某核電站RRI板式換熱器結(jié)垢物分析及處理

肖調(diào)兵 陳彥政 高路楊 章強 張飛

摘? 要：利用X射線熒光光譜、電子探針分析、X射線衍射光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜等分析方法，分析出某核電站設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式換熱器結(jié)垢物中不溶物質(zhì)成分及對應(yīng)的含量。并針對結(jié)垢物成分，利用鹽酸+檸檬酸對其開展了化學(xué)溶垢研究，研究結(jié)果表明，鹽酸+檸檬酸對核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)板式換熱器結(jié)垢物溶解能力較好。

關(guān)鍵詞：板式換熱器;結(jié)垢物;分析;化學(xué)清洗

中圖分類號：TK172? ? ?? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0131-03

Abstract： The composition and corresponding content of insoluble substances in the scale of plate heat exchanger in the cooling water system of a nuclear power plant were analyzed by means of X-ray fluorescence spectroscopy， electron probe analysis， X-ray diffraction spectroscopy， inductively coupled plasma mass spectrometry and so on. According to the composition of the scale， the study on chemical scale dissolving was carried out by using hydrochloric acid and citric acid. The results show that hydrochloric acid and citric acid have better ability to dissolve the scale in the plate heat exchanger of the cooling water system of nuclear island equipment.

Keywords： plate heat exchanger; scale; analysis; chemical cleaning

1 概述

換熱器的主要作用是把設(shè)備部件產(chǎn)生的熱量傳遞給冷源，而根據(jù)熱交換方式，可將其分為三類換熱器，即混合式換熱器、間壁式換熱器、蓄熱式換熱器，其中板式換熱器屬于間壁式換熱器[1]。板式換熱器應(yīng)用范圍較廣，如電力、船舶及化工行業(yè)等[1-2]。而板式換熱器在運行過程中，由于水中含有雜質(zhì)如鈣鎂元素，會在板式換熱器板片表面結(jié)垢，從而影響板式換熱器換熱效率。若不及時清除板片表面結(jié)垢物，結(jié)垢物會導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小，換熱性能降低，易引起局部溫度升高，最終影響設(shè)備材料性能和使用壽期[1]，因此，必須及時清除板式換熱器板片表面的結(jié)垢物。

本文針對某核電站核島設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（以下簡稱“RRI”）板式換熱器海水側(cè)結(jié)垢物進行了X射線熒光光譜（以下簡稱“XRF”）、電子探針分析、X射線衍射光譜（以下簡稱“XRD”）、電感耦合等離子體質(zhì)譜（以下簡稱“ICP-MS”）分析，確定板式換熱器結(jié)垢物主要成分，并開展了化學(xué)清洗研究。

2 試驗內(nèi)容

2.1 試驗材料

板式換熱器板片海水側(cè)結(jié)垢物;鹽酸、檸檬酸。

2.2 試驗方法

將結(jié)垢物倒入去離子水中靜置12h，去除表面漂浮物，過濾，真空干燥，得到干凈的結(jié)垢物樣品。然后開展XRF、電子探針、XRD及ICP-MS分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRF分析

通過X射線熒光光譜測試，得到圖1測試結(jié)果。從結(jié)果中可以看出垢樣中含有Mg，Al，Si，Ca，Mn，F(xiàn)e等主要幾種元素。由于垢樣主要來自海水，結(jié)合李慧等關(guān)于海水的主要成分研究，其主要成分見表1，由表1可知垢樣中的硫元素可能會以SO42-的形式存在，氯元素以Cl-的形式存在[3]。為確定結(jié)垢物中元素的組成，對結(jié)垢物開展了電子探針分析。

3.2 電子探針分析

表2為三組垢樣的電子探針分析測試結(jié)果。表2結(jié)果表明，3組樣品成分含量相差較大，說明現(xiàn)場垢樣中各成分分布很不均勻。但可從分析結(jié)果確定垢樣中主要含有Mg，Al，Si，Ca，Mn，F(xiàn)e等主要幾種元素;結(jié)合海水中離子在換熱器中蒸干后，會與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)形成金屬氧化物，所以推測垢樣中可能含有MgO，MgSO4，Al2O3，SiO2，CaSO4，CaO，MnO，MnO2，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2O3等幾種物質(zhì)。為確定垢樣中的具體成分，將對垢樣開展XRD分析，以進一步驗證和分析垢樣的成分。

