属烟雾伤害人员处理步骤如下：①用水洗嘴和鼻孔；②喝果汁；③及时请医生后期处理。

当碱金属落入眼睛时，处理步骤如下：①用纱布团取出眼睛中的金属小块；②滴入数滴0.4%盐酸奥布卡因溶液；③过1-2分钟后，用水流充分冲洗，应用水流从眼睛的外角（太阳穴）向内（至鼻子）清洗；④再滴入数滴氧氟沙星滴眼液；⑤用纱布包扎；⑥及时将伤员送至医院。

6 应用案例及效益分析

2019年9月应用此方法，顺利完成了某研究院钠钾合金传热试验回路的拆除及后处理工作，该回路是国内首个以钠钾合金为工质的高温液态金属传热试验回路，试验回路拆除范围包括除钢结构、气路缓冲器、起泡器、分子筛外的所有设备和管道，如存储罐、膨胀罐兼冷却器、量筒、冷阱、加热器、管道、阀门、仪表、线缆、托盘，及其它附加设备如容变器、气体缓冲罐等均按要求拆除。采用本方法能够使钠钾合金回路在隔绝空气、控制温湿度、避免高温，全程在氩气保护下安全拆除，在碱金属（钠钾合金）试验回路拆除中具有开创性，能为后续国内碱金属试验回路的拆除工作提供参考与借鉴。通过对拆除人员的每一步操作进行规范、编制拆除操作规程及方案可行性分析，整个拆除工作处于规范化、标准化、高效化的状态。具有安全可控、便于施工、灵活高效的特点，便于推广，实用性强。

7 结论

钠钾合金试验回路拆除采用氩气保护与液氮冷冻相结合的冷切割方法、氩气与饱和水蒸汽混合气缓慢氧化的后处理可靠性方法，从系统完成性、气体保护有效性、钠钾合金收集等多方面充分考虑，保证了拆除顺序的科学合理，安全可控。该方法对常规的施工方法进行了创新、细化，可执行性强。对钠钾设备的每种操作制定安全防护要求和操作顺序，对碱金属火灾、烫伤等可能出现的紧急情况制定专门的处理措施，值得类似科研项目或工程项目推广使用。