不銹鋼管表面內(nèi)外脫脂沖洗設(shè)備分析及優(yōu)化

王 耀，陳小福，白書舟

(1.上海西重所重型機(jī)械成套有限公司,上海 201900；2. 浙江中達(dá)新材料股份有限公司，浙江 海鹽,314312 )

0 前言

隨著我國工業(yè)發(fā)展由數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)型，高端不銹鋼管在石化、能源、醫(yī)療、航空等行業(yè)的應(yīng)用更加廣泛，用戶對(duì)交貨狀態(tài)的要求也越來越高。一般要求管道內(nèi)外表面不能有游離鐵銹、大顆粒灰塵、焊渣、油脂等雜質(zhì)，而特殊用途鋼管對(duì)清潔度要求就更加苛刻。例如氧氣管道大部分是輸送純度大于99.99%的氧氣，其壓力高，流速快，如不能保證管道內(nèi)部清潔，管線內(nèi)微量的油污、金屬離子就可能與高壓純氧氧化、撞擊，產(chǎn)生電火花而發(fā)生嚴(yán)重后果，甚至釀成慘重的事故，所以氧氣管道必須進(jìn)行脫脂清洗處理。

1 鋼管內(nèi)外表面脫脂工藝及生產(chǎn)流程

鋼管表面脫脂清洗工藝基本包括鋼管外表面脫脂、內(nèi)表面脫脂、外表面清洗、內(nèi)表面清洗四個(gè)工序。為提高脫脂清洗效率，設(shè)置了鋼管預(yù)泡、脫脂液(熱水)循環(huán)、脫脂液(熱水)直接加熱三個(gè)子工藝。鋼管內(nèi)外脫脂工藝的流程如圖1所示。

圖1 鋼管內(nèi)外脫脂工藝流程圖

操作流程為半自動(dòng)化。成捆鋼管的進(jìn)出料和內(nèi)孔脫脂(沖洗)時(shí)插入噴嘴需要人工操作。人工將鋼管送入預(yù)泡槽后，設(shè)定預(yù)泡時(shí)間和脫脂液溫度，一鍵啟動(dòng)脫脂液自動(dòng)循環(huán)加熱系統(tǒng)。設(shè)定時(shí)間到，指示燈提示完成預(yù)泡工作。完成預(yù)泡的成捆鋼管從預(yù)泡槽轉(zhuǎn)運(yùn)到進(jìn)料臺(tái)，操作員散料后，氣缸驅(qū)動(dòng)擺臂撥料將鋼管送入脫脂槽。在外脫脂槽內(nèi)，撥爪間歇?jiǎng)幼魇逛摴芏秳?dòng)，脫脂液在槽內(nèi)處于循環(huán)狀態(tài)。時(shí)間和溫度的設(shè)定和預(yù)泡槽相同。鋼管外表面脫脂后，撥爪將鋼管送出脫脂槽，送入內(nèi)孔脫脂槽。操作員將噴嘴插入鋼管內(nèi)孔并固定鋼管和噴嘴，設(shè)備自動(dòng)完成鋼管內(nèi)表面的脫脂液沖洗和壓縮空氣的吹掃。完成鋼管內(nèi)表面的脫脂液沖洗和吹掃后，擺臂裝置動(dòng)作將鋼管送出外表面沖洗槽。鋼管在槽內(nèi)進(jìn)行外表面沖洗，撥爪間歇?jiǎng)幼魇逛摴芏秳?dòng)，沖洗熱水在槽內(nèi)循環(huán)。完成外表面清洗后撥爪將鋼管送出外表面沖洗槽，送入內(nèi)孔沖洗槽。在內(nèi)孔沖洗槽，操作員將噴嘴插入鋼管內(nèi)孔并固定鋼管和噴嘴，設(shè)備自動(dòng)完成鋼管內(nèi)表面的熱水沖洗和壓縮空氣的吹掃。啟動(dòng)內(nèi)孔沖洗槽擺臂裝置，將鋼管送出內(nèi)孔沖洗工位，送入出料臺(tái)架。操作員將脫脂后的鋼管打捆后轉(zhuǎn)運(yùn)到下一道工序。

2 設(shè)備布置

設(shè)備整體布置如圖2所示。設(shè)備按工藝順序布置：預(yù)泡槽→進(jìn)料臺(tái)架→外表面脫脂槽→內(nèi)孔脫脂槽→外表面沖洗槽→內(nèi)孔沖洗槽→出料臺(tái)架。操作側(cè)布置相應(yīng)的內(nèi)孔脫脂吹掃裝和置內(nèi)孔清洗吹掃裝置，另一側(cè)布置脫脂液箱泵站、沖洗熱水箱泵站和蒸汽閥站。電控柜根據(jù)工廠情況布置在合理的位置，內(nèi)孔脫脂(清洗)吹掃工位配置操作箱。