3.3 XRD分析

通過對現(xiàn)場垢樣進行X射線衍射測試，如圖2所示，并用X'pert highscore plus 軟件分析XRD圖譜，再結(jié)合以上元素分析的結(jié)果，以及該垢樣是海水通過換熱器留下的殘渣，綜合分析得出現(xiàn)場垢樣的主要成分為MgO，Al2O3，SiO2，CaSO4，MnO，MnO2，F(xiàn)e2O3。

3.4 ICP-MS分析

為了進一步準確得到垢樣各組分的含量，對垢樣進行了ICP-MS測試（測量的結(jié)果均按氧化物換算），得出現(xiàn)場垢樣中各個組分的具體含量。表3中給出了各種元素以氧化物形式配出的ICP-MS分析含量。

3.5 結(jié)垢物的處理

結(jié)垢物的去除方法可分為物理方法和化學(xué)方法，其中物理方法包括超聲波除垢、高壓水射流除垢、電磁場除垢等，化學(xué)方法包括化學(xué)防垢及化學(xué)除垢，而對于板式換熱器這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱設(shè)備，結(jié)垢物堅硬，和傳熱片結(jié)合牢固，采用物理方法較難清除[4]，而即使清除干凈，也需花費大量人力物力，如核電站板式換熱器則采取完全拆除后，再用人工對每塊板子進行水力清洗。另利用阻垢劑進行阻垢，需要不斷向水中加藥，會增加電廠的生產(chǎn)成本，因此，對于該核電廠RRI板式換熱器結(jié)垢物的去除采用化學(xué)清洗方法。

針對RRI板式換熱器結(jié)垢物中含有鈣、鎂、硅等難溶性產(chǎn)物，結(jié)合化學(xué)清洗的特性，選取鹽酸+檸檬酸的化學(xué)清洗劑，對結(jié)垢物進行了溶解，如圖3所示，并對模擬垢樣未溶解部分的垢樣進行了XRD分析，如圖4所示。圖3～圖4結(jié)果表明，鹽酸+檸檬酸對現(xiàn)場垢樣和模擬垢樣的溶解率均大于70%，溶垢效果較好，而垢樣中未溶解成分主要為SiO2。這主要是鹽酸對金屬氧化物的溶解能力較強，對SiO2溶解能力有限，而檸檬酸主要通過絡(luò)合作用溶解金屬氧化物[5]，因此鹽酸+檸檬酸對SiO2的溶解能力較弱，溶垢后的產(chǎn)物主要為SiO2。

4 結(jié)論

通過對RRI板式換熱器結(jié)垢物分析及初步化學(xué)清洗研究，可得以下結(jié)論：

（1）RRI垢樣中不溶物質(zhì)成分主要為14.70%（SiO2）、7.47%（Al2O3）、5.76%（Fe2O3）、9.57%（CaSO4）、4.40%（MgO）、6.16%（MnO）和5.31%（MnO2）。

（2）鹽酸+檸檬酸在40℃條件下對RRI板式換熱器結(jié)垢物有較好的溶解能力，而未溶解的物質(zhì)主要為SiO2。

（3）建議針對RRI板式換熱器材料進一步開展鹽酸+檸檬酸的相容性試驗，以確定其是否適用于板式換熱器的清洗。

參考文獻：

[1]孫成，梁子元，梁瑞玲.板式換熱器換熱片結(jié)垢判斷方法研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2015（5）：36-39.

[2]韋國新，紀震.板式換熱器在船舶輪機中的應(yīng)用分析[J].船舶物資與市場，2019（8）：55-56.

[3]李慧，孫雨來，楊立華，等.溫度對鎂合金犧牲陽極材料電化學(xué)行為的影響研究[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（11）：64-68.

[4]徐會武，黃長山，吳晉英，等.板式換熱器的清洗[J].清洗世界，2010，26（1）：39-43.

[5]于亮.常見鍋爐清洗劑的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（13）：144-145.