Способ дезактивации поверхности нержавеющих и углеродистых сталей с эффектом полировки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩИХ И УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ С ЭФФЕКТОМ ПОЛИРОВКИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Каменев Анатолий Яковлевич Климова Людмила Александровна Левчук Артем Васильевич Глембоцкий Артур Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(57) Способ дезактивации поверхности нержавеющих и углеродистых сталей с эффектом полировки, при котором проводят обработку поверхности в электрогидродинамическом режиме при температуре 70-85 С, напряжении 250-350 В и плотности тока 10-20 А/дм 2 в течение 1-6 минут в водном растворе, содержащем сульфат аммония и мочевину при следующем соотношении компонентов, мас.сульфат аммония 1-3 мочевина 1-3 вода остальное. Изобретение относится к области ядерных технологий, в частности к дезактивации оборудования АЭС, обеспечения безопасности его эксплуатации, охраны окружающей среды и защиты обслуживающего персонала от переоблучения при проведении профилактических и ремонтных работ. При работе АЭС образуются радиоактивные продукты коррозии, которые поступают в водный теплоноситель и откладываются на поверхности оборудования, входящего в состав циркуляционного контура, и прочно с ней связываются. Вследствие этого оно становится радиоактивным, что затрудняет его обслуживание и ремонт. По этой причине радиоактивные отложения периодически удаляют, используя различные способы воздействия на них с целью разрушения. Для дезактивации поверхности используют электрохимические процессы, в частности такие, которые приводят не только к растворению радиоактивных отложений, но и к облагораживанию самой поверхности, а именно к ее гомогенизации, сглаживанию шероховатости и полировке. При этом полировка снижает износ и коррозию и уменьшает восприимчивость к радиоактивным загрязнениям. 17008 1 2013.04.30 Известен способ электрохимической дезактивации поверхности с получением эффекта полировки, включающий обработку при температуре 50 С и плотности тока 20 А/дм 2 в течение 1-20 минут в электролите, содержащем 50,8 мас.фосфорной кислоты,44,7 мас.серной кислоты, 4,4 мас.хромового ангидрида 1. При этом эффективность электрохимической дезактивации выше эффективности химической дезактивации в 210 раз. Все способы электрохимической дезактивации, в том числе и способы с получением эффекта полировки, имеют существенный недостаток, заключающийся в использовании в больших количествах агрессивных, токсичных веществ и кислот, которые в процессе дезактивации насыщаются радионуклидами и сами становятся радиоактивными,вследствие чего их переработка составляет еще одну трудно решаемую проблему. Известен способ электрохимической дезактивации поверхности, включающий обработку при температуре 50 С и плотности тока 20 А/дм 2 в течение 1-20 минут с использованием водного электролита, содержащего 80 мас.фосфорной кислоты, 10 мас.серной кислоты 1. Однако этот метод также использует в больших количествах агрессивные, вредные вещества (кислоты), которые в процессе дезактивации насыщаются радионуклидами и сами становятся радиоактивными, вследствие чего их переработка составляет еще одну трудно решаемую проблему. Известен способ струйной электрохимической дезактивации и осветления нержавеющей стали, включающий обработку при плотности тока 250-700 А/дм 2 в течение 1-2 минут, в котором используют водный электролит, содержащий 8-10 мас.фосфорной кислоты, 2-2,5 мас.серной кислоты 1. В этом способе расход электролита составляет 0,2-0,4 л/мин, производительность обработки 600-700 рабочих площадей электрода. Недостатком способа является нецелесообразность его применения при дезактивации оборудования с высоким уровнем радиационного загрязнения, так как удельная активность его достигает 10-2-10-3 Ки/л. Известен способ электрохимической дезактивации металлической поверхности с использованием водного электролита, содержащего 40-80 мас.