圖2 設(shè)備整體布置圖

2.1 機(jī)械設(shè)備

機(jī)械設(shè)備包括安裝支架、進(jìn)出料臺(tái)架、擺臂裝置、脫脂及沖洗槽和撥爪裝置。

(1)安裝支架。安裝支架用來支撐固定脫脂槽、沖洗槽、擺臂、撥爪、電機(jī)、氣缸等部件，同時(shí)又是上料和出料臺(tái)架的本體。架體下部空間用于敷設(shè)電纜管線、蒸汽管路、脫脂液管路、熱水管路等，也是走道檢修平臺(tái)的安裝基礎(chǔ)。架體采用模塊化設(shè)計(jì)，單體間由連接橫梁用螺栓緊固而成，連接處均由機(jī)加工保證配合精度，全部架體由多個(gè)單體和多組橫梁組裝而成。在制造廠組裝調(diào)整后解體運(yùn)到工廠再進(jìn)行組裝，方便運(yùn)輸，保證裝配的可靠性。

(2)進(jìn)出料臺(tái)架。進(jìn)出料臺(tái)架用來鋼管散料和收集清洗后的鋼管。此處與不銹鋼管接觸的材料均采用不銹鋼或者非金屬，防止碳污染。

(3)擺臂裝置。擺臂裝置共有3處，分別是將鋼管送出進(jìn)料臺(tái)架(送入脫脂槽)、將鋼管移出沖洗槽、將鋼管送入出料架。擺臂裝置由軸承座、同步轉(zhuǎn)軸、托臂單元、氣缸等組成。

(4)脫脂及沖洗槽。槽體按結(jié)構(gòu)分三種：預(yù)泡槽、外表面脫脂(沖洗)槽和內(nèi)孔脫脂(沖洗)槽。槽體尺寸按鋼管規(guī)格和產(chǎn)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，槽體為不銹鋼材質(zhì)。槽內(nèi)按鋼管規(guī)格分段設(shè)置非金屬支撐板，槽體底部裝有蒸汽管路和噴射式加熱頭。

(5)撥爪裝置。脫脂槽均配有撥爪裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)撥爪組件由軸承座、轉(zhuǎn)軸、撥爪、驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)、鏈輪、鏈條等組成，按鋼管規(guī)格進(jìn)行分組設(shè)置。多組之間的同步通過檢測(cè)元件和變頻驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.2 脫脂液(熱水)循環(huán)沖洗系統(tǒng)

脫脂液(熱水)循環(huán)系統(tǒng)包括：脫脂液箱及泵站、內(nèi)孔脫脂裝置、熱水箱及泵站、內(nèi)孔沖洗裝置四大部分。

(1)脫脂液箱及泵站。脫脂液箱及泵站包括箱體、泵站、閥、液位檢測(cè)、加熱裝置以及溫度檢測(cè)元件等組成。加熱裝置包括蒸汽閥門、噴射式加熱頭、溫度檢測(cè)元件組成。泵站包含外表面循環(huán)泵和內(nèi)孔脫脂泵，加熱位置分別位于過濾加熱箱體和脫脂槽體內(nèi)。脫脂液存放在保溫液箱、外表面脫脂槽和內(nèi)孔脫脂槽三大容器內(nèi)，其間分別用回流槽和管道連通，保持液面的穩(wěn)定。保溫液箱的功能是調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)時(shí)的液位。

(2)內(nèi)孔脫脂吹掃裝置。內(nèi)孔脫脂槽的一端配有脫脂吹掃裝置，先用脫脂液通過噴嘴將鋼管內(nèi)部沖洗干凈，再用壓縮空氣將鋼管內(nèi)部殘留脫脂液吹掃干凈。清洗吹掃裝置由噴嘴、軟管、集液腔、箱體、管件、法蘭等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 內(nèi)孔清洗吹掃圖

(3)沖洗水箱及泵站。水箱、泵站和脫脂液系統(tǒng)相同，其內(nèi)部介質(zhì)為沖洗水。

(4)內(nèi)孔清洗吹掃裝置。與內(nèi)孔脫脂吹掃裝置相同，其內(nèi)部介質(zhì)為沖洗水。

2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的硬件包括進(jìn)線柜、PLC柜、MCC柜、操作臺(tái)等，主要元器件有PLC、變頻器、觸摸屏。操作人員可在觸摸屏上設(shè)定脫脂的時(shí)間和溫度，撥爪的抖動(dòng)速度、次數(shù)和時(shí)間,如圖4所示。在醒目處設(shè)置聲光報(bào)警，完成到時(shí)提醒功能。

圖4 觸摸屏照片

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多功能撥爪裝置

多功能撥爪裝置安裝在外表面脫脂槽和沖洗槽內(nèi)，如圖5所示。

圖5 脫脂沖洗槽

撥爪裝置沿鋼管軸線方向布置四個(gè)撥爪單元，采用模塊化制造。撥爪裝置單元如圖6所示,所有單元的配置相同，均由減速電機(jī)、編碼器、鏈輪、鏈條、同步主軸和四片撥爪組成。按鋼管長度啟用對(duì)應(yīng)的撥爪單元組數(shù)，各撥爪單元間的同步和角度差通過編碼器和變頻驅(qū)動(dòng)器的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)四種功能：

