新型长管道表面处理工艺及设备的应用

摘要：国家加大了核电工业的发展步伐，但是如何面对复杂的环境，根据国际发达技术的先进经验并结合自身实际，形成具有自主知识产权的核心技术，是关键所在。文章介绍了一种新型长管道表面处理设备，专门用于核级锆管材的酸洗工艺。

关键词：核级锆管材；长管道表面处理；全自动酸洗设备

中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）26-0049-02

随着我国经济突飞猛进的发展，能源产量已不能满足经济增长的需求，日益凸显的供需矛盾以及由此引发的能源安全问题已成为遏制我国经济发展的主要瓶颈。笔者所在单位致力于金属表面处理行业多年，对提高金属管道清洗质量和防腐质量有深入研究，自主开发的新型全自动清洗设备，特别适合于核级锆管材。

1 锆管材的用途

锆及锆合金作为一种稀有金属，具有良好的力学性能，高热导率，尤其是低的热中子吸收界面，被广泛用在核工业和军工等领域。核级锆材主要用作核燃料包壳管，是核电站不可或缺的重要金属材料。

尽管中国是全球核电在建规模最大的国家，但目前核电用锆管几乎全靠进口，面临未来核电发展的巨大需求，实现核级锆管材的国产化、自主化对发展我国核电工业有着重大的意义。我公司给国核宝钛公司提供的全自动酸洗设备正是在此平台上开发研制，在保证酸洗质量的前提下，大大降低设备费用。

2 酸洗工艺

本次酸洗工艺主要是清洗锆管材内壁中的氧化皮及残留的润滑油，以获得干净光洁的酸洗表面，同时避免过酸洗。

锆管的规格主要为Φ17.8×Φ14mm、Φ10×Φ7.4mm、

Φ6.1×Φ5mm，长度为1500～5000mm。

酸洗工艺为上料→内壁酸洗→内壁水清洗→下料→纯水漂洗

酸洗液为氢氟酸（49%浓度）、硝酸（98%浓度）和水按照3∶30∶67比例配制，酸洗时间和水清洗时间范围为10秒～10分钟，可以调整，酸洗后管壁内径去除量达到0.01～0.06mm，酸洗后转换到水清洗时间不超过4秒，每小时清洗至少75根锆管。

锆管酸洗液具有极强腐蚀性，清洗量大，清洗质量要求高，如果采用传统的槽浸式清洗设备，锆材比较长，所需槽体长度大概在6米，氢氟酸和浓硝酸属于挥发性酸，对设备和厂房腐蚀性大，而且易出现过酸洗情况，不适合采用；如果采用手工擦拭的清洗方式，不仅操作困难，工作效率低，对操作人员危害大，而且清洗质量不稳定，我公司根据其特点研制的全自动酸洗设备很好地解决了上述问题。

3 酸洗过程

酸洗设备设计成每次清洗8根管材，主要由自动上料装置、输送系统、清洗室体、管材夹紧及提升机构、内孔喷嘴及移动装置、酸洗管路、清洗管路、排废气管路以及电气控制系统等组成。

整捆的管材用行车吊到上料装置上，人工解捆后，分料装置自动将管材分开，送入输送链条，8套输送链条分别将8根管材送入清洗室。

夹管装置将管材夹住，固定于提升机构上，提升机构将管材抬起，脱离输送链条。内孔喷嘴机构前伸套入管端。酸洗泵启动，酸液经内孔喷嘴喷入管内腔对管材进行酸洗，酸液从管材另一端流出，经接液盘流回盛

酸槽。

通过气动量仪事后检测管材内径，转换成酸洗时间，当酸洗量达到预测值时发出电信号，控制系统自动关闭酸洗泵。

清洗泵启动，清洗液经喷嘴喷入管材进行清洗工作，同时布置在室体内的清洗喷嘴对管材外壁进行喷洗，除去管材内、外壁的残留酸洗液。延时清洗一段时间后，清洗工作完成。升降架将管材倾斜一定角度，并延时一定时间，待管材内的清洗液全部流出。

