涂裝車間前處理槽體攪拌管路優化設計

摘要：提出了一種優化的涂裝車間前處理槽體攪拌管布置型式，與傳統型式相比，優化型式使用的手動閥門數量大大減少，這使得生產管理時管控點和風險點數量大為減少。通過計算，優化型式的成本顯著低于傳統型式。但優化型式對管路設計的要求更高，需要進行更詳細的仿真計算。從flownex軟件流量仿真的結果看，優化型式的流量分配是完全滿足要求的。

關鍵詞：前處理；攪拌管；流量分配；flownex仿真；成本分析

前處理設備是汽車涂裝生產線的重要組成部分，在前處理工藝段，白車身需要經過脫脂、水洗工序，把車身表面的油污、焊渣、纖維等雜質清洗干凈，再經過磷化（或薄膜處理）、水洗、純水洗等工序生成一層薄膜。前處理質量的好壞，對后序電泳漆膜的質量具有決定性的作用，并對中涂、面漆涂層的質量產生影響。要實現良好的前處理效果，必須使前處理各槽液充分流動起來。實際工程中，一般采用混流噴嘴實現，向混流噴嘴供液的管路稱為攪拌管。槽液攪拌可以實現三個功能：使脫脂、磷化等化學反應穩定進行；通過槽液流動增強清洗效果；把槽體底部的雜質攪動起來讓泵吸走從而在過濾器中除去。因此，做好槽體攪拌管路的設計和生產管理具有十分重要的意義。

管路布置型式

1.傳統布置型式

傳統的管路型式為，槽體內部布置多根獨立的攪拌管，每根攪拌管在槽體外側設有手動閥門和壓力表，以實現對攪拌壓力的控制。

以某項目的脫脂槽底部攪拌管為例，主管路流量為324m3/h （90 kg/s），末端混流噴嘴按照初選壓力0.15MPa選型為HL30，標準流量為50 L/min （3.0 m3/h），結合脫脂槽尺寸確定攪拌管數量為13根，每根有8個噴嘴，校驗噴嘴實際流量為324m3/h/（13×8）=3.12m3/h，略大于初選壓力下的標準流量，符合要求。按照傳統的管路型式，每根攪拌管的管徑為DN65，如圖1a所示。

2.優化布置型式

一種優化的管路型式為，將槽體內部的攪拌管分為若干組，每一組在槽體外側設置一個手動閥門和壓力表，組內各支管的流量分配靠管路變徑實現基本均等。

如果按照優化的管路型式，可將13根攪拌管按照4、4、5分為三組，每根匯管的管徑為DN125，匯管進入槽內之后，從中間向兩邊分出支管，支管管徑為DN50，每根支管有4個混流噴嘴，如圖1b所示。

管路流量分配設計

為判斷各攪拌管的流量分配是否均衡，使用flownex軟件[1]進行仿真分析。該軟件是一個通過ISO9001：2008質量認證的一維熱流體系統仿真軟件，一維仿真是指將復雜的三維流動結構離散成由若干個一維流動元件組成的網絡拓撲結構，對每個流動元件采用一維的經驗關系式計算其流動與傳熱，然后全網聯立求解，求得網絡上每個元件的流量與換熱量以及每個節點的溫度、壓力等參數。一維仿真軟件認為，只在長度方向上發生參數的變化，而在任一截面上的各參數均相等。本案例中，不考慮傳熱過程。

1.傳統型式的流量分配

為使流量盡量均衡分配，槽體外部主管路需要逐級變徑。從圖1的主視圖可以看出，入口DN250的管徑向兩邊分別變徑為DN200和DN125，再逐級縮小至DN65。異徑管的位置和尺寸需要依據仿真結果確定，目標是確保在閥門開度相同時，各攪拌罐的流量趨同，然后再通過調節閥門的開度，縮小流量差距。

flownex中建立的主管路逐級變徑模型如圖2所示。其中入口壓力設置為350kPa，溫度設置為45℃，13個出口壓力均設置為310kPa，介質為水，入口質量流量設置為90kg/s，管路材質為不銹鋼，表面粗糙度為67.5μm。

將13個節流器的開度設置為1，計算出所有閥門全開時的流量，結果見圖3中藍色柱狀圖，其中流量最小的是第4根攪拌管，為5.84kg/s，比理論平均流量（90 kg/s/13=6.92kg/s）小15.6%，流量最大的是第13根攪拌管，為7.97 kg/s，比理論平均流量大15.1%。

調整節流器的開度，再計算各支管的流量，直至計算出的流量最為平均。由于實際采用的手動蝶閥一般有10檔限位，因此開度的取值可精確到小數點后1位，即0.9、0.8、0.7等，閥門的開度不宜小于0.5，如果開度過小，說明閥門管徑選型過大，而且會導致使用時的調節余量較小。

經過迭代嘗試，確定了各個閥門的最佳開度和流量，分別如圖3中的橙色折線圖和橙色柱狀圖所示。其中閥門全開的有3根，開度為0.9、0.8、0.7的分別有2、3、5根；流量與理論平均流量偏差最大的是第13根攪拌管，為7.23 kg/s，偏差為+4.4%。

2.優化型式的流量分配

計算優化形式的流量分配，需要分兩步進行，先要計算出主管路所連接的3根支管的流量和閥門開度，再計算每根支管到攪拌管的流量分配。為體現出優化設計方法可以適應更復雜的情況，本案例特意選擇13根攪拌管分配為不相等的4、4、5情形，實際設計時可以從簡，將三根支管都分配4根攪拌管（左右分出，合計為8根攪拌管）。