圖6 撥爪裝置圖

(1)過料功能。可以將數(shù)十鋼管從槽內(nèi)送出，使其順利的到達(dá)出料架，滾入下一工位；

(2) 振動(dòng)功能。鋼管外表面脫脂或者清洗時(shí)，通過幾組撥爪不同或者相同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使鋼管外表面之間產(chǎn)生位移，改善鋼管表面流體的狀態(tài)，提高脫脂或者清洗的效果；

(3)排氣功能。在鋼管進(jìn)入槽中時(shí)，幾組撥爪轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，使鋼管產(chǎn)生一定的角度，方便管腔中的空氣從位置高的管端排出；

(4)控水功能。在鋼管送出槽子時(shí)，幾組撥爪轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，使鋼管產(chǎn)生一定的角度，方便管腔中的脫脂液(清洗熱水)從位置低的管端排出，減少過料時(shí)管內(nèi)的余液灑在槽體外部。

3.2 脫脂液蒸汽直接加熱

因?yàn)閮?nèi)外脫脂槽為敞開式結(jié)構(gòu)，所以脫脂液在使用過程中由于水分蒸發(fā)會(huì)減少液體的體積，熱輻射會(huì)帶走熱量，從而使脫脂液的使用環(huán)境偏離理想條件。為保持脫脂液的使用條件，分別在液箱和內(nèi)外槽體內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器和蒸汽加熱噴嘴。溫度傳感器分別檢測(cè)三處的溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，開啟對(duì)應(yīng)的電動(dòng)閥，對(duì)低溫脫脂液加熱。

采用蒸汽直接加熱的效率高，蒸汽轉(zhuǎn)化的冷凝水液補(bǔ)充脫脂液蒸發(fā)損失的水分，冷熱對(duì)流頻繁，容器中的脫脂液在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中被很快加熱。外表面脫脂槽蒸汽噴射時(shí)產(chǎn)生的渦流會(huì)提高鋼管外表面的脫脂效率。

鋼管內(nèi)外表面清洗熱水系統(tǒng)也采用相同的加熱方式。流程圖見圖7。

圖7 脫脂液加熱流程

3.3 脫脂液的二次利用

為降低脫脂液消耗，在預(yù)泡槽采用二次脫脂液對(duì)未脫脂的鋼管進(jìn)行預(yù)泡。預(yù)泡的工藝和外表面脫脂相同，二次脫脂液在槽體和二次液箱之間通過泵循環(huán)流動(dòng)，溶解和帶走鋼管表面的軋制液和油脂等污染。箱體和槽體內(nèi)安裝有測(cè)溫和加熱裝置，對(duì)二次液的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于預(yù)泡槽的工況比較惡劣，二次液箱的過濾裝置更復(fù)雜一些。二次箱和脫脂液箱通過泵和管道連接，可直接泵入二次脫脂液。脫脂液二次利用的主要特點(diǎn)：

(1)減少了鋼管處理的脫脂液單位消耗量；

(2)預(yù)泡會(huì)處理部分鋼管表面污染，減輕了內(nèi)外表面脫脂的難度。相同時(shí)間內(nèi)提高了鋼管脫脂產(chǎn)量；

(3)增加了占地和一次性的投資。其中的零部件和內(nèi)外脫脂中的通用，備件和運(yùn)行成本可控，中長期看利好；

(4)廢液中的污染種類無新物質(zhì)含量，只有數(shù)量的增加，對(duì)廢液處理無影響。

4 需要注意的問題

4.1 脫脂液的選擇

脫脂液需根據(jù)產(chǎn)品要求進(jìn)行選擇，完成不銹鋼管件表面油污、銹斑、黃斑、軋制油等重油污清洗。建議廠家采用中性或弱酸(有機(jī)酸)的，且不含重金屬、亞硝酸鹽等環(huán)境受控物質(zhì)的綠色環(huán)保脫脂液，有效減少環(huán)境污染，提高產(chǎn)品質(zhì)量。鋼管的具體清洗方式、濃度、時(shí)間等應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品清洗要求、清洗條件而定，在正式清洗之前需進(jìn)行小試、中試試驗(yàn)，滿足要求后可批量生產(chǎn)。

4.2 廢液排放

脫脂廢液不可直接排放，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠的污水處理?xiàng)l件，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排入污水管網(wǎng)，或委托有資質(zhì)的環(huán)保單位集中處置。目前一般采用微生物絮凝劑的處理方法、浮力上浮法(分離懸浮物)、自然浮上法(去除水面上的油污)、反滲透膜處理等。

5 結(jié)束語

鋼管內(nèi)外表面脫脂生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外表面的脫脂和清洗，配有自動(dòng)加熱和過濾系統(tǒng)，配合針對(duì)鋼管油污特性所選擇的環(huán)保型脫脂液，能有效地去除油污，減少污染排廢，是替代傳統(tǒng)酸洗的可靠生產(chǎn)工藝。本設(shè)備設(shè)置預(yù)泡工位，線上的脫脂液過濾后可充分利用，降低了生產(chǎn)成本和污染排放，提高了經(jīng)濟(jì)效益。特別對(duì)小口徑鋼管的脫脂處理，在生產(chǎn)中的性價(jià)比高，值得推廣。