以超聲波方式清洗容器和管道的制作方法
【專利說明】以超聲波方式清洗容器和管道
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于2013年3月15日提交的美國臨時申請第61/787，238號并且要求該申請的優(yōu)先權，所述申請的全部內容以引用方式并入本文。
【背景技術】
發(fā)明領域
[0003]本發(fā)明涉及使用由超聲波換能器生成的聲能來清洗(或阻止形成于)管道、容器、或工業(yè)體系中其它部件的表面上所聚積的沉積物。更具體地，本發(fā)明涉及使用換能器與部件之間的非永久性粘結而將超聲波能量施用于此類管道、容器或其它部件。
發(fā)明概要
[0004]在工業(yè)體系中用于盛裝和輸送液體和/或蒸汽的容器、管道、和部件頻繁地經(jīng)受通過諸如化學沉淀、腐蝕、沸騰/蒸發(fā)、沉淀、和其它沉淀機制等過程而形成的沉積物的聚積。此類沉積物的累積可具有非常多的不利后果，包括熱傳輸效率損失、流路堵塞、和流動流或人員的化學或放射性污染等。因此，以最小化系統(tǒng)(容器或管道位于其中)干擾的方式將此類沉積物有效移除和/或阻止對于許多工業(yè)設施操作員來說通常是優(yōu)先的。
[0005]沉積物導致不利影響的一個此類應用涉及對在壓力水反應器(PWR)動力廠的操作期間產(chǎn)生的放射性廢液的處理。PWR工廠操作員通常希望將該廢液處理為固體形式。用于產(chǎn)生固體廢料的方法包括瀝青固化(例如，根據(jù)在美國專利第4，832，874號中描述的方法)和水泥固化(例如根據(jù)Kaneko等人[I])。這些工藝的主要目的是實現(xiàn)穩(wěn)定的固體形式-其比原始液體需要較小的體積-以作為安全存儲和/或處置的方法。
[0006]在PWR廢料固化工藝中的體積減小通常涉及使用轉膜蒸發(fā)器作為從廢流中去除水并允許分離的固體廢料被進一步處理的方法。典型的轉膜蒸發(fā)器包括:a)具有豎直取向的軸線的圓筒形容器；b)由外殼組成的加熱套，所述外殼圍繞容器，在容器和外殼之間形成環(huán)形區(qū)域；c)連接到容器上部的廢液進料管；d)與容器的軸線對齊的中心轉軸；e)附接到中心轉軸的一系列刮片；f)設置在容器上端處的抽氣管，其允許來自廢流的蒸發(fā)水離開容器；以及g)設置在容器基座處的固體廢料排出管。
[0007]轉膜蒸發(fā)器藉以操作的基本過程可用以下順序描述:1)液體PWR廢料通過廢料進料管進入蒸發(fā)器，2)該進入的廢流與中心轉軸接觸并且通過軸的旋轉動作而被引導至容器的內壁，在該內壁上在重力作用下下降；3)容器內壁通過與包含在加熱套內的加壓蒸汽或油接觸而被加熱；4)廢液繼而通過在下降時與容器內壁接觸而被加熱；5)廢氣達到其沸點，產(chǎn)生蒸汽(其現(xiàn)在通過容器向上上升)和固體廢料沉積物(其在內容器壁上聚積)；以及6)刮片，其附接到中心轉軸，釋放出已在容器壁上聚積的固體廢料沉積物，允許它們在重力作用下下降到容器基座并且然后通過廢料排出管離開容器以用于進一步處理。
[0008]由于其基本功能的本質-通過沸騰產(chǎn)生固體-一些操作人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在處理PWR廢液中使用的轉膜蒸發(fā)器可經(jīng)受除了內容器壁以外還在各種內部部件表面上的廢料沉積物的過量聚積。這些沉積物可不利地影響蒸發(fā)器的熱傳遞特性、阻塞流動路徑、并且以其他方式妨礙蒸發(fā)器和所連接的管道和設備的正常運轉。
[0009]因此，需要用于移除這些沉積物的一些方法。一種方法由以下操作組成:部分地拆解蒸發(fā)器，之后用手工工具將沉積物從受影響表面手動移除。但是這種方法成本高昂，并涉及工人暴露于其從蒸發(fā)器部件表面移除的放射性沉積物的污染增大的風險。第二種方法涉及使用水切割技術。但是這種方法通常需要用費力的操作對蒸發(fā)器進行清洗，由于清洗用水的污染而生成另外的廢液，增大人員受到污染的風險(例如，通過生成煙霧)，并且潛在地延長設備停工時間。水切割的效力還限制于水切割噴頭可以瞄準線觸及的那些蒸發(fā)器表面。
