Способ дезактивации поверхности металлического изделия с эффектом полировки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ 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 Глембоцкий Артур Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ дезактивации поверхности стального изделия с эффектом полировки, при котором осуществляют обработку в электрогидродинамическом режиме при температуре 70-85 С и напряжении 250-350 В в течение 0,5-6 мин при гальванически развязанном источнике тока, позволяющем гасить броски тока, в водном растворе, содержащем сульфат аммония и глицин при следующем соотношении компонентов, мас.сульфат аммония 2-4 глицин 2-4 вода остальное. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крупногабаритное массивное стальное изделие перед обработкой дополнительно подогревают без наложения тока погружением в горячий водный раствор, используемый при обработке, температура которого 70-85 С,затем извлекают, подают напряжение, опять плавно погружают в водный раствор. Изобретение относится к области ядерных технологий, в частности к очистке, дезактивации и полировке поверхности оборудования АЭС для обеспечения безопасности при проведении профилактических и ремонтных работ, а также при обработке новых изделий для получения более высоких эксплуатационных свойств. Во время работы АЭС вследствие коррозии конструкционных материалов оборудования образуются радиоактивные продукты коррозии, которые поступают в водный теплоноситель первого циркуляционного контура, высаживаются на поверхности оборудования и прочно связываются с ней. Вследствие этого возникает опасность распространения радионуклидов, что затрудняет обслуживание и ремонт оборудования. Поэтому радиоактивные отложения периодически удаляют, используя химические, физические, электрохимические способы воздействия. При дезактивации поверхности электрохимическими 18166 1 2014.04.30 способами некоторые из них приводят не только к растворению радиоактивных отложений, но и к облагораживанию самой поверхности в процессе обработки, например, к ее структурной гомогенизации, сглаживанию шероховатости и полировке. В этом случае полировка не только снижает износ и коррозию металлических материалов, но и уменьшает восприимчивость их поверхности к высаживанию радиоактивных отложений, а также облегчает их последующее удаление. В конечном итоге, быстрая и качественная дезактивация позволяет ускорить проведение ремонтно-профилактических работ, а значит,сократить простои, увеличить коэффициент использования мощности АЭС и получить значительный экономический эффект. 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 мин в электролите, содержащем фосфорную кислоту 50,8 мас. , серную кислоту 44,7 мас.и хромовый ангидрид 4,4 мас.1. Эффективность такой электрохимической дезактивации выше эффективности химической дезактивации в 2-10 раз. Однако, все способы электрохимической дезактивации, в том числе и вышеуказанный способ дезактивации с получением эффекта полировки, имеют существенный недостаток, заключающийся в необходимости использования в процессе дезактивации больших количеств агрессивных, концентрированных кислот, а также токсичных веществ (хромовый ангидрид), которые в процессе дезактивации сами насыщаются радионуклидами и становятся радиоактивными. Переработка таких жидких радиоактивных отходов (ЖРО) составляет еще одну трудно решаемую проблему, поскольку связана с коррозионно-активным вредным раствором. Известен способ электрохимической дезактивации поверхности, включающий обработку при температуре 50 С и плотности тока 20 А/дм 2 в течение 1-20 мин с использованием водного электролита, содержащего фосфорную кислоту 80 мас.и серную кислоту 10 мас.1. Однако этот метод также использует в больших количествах агрессивные,вредные вещества (кислоты), которые в процессе дезактивации насыщаются радионуклидами и становятся радиоактивными. Поэтому их переработка является дорогостоящей и трудно решаемой проблемой, а приготовление и хранение больших количеств кислотных смесей еще одна непростая задача. Известен способ электрохимической дезактивации металлической поверхности с использованием водного электролита, содержащего фосфорную кислоту 40-80 мас. , 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. Известенвневанный 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 используют растворы азотной и фосфорной кислот. Рабочий инструмент представляет собой низкоомный электрод, выполненный из углеродного волокнистого материала и титановой трубы, по которой насосом подается электролит. Рабочим инструментом водят по очищаемой поверхности. Производительность метода от 0,05 до 0,3 м 2/мин. Недостатками способа являются высокая трудоемкость процесса, использование минеральных, агрессивных и вредных кислот, низкая производительность,генерация ЖРО, 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 (де 2 18166 1 2014.04.30 ионат) 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 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 путем седиментации нерастворимых гидроокислов. Из литературных источников известно, что применение режимов и электролитов электрохимического полирования 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 сульфата аммония 2-12 мас.5. Однако указанный способ пригоден для очистки, полировки и дезактивации преимущественно аустенитных, нержавеющих, хромоникелевых сталей типа 12 Х 18 Н 9 Т, 08 Х 18 Н 10 Т и сплавов никеля, в то время как очистка с эффектом полировки указанным способом нержавеющих, хромистых, ферритных сталей типа 30 Х 13, 40 Х 13, Х 25,Х 17 Н 2, 95 Х 18 связана с некоторыми проблемами, а очистка и полировка черных низкоуглеродистых сталей в указанном составе электролита вообще невозможна, так как при такой обработке их поверхность окисляется и покрывается рыхлой, черной, окисной пленкой, не отражающей свет, а сама поверхность растравливается по границам зерен, становится более шероховатой. Задачей изобретения является создание способа дезактивации поверхности металлических изделий с получением эффекта полировки поверхности оборудования АЭС, пригодного как для нержавеющих, так и для черных сталей и позволяющего уменьшить количество твердых и жидких радиоактивных отходов и сократить по времени процесс дезактивации. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в дезактивации и очистке от фиксированных, радиоактивных отложений, окисных пленок и окалины поверхности оборудования АЭС, изготовленного из нержавеющих и черных сталей, а также в сглаживании шероховатости поверхности и ее полировке. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе дезактивации поверхности стального изделия с эффектом полировки осуществляют обработку в электрогидродинамическом режиме при температуре 70-85 С и напряжении 250-350 В в течение 0,5-6 мин при гальванически развязанном источнике тока, позволяющем гасить броски тока, в водном растворе, содержащем сульфат аммония и глицин при следующем соотношении компонентов, мас.2-4 сульфат аммония глицин 2-4 вода остальное. Кроме того, крупногабаритное массивное стальное изделие перед обработкой дополнительно подогревают без наложения тока погружением в горячий водный раствор, используемый при обработке, температура которого 70-85 С, затем извлекают, подают напряжение, опять плавно погружают в водный раствор. Для осуществления процесса дезактивации с эффектом полировки в электрогидродинамическом режиме к изделию подключают положительный полюс гальванически развязанного источника постоянного тока повышенного напряжения с уменьшенной по 3 18166 1 2014.04.30 амплитуде величиной пульсаций и способностью к гашению бросков тока, а отрицательный полюс прикладывают либо непосредственно к металлической ванне, в которой находится электролит, либо к специальному катоду, который расположен в неэлектропроводной ванне, выполненной из термостойкой пластмассы, например из полипропилена. При плавном погружении изделия в предварительно нагретый до 70-85 С электролит вокруг изделия образуется тонкая парогазовая подушка, при этом напряженность электрического поля в непосредственной близости к поверхности резко возрастает в сотни раз до уровня,когда двойной электрический слой исчезает. Химические, ковалентные, металлические и другие связи разрываются, и на поверхности возникают знакопеременные окислительновосстановительные процессы, которые переводят элементы, находящиеся на поверхности металла и электролита, сначала в растворимые гидроокисные соединения, легко отделяющиеся от поверхности, а затем в малорастворимые, выпадающие в осадок. Для повышения электрофизической устойчивости процесса обработки крупногабаритные массивные стальные изделия перед обработкой дополнительно подогревают без наложения тока погружением в горячий водный раствор, используемый при обработке,температура которого 70-85 С, затем извлекают, подают напряжение, опять плавно погружают в водный раствор, после чего осуществляют дезактивацию, очистку и полировку поверхности. Для очистки и полировки только аустенитных нержавеющих сталей достаточно водного электролита на основе сульфата аммония. Но для расширения технологических возможностей способа, повышения эффекта светоотражения и сокращения времени обработки и распространения процесса очистки и полировки на ферритные нержавеющие и черные, в том числе низкоуглеродистые, котельные стали, в состав электролита дополнительно введен глицин (аминоуксусная кислота). Такой состав электролита позволяет в одной ванне очищать, дезактивировать и полировать как нержавеющие, так и черные стали, либо, не разбирая, обрабатывать узлы, состоящие из деталей, изготовленных как из нержавеющих, так и из черных сталей. При этом качество поверхности нержавеющей стали также повышается. В качестве первого примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка бывшего в эксплуатации сильфона запорно-регулирующего вентиля со следами отложений и окислов, изготовленного из нержавеющей аустенитной стали 08 Х 18 Н 10 Т, при температуре 85 С, напряжении 350 В и плотности тока 20 А/дм 2 в течение 4-6 мин в водном растворе, содержащем сульфат аммония 4 мас.