фосфорной кислоты, в котором эффективная дезактивация достигается при температуре 48-80 С, напряжении 8-12 В и плотности тока 500-5000 А/дм 2 2. Недостатком способа, кроме того, что он использует в больших количествах и концентрациях вредную кислоту, является необходимость повышения плотности тока до 2000-5000 А/дм 2 и переработки электролитов, насыщенных радионуклидами в процессе дезактивации, что составляет еще одну проблему. Известен вневанный способ электрохимической обработки (дезактивации), который заключается в интенсивном электрохимическом растворении поверхностного слоя металлов и отложений с радиоактивными загрязнениями при наложении соответствующего электрического потенциала как с катода, так и с анода при напряжении 8-14 В 3. В качестве электролитов используются растворы азотной и фосфорной кислот. Рабочий инструмент представляет собой низкоомный электрод, выполненный из углеродного волокнистого материала и титановой трубы, по которой насосомподается электролит. Рабочим инструментом водят по очищаемой поверхности. Производительность метода от 0,05 до 0,3 м 2/мин. Недостатком способа является высокая трудоемкость процесса, использование минеральных, агрессивных и вредных кислот, низкая производительность,генерация жидких радиоактивный, которые необходимо собирать, концентрировать и обезвреживать. Главным недостатком является неконтролируемое коррозионное повреждение поверхности очищаемого металла, отсутствие эффекта полировки и облагораживания поверхности. Известен способ электролитической полировки загрязненных поверхностей элементов атомных энергетических установок 4. В способе предлагают в полирующий раствор (деионат) добавлять такие электролиты, которые повышают его электропроводность и позволяют получать высокую плотность тока. В качестве таких электролитов используют серную или фосфорную кислоту. В способе используют многократную прокачку деионата 2 17008 1 2013.04.30 с добавкой кислоты и после каждой обработки полирующий раствор очищают на фильтрах. После многократного использования полирующий раствор концентрируют на собственной установке. В способе применяется термостойкий, эластичный, губчатый электрод, которым водят по очищаемой и полируемой поверхности, являющейся анодом. Для интенсификации процесса повышают температуру обработки до 75 С, а в раствор дополнительно добавляют борную кислоту или гидроокись лития. Недостатками способа являются низкая производительность, низкое качество самой поверхности металла после обработки, невозможность автоматизации процесса, а также отсутствие способности растворов к самоочистке. Из литературных источников известно, что применение режимов и электролитов электрополирования дает хорошие результаты и для дезактивации. Наиболее близким по технической сущности является способ электрохимической полировки изделий из токопроводящих материалов, включающий обработку в электрогидродинамическом режиме при температуре 40-95 С и напряжении 200-400 В в водном растворе, содержащем 2-12 мас.сульфата аммония 5. Однако указанный способ пригоден для полировки и дезактивации преимущественно аустенитных, нержавеющих, хромоникелевых сталей типа 12189 Т, 081810 и сплавов никеля, а обработка указанным способом хромистых ферритных сталей типа 3013, 4013, 25, 172,9518 уже не дает удовлетворительных результатов, также как и черных углеродистых сталей, так как при такой обработке их поверхность хотя и очищается от фиксированных загрязнений, но при этом не сглаживает шероховатости, а окисляется и покрывается черной пленкой, не отражающей свет. Задачей изобретения является создание способа электрохимической дезактивации от высокотемпературных, радиоактивных отложений, окисных пленок и полировки поверхности оборудования АЭС из нержавеющих и углеродистых сталей, не использующего токсичных и вредных веществ и позволяющего сократить количество твердых и жидких радиоактивных отходов. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в дезактивации и очистке поверхности оборудования АЭС, изготовленного из нержавеющих и углеродистых сталей от фиксированных отложений и окалины, в сглаживании шероховатости поверхности и ее полировке. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе дезактивации поверхности нержавеющих и углеродистых сталей с эффектом полировки обработку поверхности проводят в электрогидродинамическом режиме при температуре 70-85 С,напряжении 250-350 В и плотности тока 10-20 А/дм 2 в течение 1-6 минут в водном растворе, содержащем сульфат аммония и мочевину при следующем соотношении компонентов, мас.сульфат аммония 1-3 мочевина 1-3 вода остальное. Для осуществления процесса дезактивации в электрогидродинамическом режиме к изделию подключается положительный полюс источника тока повышенного напряжения,а отрицательный полюс прикладывается к металлической ванне, в которой находится электролит. При этом вокруг изделия образуется тонкая парогазовая подушка, а напряженность электрического поля резко возрастает до уровня, когда химические, ковалентные, металлические и другие связи разрушаются, возникают знакопеременные окислительно-восстановительные процессы, которые переводят элементы, находящиеся в поверхностном слое, в соединения, легко отделяющиеся от поверхности. Для очистки и полировки только аустенитных нержавеющих сталей достаточно водного электролита на основе сульфата аммония. Однако для расширения технологических возможностей способа на ферритные нержавеющие и углеродистые черные стали в состав 3 17008 1 2013.04.30 электролита дополнительно введена мочевина. Такой состав электролита позволяет в одной ванне очищать, дезактивировать и полировать как нержавеющие, так и черные углеродистые стали, либо, не разбирая, обрабатывать узлы, состоящие из деталей,изготовленных как из нержавеющей, так и черной стали. В качестве первого примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка делали из нержавеющей аустенитной стали 081810 при температуре 85 С, напряжении 350 В и плотности тока 20 А/дм 2 в течение 6 минут в водном растворе, содержащем 3 мас.сульфата аммония и 1 мас.мочевины. В качестве второго примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка изделий из черной стали 65 Г при температуре 70 С, напряжении 250 В и плотности тока 10 А/дм 2 в течение 1 минуты в водном растворе, содержащем 1 мас.сульфата аммония и 3 мас.мочевины. В качестве третьего примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка детали из нержавеющей ферритной стали 313 при температуре 80 С, напряжении 300 В и плотности тока 15 А/дм 2 в течение 3 минут в водном растворе,содержащем 3 мас.сульфата аммония и 2 мас.мочевины. В результате обработки изделия из аустенитной и ферритной нержавеющих и углеродистых сталей хорошо очищаются от фиксированных, высокотемпературных, радиоактивных отложений и окисных пленок, снимается тонкий слой металла, уменьшается шероховатость поверхности и происходит ее полирование. Предлагаемый способ дезактивации поверхности нержавеющих и углеродистых сталей с эффектом полировки не связан с применением концентрированных кислот и хромового ангидрида, а снятые с поверхности загрязнения переводятся в нерастворимые соединения (гидроокиси), выпадающие в осадок, вследствие чего количество радиоактивных отходов резко сокращается на 1-2 порядка. Способ одинаково эффективен при дезактивации с эффектом полировки как нержавеющих, так и черных углеродистых сталей. При этом электролит весьма устойчив при длительном использовании, эффективен при низких плотностях тока (менее 20 А/дм 2), обладает свойством самоочищения путем отстоя и может найти широкое применение на всех АЭС России и на строящейся АЭС Беларуси для оснащения цехов дезактивации соответствующим оборудованием электролитноплазменной обработки. Кроме того, заявляемый способ может использоваться только как способ полировки изделий из нержавеющих и углеродистых черных сталей. Источники информации 1. Ампелогова Н.И., Симоновский Ю.М., Трапезников А.А. Дезактивация в ядерной энергетике. - М. Энергоиздат, 1982. - С. 155, 171-172. 2. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. - М., 1994. - С. 160-167. 3. Установка электрохимической дезактивации УЭХДп-50 М Рекламный проспект. г. Минск, выставка АТОМЕХРО - 2011. 4. Патент РФ 2009557, МПК 21 9/34, 1994. 5. Заявка США 5028304, МПК 23 3/08,25 3/16, 1991 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4