在flownex中建立模型如圖4所示，入口壓力設置為350kPa，溫度設置為45℃，3個出口壓力均設置為330kPa。因為3根支管分別對應傳統型式中的4、4、5根攪拌管，所以第3根支管的流量應為前2根支管流量的5/4倍。通過調整閥門開度，迭代嘗試出結果如圖4所示，其中3個閥門開度分別為0.8、0.7、全開。假設支管內流量均分，計算三組攪拌支管的理論流量分別為7.24kg/s （28.97kg/s/4）、7.27kg/s （27.28kg/s/4）、6.57 kg/s （33.75kg/s/5），與理論平均流量6.92kg/s偏差+4.7%、-1.4%、-2.5%，實際的攪拌支管流量要經過進一步仿真求解。

確定了3個支管的流量之后，需要將其作為輸入值，計算支管到攪拌管的流量分配。flownex中建立模型如圖5所示，入口壓力設置為330kPa，溫度設置為45℃，10個出口壓力均設置為310kPa，入口質量流量設置為33.75 kg/s，便可以計算出9～13根攪拌管的流量（左右支管流量合并相加，即相當于傳統型式中的一整根攪拌管流量），如圖6所示。

由于flownex中沒有異徑四通模型，因此用節點代替異徑四通，將其局部阻力損失設置在相應的管路上，根據手冊[2]并結合工程實際，設定DN125/DN50的分支四通的局部阻力系數為2.5，DN100/DN50的分支四通的局部阻力系數為2.0，直流四通的局部阻力系數為0.1。

計算第1～4、5～8根攪拌管流量時的模型，可由圖5中的模型稍作修改生成，把紅色矩形框內的元件刪除，將直管與異徑管相連，然后調整一下直管長度即可。分別將入口流量設為28.97 kg/s和27.28 kg/s，計算出第1～4、5～8根攪拌管的流量。結果顯示，正負偏差最大的攪拌管為第4、9根攪拌管，分別為+8.4%、-7.1%，偏差略大于傳統布置方式下調整閥門后的結果（+4.4%），但仍低于±10%的經驗限值，因此是可行的。

至于攪拌管入口到各噴嘴的流量分配，由于噴嘴的收口作用產生了主要的阻力損失，所以管路上的局部阻力起次要作用，而噴嘴型號是相同的，所以認為攪拌管入口的流量在各噴嘴處是均勻分布的，因此本文不再贅述。

管路系統成本分析

1.固定成本分析

管路系統的固定成本，包括材料成本、外購件成本、預制安裝成本。管路采用SUS304薄壁不銹鋼焊接鋼管，根據圖樣計算，傳統型式和優化型式的管路材料重量分別為400kg、300kg。材料和預制安裝成本一般以綜合單價的形式合并計算，按照5萬元/t的綜合單價，可粗略得出成本分別為2.0萬元、1.5萬元。因此優化型式的材料和預制安裝成本是較低的。

外購件的種類較多，包括管件、法蘭、卡箍接頭、手動蝶閥、壓力表（含手動球閥），表1中列出了兩種布置方式下外購件的數量，簡單加和可以計算出傳統型式的外購件數量為140個，優化型式的外購件數量為78個，采用優化型式，可以使外購件數量大為減少。

考慮價格因素，采用某知名電商平臺的價格（此處僅進行定性分析，實際工業品價格高于電商平臺價格）進行粗略估算，可得出傳統型式的外購件價格為1.5萬元，優化型式的外購件價格為0.9萬元，優化布置型式的外購件成本也是較低的。

2.運行維護成本分析

管路系統的運行維護主要是手動閥門、儀表的日常點檢和更換維修，手動閥門、儀表的數量越少，泄漏點、管控點、風險點的數量就越少。從數量上看（見表1），優化型式僅有3個手動蝶閥和3個壓力表（含手動球閥），而傳統型式有13個手動蝶閥和13個壓力表，優化后的數量大大減少，按照每年更換30%的概率，采用電商平臺價格估算可節省成本0.2萬元。

以上關于成本的定量分析是基于脫脂槽底部攪拌管的，放大到涂裝車間前處理線和電泳后水洗線，成本是可觀的。更重要的是，采用優化布置型式，可以使前處理線的點檢人員、設備維護人員的數量都減少，即使僅減少1人，且按照最低工資標準計算，每年也可節約人員成本約3萬元。因此，從成本分析的角度看，采用優化布置型式無疑是合適的。

結語

優化布置型式在流量分配上是可行的，但是在設計時，需要比傳統布置型式多進行一步仿真計算，以確定變徑管的準確規格和位置。從成本角度分析，優化布置型式的設備固定成本是明顯較低的，更重要的是，手動閥門和人工點檢儀表數量的大大減少，降低了生產管理時的風險點，且能夠減少運維人員數量，這無疑更加符合未來汽車工廠的選擇。

參考文獻：

[1] 吳俊宏. 油氣管路系統仿真及數字化應用[C]. 2016中國數字管路技術大會論文集，2016：19-22.

[2] 中國市政工程西南設計研究院. 給水排水設計手冊（第一冊）[M]. 2版. 北京：中國建筑工業出版社，2000.