[0010]具有克服瞄準線限制和人員受到污染風險的可能性的一種方法是使用超聲波清洗技術。許多年來，超聲波換能器已在多種應用中用作高效地從表面移除不希望沉積物的方法。在許多情況下，這些應用涉及使用浸沒在液體介質中的超聲波換能器，使得聲能從換能器傳輸?shù)揭后w介質且然后從液體介質傳輸?shù)桨练e物的部件表面。該方法的示例包括換熱器(諸如根據(jù)在美國專利第4，244，749號；第4，320，528號；第6，290，778號；和第6，572，709號以及本文引用的許多參考文獻中所描述的方法和裝置的管殼式換熱器)的清洗。使用液體介質將聲能直接傳輸?shù)侥繕吮砻娴某暡ㄇ逑醇夹g的其他示例包括涉及其他工業(yè)部件或工藝(諸如金屬部件的清洗(例如，日本公開第4-298274 (A)號)和從管道移除有機膜(例如，日本公開第7-198286號))的應用。
[0011]在許多應用中，包括例如用于處理上述液體PWR廢料的轉膜蒸發(fā)器，容器或管道的內表面不易于觸及以安裝常規(guī)超聲波清洗系統(tǒng)，使得難以和/或無法通過在容器或管道內的液體介質而從超聲波換能器直接輸送聲能(并且聲能然后到達包含待清洗沉積物的表面)。另外，如之前針對轉膜蒸發(fā)器所述，期望在系統(tǒng)操作期間的清洗最大限度地減少設備停工時間，這再一次使得難以或無法采用換能器將聲能傳輸?shù)揭后w介質并且然后傳輸?shù)饺萜?諸如轉膜蒸發(fā)器容器)內包含沉積物的表面。此外，在容器內的流體可為雙相的(蒸汽和液體)，使得難以將聲能從位于容器內的換能器傳輸?shù)侥繕吮砻妗?br>[0012]現(xiàn)有技術教示了使用位于容器、管道、或部件表面之外的超聲波換能器是用于在線清洗應用的一個選項。具體地，美國專利第4，762，668號描述了用于在線清洗安裝在管道中的文丘里流量噴嘴的超聲波裝置。該專利描述了將多個超聲波換能器安裝在管道的外表面上，其中將每個超聲波換能器的共振器放置成通過彈黃加載而與文丘里噴嘴(位于管道中心)的外表面接觸。
[0013]涉及使用外部換能器的現(xiàn)有技術的第二示例為日本專利公開第2005-199253號，其描述了涉及能夠在包含于管狀容器(諸如管道)內的液體中產(chǎn)生均勻聲場并且從而提高在管狀容器內的液體處理(例如，乳化、化學反應、廢水處理)的效率的在外部安裝的超聲波換能器的發(fā)明。該發(fā)明描述了用夾具將超聲波換能器附接到管道，其中夾具用螺紋連接件(諸如螺釘或螺栓)繃緊。
[0014]在美國專利第4，762，668號和日本專利公開第2005-199253號中描述的發(fā)明均依賴于換能器的共振器與部件(超聲波將通過該部件傳輸)的外壁之間的表面到表面接觸。由于即便是經(jīng)仔細拋光的表面也具有固有的不平整性，因此共振器與部件之間的實際接觸面積通常非常小，這限制了可將聲能遞送到目標部件的效率。另外，互相接觸的表面之間的摩擦力生成熱，進一步限制了傳輸效率。這些傳輸效率的降低需要對超聲波換能器輸入另外的能量，從而潛在地導致超聲波解決方案不切實際，尤其當部件壁厚度較大時。另外，超聲波能量傳輸對于表面到表面接觸的依賴性可以不可預測地改變換能器/部件系統(tǒng)的動態(tài)特性。在其中通過超聲波應用而在目標部件中感應的應力必須被限制以確保長期部件完整性的應用中，該不可預見性可成問題。從已示出大多數(shù)材料不表現(xiàn)疲勞強度(即，一個應力狀態(tài)，在該應力狀態(tài)下可施加無限數(shù)目的循環(huán)荷載，而不導致部件的疲勞破壞)的最近研究來看，這是尤其重要的(參見Kazymyrovych，[2])。
[0015]將換能器共振器附接到外壁的一些其它方法，諸如螺紋連接件(例如，螺栓)，同樣依賴于表面到表面接觸，并且因此存在與傳輸效率降低相同的問題。此外，此類方法需要對容器或部件外壁的永久性改形以促進附接。
[0016]作為傳輸超聲波能量的方法的克服與表面到表面接觸相關聯(lián)的限制的現(xiàn)有方法包括焊接和銅焊。在20世紀50年代和20世紀60年代，關于磁致伸縮材料生成超聲波能量的研發(fā)導致這樣的應用，所述應用為其中換能器通過焊接或銅焊而粘結到目標表面。但在某些應用中，這些附接方法需要非常多的熱輸入到目標部件，這樣可改變部件的冶金性能、應力狀態(tài)、和/或尺寸。在其中例如必須通過昂貴的分析和/或檢查技術使得通過焊接感應出的應力場合格的某些應用中，此類改變可能是不期望的。在其他應用中，通過焊接或銅焊引發(fā)的幾何變形可導致干擾或以其他方式導致設備失效。另外，在必須實施對部件的重大改變以移除換能器的意義上來講，特別使用焊接使得換能器安裝為永久的。最后，對工業(yè)部件使用焊接變形通常涉及廣泛的領域程序以及耗時且昂貴的操作員和/或部件供應商審批程序。
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