и глицин 3 мас. . После обработки поверхность сильфона стала чистой и блестящей, а сам процесс проходил очень устойчиво. В качестве второго примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка изделий из черных низкоуглеродистых сталей 08 КП, окисленных вследствие атмосферной коррозии, образцов котельных труб из стали 22 К со следами окисления, ржавчины и отложений при температуре 70 С, напряжении 250 В и плотности тока 10 А/дм 2 в течение 1 мин в водном растворе, содержащем сульфат аммония 3 мас.и глицин 3 мас. . После обработки поверхность черных сталей чистая, блестящая и долго остается невосприимчивой к окислению на воздухе. В качестве третьего примера конкретного осуществления предлагаемого способа проводилась обработка детали штока запорного вентиля после его длительной работы в окислительной среде, изготовленного из нержавеющей ферритной стали 3 Х 13. Обработка проводилась при температуре 80 С, напряжении 300 В и плотности тока 15 А/дм 2 в течение 3 мин в водном растворе, содержащем сульфат аммония 2 мас.и глицин 2 мас. . После обработки деталь полностью была очищена от окислов и наносов, а поверхность приобрела блестящий вид. В результате обработки заявляемым способом изделия из аустенитной и ферритной нержавеющих и черных сталей в пределах указанного состава электролита отлично очи 4 18166 1 2014.04.30 щаются от фиксированных, высокотемпературных, радиоактивных окисных отложений,слоев ржавчины и окисных пленок, контролируемо снимается тонкий слой металла в пределах 1-5 мкм при одновременной структурной гомогенизации, уменьшении шероховатости поверхности и получении эффекта полировки. Специально проведенными экспериментальными работами доказано, что обработка деталей заявляемым способом не вызывает коррозионного растрескивания, наводораживания, не ведет к образованию на поверхности питингов даже при длительной обработке в течение 10 ч. Предлагаемый универсальный способ дезактивации поверхности металлических изделий с эффектом полировки не связан с применением токсичных и вредных веществ,например концентрированных кислот и хромового ангидрида, а снятые с поверхности загрязнения и компоненты металла переводятся в нерастворимые соединения (гидроокиси),выпадающие в осадок, вследствие чего количество радиоактивных отходов резко сокращается на один-два порядка. Способ одинаково эффективен при дезактивации с эффектом полировки как нержавеющих, хромоникелевых, аустенитных и ферритных сталей, так и черных низкоуглеродистых сталей. При этом электролит весьма устойчив, не чернеет в процессе использования и позволяет визуально наблюдать за процессом дезактивации,очистки и полировки, эффективен при низких плотностях тока (менее 20 А/дм 2), обладает хорошими технологическими свойствами, обеспечивает электрофизическую устойчивость процесса обработки, легко поддается регенерации и утилизации. Электролит обладает свойством самоочищения путем отстоя и может быть использован на АЭС Российской Федерации и на строящейся АЭС Республики Беларусь как для дезактивации оборудования, так и как элемент ядерных технологий при облагораживании поверхности (полировке) с целью повышения коррозионной стойкости ответственных узлов оборудования АЭС перед их установкой. Например, способ можно использовать для полировки поверхности деталей кассеты, оболочек твэлов, внутриреакторной оснастки,внутренних деталей насосов, запорно-регулирующей арматуры, деталей различных датчиков, мембран, манометров, сильфонов и т.д. Заявляемый способ исключает использование в качестве электролита концентрированных коррозионно-активных кислот, упрощает технологию переработки ЖРО, обеспечивает эффект самоочистки технологического раствора и предоставляет возможность обрабатывать в одном составе электролита узлы, состоящие из деталей, изготовленных как из нержавеющих, так и из черных сталей. Кроме того, заявляемый способ может использоваться и для полировки изделий из нержавеющих и черных сталей в различных областях народного хозяйства как для финишной обработки нержавеющих сталей, так и для подготовки поверхности черных сталей перед нанесением различных покрытий. 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., Пикапов В.К. Дезактивация. - М., 1994. - С. 160-167. 3. Установка электрохимической дезактивации УЭХДп-50 М. Рекламный проспект. Минск, 2011. 4. Патент РФ 2009557, МПК 21 9/34, 1994. 5. Патент США 5028304, МПК 25 1/00,25 3/16, 1991 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5