清洗完成后，内孔喷嘴自动缩回，同时夹管机构松开，升降架下降，管材被放置在输送链上。输送链依次将管材放入收料架的纯水漂洗槽。

在纯水漂洗槽浸泡一段时间后，用行车将管材放到吹擦平台上，用气动测量仪对每批次的管材腐蚀量进行检测，及时修正酸洗时间，以获得满足要求的产品。

4 设备结构

酸洗室体设计成全封闭的框架结构，其中两侧、背面及顶部全封闭，工作侧可方便打开或封闭，喷嘴端一侧留有检修观察窗，选用全透明材料并具有一定强度。密封顶盖可以拆卸，能防止内酸洗过程中所有液体的滴漏。室体主体和框架均采用316不锈钢型材加聚丙烯，聚丙烯板采用德国进口板材，厚度为20mm。

密封顶盖下端连有管材提升机构，提升机构由左右支架、提升架组成，左右支架上安装气缸，气缸带动提升架上下移动，具备倾斜功能，倾斜角度也可以

调正。

提升架上固定夹管装置，夹管装置由气缸、钳口、滑块、滑轨、底板等组成。气缸选用不锈钢气缸，具有优良的耐腐蚀性，钳口、滑轨、底板等均采用PP材料

制作。

喷头组件是酸洗设备的主要组成部分，其位于操作员一端，与管端封合，连接着酸洗液管路和漂洗水管路，配有三套喷头组件对应三种产品规格，每套包括八个喷嘴位置，喷嘴流量均匀，每个喷嘴与管端及管材外表面封合无渗漏。

在喷嘴上方一对一设有喷水喷嘴，和内酸洗动作联动，防止酸液渗漏时对管材表面的污染。喷嘴带异型密封圈，设计应易于更换密封圈。

设备配有独立的酸洗循环系统和水洗循环系统，每个喷嘴都与酸洗、水洗管路相连，酸洗和水洗设有独立的回收装置。

酸液或水洗液从管端出来后流到一个倾斜的导流板上。导流板接收并引导从管端流出的酸液或水洗液，通过底部的开口，将酸液或水洗液排到翻斗盘里。

翻斗盘位于导流板的出口端，通过枢轴使翻斗盘向两边倾斜，一端为储酸槽，另一端为水洗槽排出腔。

采用称重方式对硝酸、水、氢氟酸配比进行控制，并具有数据记录读取功能。

在外罩顶部有喷水系统，在管材内表面漂洗的同时，可喷洗管材外表面及设备内表面。当需要清洗设备内部区域时，或发生酸液泄露等应急事故时，能启动顶部喷嘴进行喷水。

设备上方安装通风管道，用于排出酸洗过程中产生的酸雾，并将酸雾输送至指定位置处理后达标排放。

设备采用PLC作为控制核心，人机界面上以动画形式显示线体上所有运动部件的工作状态。

5 设备特点

本台设备为全自动清洗方式，包括上料、酸洗、水洗、下料，自动化程度高，设备定位准确，充分考虑管材的口径和长度，能将管端与喷头组件紧密封和，防止酸洗过程中溶液的渗漏。

酸洗系统和水洗系统自动切换，并设有独立的两套管路和回收装置，保证两种液体不窜，切换时间自动

控制。

设备选材充分考虑氢氟酸和硝酸的挥发性和腐蚀性，使用可靠性高、耐腐蚀的德国PP板材和进口316不锈钢型钢。

气动测量仪检测内径腐蚀量，转化成酸洗时间，有效避免过酸洗。

全自动酸洗设备既能满足清洗质量要求，又大幅降低劳动强度，保护人身安全和周边环境。

6 结语

核级锆管的内壁酸洗一直是个技术难点，以前大都采用全进口设备，设备投资费用高，后期维护和保养都不方便，更不能满足核电发展的巨大需求。

我公司研制的新型长管道表面处理设备，是通过对锆及锆合金管材酸洗工艺的反复论证，适合于清洗核级锆管内表面，去除氧化皮及润滑油的全自动设备。

此设备自动化程度高，全程电脑监控，生产效率高，清洗质量稳定，可追溯性强，酸洗过程在完全封闭的环境下进行，解决了锆管酸洗常见的操作困难、污染腐蚀大、过度酸洗等等问题，有效地保护了操作人员安全和厂房环境。

参考文献

[1] 朱立，孙本良.酸洗工艺技术大全[M].北京：化学工业出版社，2013.

作者简介：陈姝晖（1981-），女，湖北人，中联西北工程设计研究院中级工程师，研究方向：金属材料表面处理工艺及设备。