以超声波方式清洗容器和管道的制作方法
【专利说明】以超声波方式清洗容器和管道
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2013年3月15日提交的美国临时申请第61/787，238号并且要求该申请的优先权，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。
【背景技术】
发明领域
[0003]本发明涉及使用由超声波换能器生成的声能来清洗(或阻止形成于)管道、容器、或工业体系中其它部件的表面上所聚积的沉积物。更具体地，本发明涉及使用换能器与部件之间的非永久性粘结而将超声波能量施用于此类管道、容器或其它部件。
发明概要
[0004]在工业体系中用于盛装和输送液体和/或蒸汽的容器、管道、和部件频繁地经受通过诸如化学沉淀、腐蚀、沸腾/蒸发、沉淀、和其它沉淀机制等过程而形成的沉积物的聚积。此类沉积物的累积可具有非常多的不利后果，包括热传输效率损失、流路堵塞、和流动流或人员的化学或放射性污染等。因此，以最小化系统(容器或管道位于其中)干扰的方式将此类沉积物有效移除和/或阻止对于许多工业设施操作员来说通常是优先的。
[0005]沉积物导致不利影响的一个此类应用涉及对在压力水反应器(PWR)动力厂的操作期间产生的放射性废液的处理。PWR工厂操作员通常希望将该废液处理为固体形式。用于产生固体废料的方法包括沥青固化(例如，根据在美国专利第4，832，874号中描述的方法)和水泥固化(例如根据Kaneko等人[I])。这些工艺的主要目的是实现稳定的固体形式-其比原始液体需要较小的体积-以作为安全存储和/或处置的方法。
[0006]在PWR废料固化工艺中的体积减小通常涉及使用转膜蒸发器作为从废流中去除水并允许分离的固体废料被进一步处理的方法。典型的转膜蒸发器包括:a)具有竖直取向的轴线的圆筒形容器；b)由外壳组成的加热套，所述外壳围绕容器，在容器和外壳之间形成环形区域；c)连接到容器上部的废液进料管；d)与容器的轴线对齐的中心转轴；e)附接到中心转轴的一系列刮片；f)设置在容器上端处的抽气管，其允许来自废流的蒸发水离开容器；以及g)设置在容器基座处的固体废料排出管。
[0007]转膜蒸发器藉以操作的基本过程可用以下顺序描述:1)液体PWR废料通过废料进料管进入蒸发器，2)该进入的废流与中心转轴接触并且通过轴的旋转动作而被引导至容器的内壁，在该内壁上在重力作用下下降；3)容器内壁通过与包含在加热套内的加压蒸汽或油接触而被加热；4)废液继而通过在下降时与容器内壁接触而被加热；5)废气达到其沸点，产生蒸汽(其现在通过容器向上上升)和固体废料沉积物(其在内容器壁上聚积)；以及6)刮片，其附接到中心转轴，释放出已在容器壁上聚积的固体废料沉积物，允许它们在重力作用下下降到容器基座并且然后通过废料排出管离开容器以用于进一步处理。
[0008]由于其基本功能的本质-通过沸腾产生固体-一些操作人员已经发现，在处理PWR废液中使用的转膜蒸发器可经受除了内容器壁以外还在各种内部部件表面上的废料沉积物的过量聚积。这些沉积物可不利地影响蒸发器的热传递特性、阻塞流动路径、并且以其他方式妨碍蒸发器和所连接的管道和设备的正常运转。
[0009]因此，需要用于移除这些沉积物的一些方法。一种方法由以下操作组成:部分地拆解蒸发器，之后用手工工具将沉积物从受影响表面手动移除。但是这种方法成本高昂，并涉及工人暴露于其从蒸发器部件表面移除的放射性沉积物的污染增大的风险。第二种方法涉及使用水切割技术。但是这种方法通常需要用费力的操作对蒸发器进行清洗，由于清洗用水的污染而生成另外的废液，增大人员受到污染的风险(例如，通过生成烟雾)，并且潜在地延长设备停工时间。水切割的效力还限制于水切割喷头可以瞄准线触及的那些蒸发器表面。
