Способ парогазовой очистки стальных изделий

Изобретение относится к способам очистки от отложений стальных изделий, например, труб парогенераторов и иных теплообменных аппаратов, в том числе из сталей аустенитного класса, и может быть использовано в атомной, энергетической, машиностроительной, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ парогазовой очистки стальных изделий, включающий продувку их водяным паром, в который вводят водный раствор карбоновой кислоты (Патент РФ RU 2557155, кл. F28G 9/00, опублик. 20.07.2015). В результате термического разложения водного раствора карбоновой кислоты (уксусной, пропионовой, муравьиной и др.) в паровом растворе образуется оксид углерода, который химически восстанавливает железооксидные отложения до элементарного железа, которое затем в виде мелкодисперсной пыли удаляется паровым потоком с поверхности стальных изделий. В известном способе для очистки стальных изделий от железооксидных отложений используется трехэтапная последовательность операций, а именно: вслед за обработкой карбоновой кислотой в поток водяного пара вводят газообразный водород, а затем на третьем этапе в поток водяного пара вводят газообразный кислород.

У известного способа имеется ряд недостатков. Эффективность способа существенно ограничивается низким расходом подаваемого в паровую среду газообразного водорода, а взрывоопасность последнего требует применения дополнительных мер безопасности. Кроме того, при использовании газообразного кислорода на третьем этапе очистки следует учитывать возможность развития коррозионного растрескивания под напряжением изделий, изготовленных из сталей аустенитного класса и никелевых сплавов, наиболее широко применяющихся для изготовления теплообменных труб парогенераторов атомных электростанций.

Задача заявленного изобретения состоит в более эффективной и безопасной очистке стальных изделий, в том числе изготовленных из сталей аустенитного класса, и повышении их надежности в процессе эксплуатации после очистки от отложений.

Технический результат изобретения состоит в том, что предложенная последовательность этапов способа очистки стальных изделий и используемые на этих этапах химические реакции интенсифицируют процесс очистки стальных изделий за счет увеличения содержания в реакционной среде реагента - водорода, получаемого взрывобезопасным химическим путем, и одновременно с этим предотвращает риск коррозионного растрескивания под напряжением стальных изделий, изготовленных из сталей аустенитного класса, например теплообменных труб парогенераторов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе парогазовой очистки стальных изделий, заключающемся в том, что очистку проводят путем их продувки водяным паром, в который вводят водный раствор карбоновой кислоты, после очистки паровым кислотным раствором в водяной пар вводят водный раствор этанола, разлагающийся в результате паровой конверсии с выделением водорода.

В предпочтительном варианте в заявленном способе в качестве карбоновой кислоты используют муравьиную кислоту. После очистки стальных изделий указанным способом при необходимости может быть осуществлена пассивация их поверхностей. Указанный способ предпочтителен для осуществления в отношении стальных изделий из сталей аустенитного класса, поскольку в этом случае пассивация поверхности после очистки не требуется.

Осуществление способа показано ниже на примере очистки труб теплообменного аппарата из стали аустенитного класса, представляющих собой один из возможных примеров стального изделия.

Для очистки труб теплообменного аппарата из стали аустенитного класса, например парогенератора, от эксплуатационных отложений выполняют их двухэтапную продувку водяным паром с введением в него реагентов, обеспечивающих процесс очистки. Поскольку действие реагентов реализуется при повышенных температурах, то с противоположной стороны поверхности труб теплообменного аппарата может при этом находиться теплоноситель при рабочих значениях теплотехнических параметров.

На первом этапе очистки в поток водяного пара дозируют водный раствор карбоновой кислоты, например муравьиной. Термическое разложение муравьиной кислоты с выделением оксида углерода и восстановление им оксидов железа происходят по следующим химическим реакциям:

Вследствие этой реакции обеспечивается разрыхление исходного слоя отложений (накипи) и предварительное очищение поверхности стального изделия. При этом начинают появляться освобожденные от отложений участки поверхности металла, которые нежелательно обрабатывать кислотой во избежание их коррозионного растравливания и износа. В связи с этим на втором этапе очистки в паровой поток дозируют водный раствор этанола, который в отличие от кислоты практически не взаимодействует с очищенными от отложений ювенильными участками стальных изделий. Паровой раствор этанола подвергается термолизу с образованием водорода, который обеспечивает восстановление остатков железооксидных отложений. Паровая конверсия этанола и доочистка стальных изделий от железооксидных отложений водородом происходит по следующим химическим реакциям:

Таким образом, на втором этапе осуществляют окончательную очистку поверхности труб элиминированием оставшихся отложений, при которой образуется и удаляется паровым потоком в виде мелкодисперсной пыли восстановленное железо. Существенная новизна по отношению к аналогам при этом состоит в том, что транспортирующая среда (водяной пар) участвует в процессе очистки, вступая в химическую реакцию с химическим восстановителем - этанолом. В результате этой реакции безопасным способом выделяется и подается к поверхности труб реагент (водород), обеспечивающий восстановление оксидных отложений.

Использованием водного раствора этанола достигается существенное увеличение содержания водорода в паровом потоке и тем самым контролируется эффективность процесса очистки, при этом исключение операций хранения и транспортировки взрывоопасного газообразного водорода обеспечивает высокий уровень безопасности технологического процесса. Отсутствие в заявленном способе введения в очищающую паровую среду газообразного кислорода предотвращает риск инициирования коррозионного растрескивания под напряжением очищаемых стальных изделий, обеспечивая их последующую надежную эксплуатацию.

Предлагаемый способ может применяться к стальным изделиям, изготовленным из разных типов сталей. Для некоторых сталей после применения способа может потребоваться пассивация поверхности изделия с целью предотвращения последующей интенсивной коррозии. Если очищаемое изделие выполнено из стали аустенитного класса, то проведение пассивации не требуется, поскольку предлагаемый способ очистки не создает условий для усиления коррозии изделий из сталей аустенитного класса.

Заявленный способ разрабатывался в первую очередь для использования в атомных энергетических установках, а конкретнее - для парогенераторов ядерного реактора на быстрых нейтронах с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем БРЕСТ-ОД-300. В указанном проекте применена конструкция парогенератора, в котором теплоноситель - жидкий свинец - циркулирует в межтрубном пространстве парогенераторов, а пароводяная смесь прокачивается внутри его труб. Для проведения паровой очистки отключают подачу питательной воды в один из парогенераторов, не прекращая эксплуатацию остальных и не останавливая циркуляцию теплоносителя в межтрубном пространстве парогенератора. Вместо питательной воды в очищаемый парогенератор направляют поток перегретого пара, дозируя в него сначала водный раствор карбоновой кислоты, например муравьиной, а затем водный раствор этанола. Таким образом, очистку труб парогенераторов осуществляют поочередно «на ходу», то есть на работающем реакторе, в диапазоне предпочтительных температур процесса от 380 до 420°C. При этом перегретый пар под давлением 2,5 МПа продувают в трубах со скоростью 25-50 м/с. Узел дозирования водного раствора муравьиной кислоты во впрыскивающем устройстве настраивают на обеспечение массовой доли оксида углерода в паровой среде, равной 1 г/кг. Аналогичным образом узел дозирования водного раствора этанола во впрыскивающем устройстве регулируют на создание массовой доли водорода в паровой среде, равной 0,5 г/кг.