[0010]具有克服瞄准线限制和人员受到污染风险的可能性的一种方法是使用超声波清洗技术。许多年来，超声波换能器已在多种应用中用作高效地从表面移除不希望沉积物的方法。在许多情况下，这些应用涉及使用浸没在液体介质中的超声波换能器，使得声能从换能器传输到液体介质且然后从液体介质传输到包含沉积物的部件表面。该方法的示例包括换热器(诸如根据在美国专利第4，244，749号；第4，320，528号；第6，290，778号；和第6，572，709号以及本文引用的许多参考文献中所描述的方法和装置的管壳式换热器)的清洗。使用液体介质将声能直接传输到目标表面的超声波清洗技术的其他示例包括涉及其他工业部件或工艺(诸如金属部件的清洗(例如，日本公开第4-298274 (A)号)和从管道移除有机膜(例如，日本公开第7-198286号))的应用。
[0011]在许多应用中，包括例如用于处理上述液体PWR废料的转膜蒸发器，容器或管道的内表面不易于触及以安装常规超声波清洗系统，使得难以和/或无法通过在容器或管道内的液体介质而从超声波换能器直接输送声能(并且声能然后到达包含待清洗沉积物的表面)。另外，如之前针对转膜蒸发器所述，期望在系统操作期间的清洗最大限度地减少设备停工时间，这再一次使得难以或无法采用换能器将声能传输到液体介质并且然后传输到容器(诸如转膜蒸发器容器)内包含沉积物的表面。此外，在容器内的流体可为双相的(蒸汽和液体)，使得难以将声能从位于容器内的换能器传输到目标表面。
[0012]现有技术教示了使用位于容器、管道、或部件表面之外的超声波换能器是用于在线清洗应用的一个选项。具体地，美国专利第4，762，668号描述了用于在线清洗安装在管道中的文丘里流量喷嘴的超声波装置。该专利描述了将多个超声波换能器安装在管道的外表面上，其中将每个超声波换能器的共振器放置成通过弹黄加载而与文丘里喷嘴(位于管道中心)的外表面接触。
[0013]涉及使用外部换能器的现有技术的第二示例为日本专利公开第2005-199253号，其描述了涉及能够在包含于管状容器(诸如管道)内的液体中产生均匀声场并且从而提高在管状容器内的液体处理(例如，乳化、化学反应、废水处理)的效率的在外部安装的超声波换能器的发明。该发明描述了用夹具将超声波换能器附接到管道，其中夹具用螺纹连接件(诸如螺钉或螺栓)绷紧。
[0014]在美国专利第4，762，668号和日本专利公开第2005-199253号中描述的发明均依赖于换能器的共振器与部件(超声波将通过该部件传输)的外壁之间的表面到表面接触。由于即便是经仔细抛光的表面也具有固有的不平整性，因此共振器与部件之间的实际接触面积通常非常小，这限制了可将声能递送到目标部件的效率。另外，互相接触的表面之间的摩擦力生成热，进一步限制了传输效率。这些传输效率的降低需要对超声波换能器输入另外的能量，从而潜在地导致超声波解决方案不切实际，尤其当部件壁厚度较大时。另外，超声波能量传输对于表面到表面接触的依赖性可以不可预测地改变换能器/部件系统的动态特性。在其中通过超声波应用而在目标部件中感应的应力必须被限制以确保长期部件完整性的应用中，该不可预见性可成问题。从已示出大多数材料不表现疲劳强度(即，一个应力状态，在该应力状态下可施加无限数目的循环荷载，而不导致部件的疲劳破坏)的最近研究来看，这是尤其重要的(参见Kazymyrovych，[2])。
[0015]将换能器共振器附接到外壁的一些其它方法，诸如螺纹连接件(例如，螺栓)，同样依赖于表面到表面接触，并且因此存在与传输效率降低相同的问题。此外，此类方法需要对容器或部件外壁的永久性改形以促进附接。
[0016]作为传输超声波能量的方法的克服与表面到表面接触相关联的限制的现有方法包括焊接和铜焊。在20世纪50年代和20世纪60年代，关于磁致伸缩材料生成超声波能量的研发导致这样的应用，所述应用为其中换能器通过焊接或铜焊而粘结到目标表面。但在某些应用中，这些附接方法需要非常多的热输入到目标部件，这样可改变部件的冶金性能、应力状态、和/或尺寸。在其中例如必须通过昂贵的分析和/或检查技术使得通过焊接感应出的应力场合格的某些应用中，此类改变可能是不期望的。在其他应用中，通过焊接或铜焊引发的几何变形可导致干扰或以其他方式导致设备失效。另外，在必须实施对部件的重大改变以移除换能器的意义上来讲，特别使用焊接使得换能器安装为永久的。最后，对工业部件使用焊接变形通常涉及广泛的领域程序以及耗时且昂贵的操作员和/或部件供应商审批程序。
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