不锈钢管表面内外脱脂冲洗设备分析及优化

王 耀，陈小福，白书舟

(1.上海西重所重型机械成套有限公司,上海 201900；2. 浙江中达新材料股份有限公司，浙江 海盐,314312 )

0 前言

随着我国工业发展由数量向质量转型，高端不锈钢管在石化、能源、医疗、航空等行业的应用更加广泛，用户对交货状态的要求也越来越高。一般要求管道内外表面不能有游离铁锈、大颗粒灰尘、焊渣、油脂等杂质，而特殊用途钢管对清洁度要求就更加苛刻。例如氧气管道大部分是输送纯度大于99.99%的氧气，其压力高，流速快，如不能保证管道内部清洁，管线内微量的油污、金属离子就可能与高压纯氧氧化、撞击，产生电火花而发生严重后果，甚至酿成惨重的事故，所以氧气管道必须进行脱脂清洗处理。

1 钢管内外表面脱脂工艺及生产流程

钢管表面脱脂清洗工艺基本包括钢管外表面脱脂、内表面脱脂、外表面清洗、内表面清洗四个工序。为提高脱脂清洗效率，设置了钢管预泡、脱脂液(热水)循环、脱脂液(热水)直接加热三个子工艺。钢管内外脱脂工艺的流程如图1所示。

图1 钢管内外脱脂工艺流程图

操作流程为半自动化。成捆钢管的进出料和内孔脱脂(冲洗)时插入喷嘴需要人工操作。人工将钢管送入预泡槽后，设定预泡时间和脱脂液温度，一键启动脱脂液自动循环加热系统。设定时间到，指示灯提示完成预泡工作。完成预泡的成捆钢管从预泡槽转运到进料台，操作员散料后，气缸驱动摆臂拨料将钢管送入脱脂槽。在外脱脂槽内，拨爪间歇动作使钢管抖动，脱脂液在槽内处于循环状态。时间和温度的设定和预泡槽相同。钢管外表面脱脂后，拨爪将钢管送出脱脂槽，送入内孔脱脂槽。操作员将喷嘴插入钢管内孔并固定钢管和喷嘴，设备自动完成钢管内表面的脱脂液冲洗和压缩空气的吹扫。完成钢管内表面的脱脂液冲洗和吹扫后，摆臂装置动作将钢管送出外表面冲洗槽。钢管在槽内进行外表面冲洗，拨爪间歇动作使钢管抖动，冲洗热水在槽内循环。完成外表面清洗后拨爪将钢管送出外表面冲洗槽，送入内孔冲洗槽。在内孔冲洗槽，操作员将喷嘴插入钢管内孔并固定钢管和喷嘴，设备自动完成钢管内表面的热水冲洗和压缩空气的吹扫。启动内孔冲洗槽摆臂装置，将钢管送出内孔冲洗工位，送入出料台架。操作员将脱脂后的钢管打捆后转运到下一道工序。

2 设备布置

设备整体布置如图2所示。设备按工艺顺序布置：预泡槽→进料台架→外表面脱脂槽→内孔脱脂槽→外表面冲洗槽→内孔冲洗槽→出料台架。操作侧布置相应的内孔脱脂吹扫装和置内孔清洗吹扫装置，另一侧布置脱脂液箱泵站、冲洗热水箱泵站和蒸汽阀站。电控柜根据工厂情况布置在合理的位置，内孔脱脂(清洗)吹扫工位配置操作箱。

图2 设备整体布置图

2.1 机械设备

机械设备包括安装支架、进出料台架、摆臂装置、脱脂及冲洗槽和拨爪装置。

(1)安装支架。安装支架用来支撑固定脱脂槽、冲洗槽、摆臂、拨爪、电机、气缸等部件，同时又是上料和出料台架的本体。架体下部空间用于敷设电缆管线、蒸汽管路、脱脂液管路、热水管路等，也是走道检修平台的安装基础。架体采用模块化设计，单体间由连接横梁用螺栓紧固而成，连接处均由机加工保证配合精度，全部架体由多个单体和多组横梁组装而成。在制造厂组装调整后解体运到工厂再进行组装，方便运输，保证装配的可靠性。

(2)进出料台架。进出料台架用来钢管散料和收集清洗后的钢管。此处与不锈钢管接触的材料均采用不锈钢或者非金属，防止碳污染。

(3)摆臂装置。摆臂装置共有3处，分别是将钢管送出进料台架(送入脱脂槽)、将钢管移出冲洗槽、将钢管送入出料架。摆臂装置由轴承座、同步转轴、托臂单元、气缸等组成。

(4)脱脂及冲洗槽。槽体按结构分三种：预泡槽、外表面脱脂(冲洗)槽和内孔脱脂(冲洗)槽。槽体尺寸按钢管规格和产量进行设计，槽体为不锈钢材质。槽内按钢管规格分段设置非金属支撑板，槽体底部装有蒸汽管路和喷射式加热头。

(5)拨爪装置。脱脂槽均配有拨爪装置。转动拨爪组件由轴承座、转轴、拨爪、驱动减速电机、链轮、链条等组成，按钢管规格进行分组设置。多组之间的同步通过检测元件和变频驱动器来实现闭环控制。

2.2 脱脂液(热水)循环冲洗系统

脱脂液(热水)循环系统包括：脱脂液箱及泵站、内孔脱脂装置、热水箱及泵站、内孔冲洗装置四大部分。

(1)脱脂液箱及泵站。脱脂液箱及泵站包括箱体、泵站、阀、液位检测、加热装置以及温度检测元件等组成。加热装置包括蒸汽阀门、喷射式加热头、温度检测元件组成。泵站包含外表面循环泵和内孔脱脂泵，加热位置分别位于过滤加热箱体和脱脂槽体内。脱脂液存放在保温液箱、外表面脱脂槽和内孔脱脂槽三大容器内，其间分别用回流槽和管道连通，保持液面的稳定。保温液箱的功能是调节动态时的液位。

(2)内孔脱脂吹扫装置。内孔脱脂槽的一端配有脱脂吹扫装置，先用脱脂液通过喷嘴将钢管内部冲洗干净，再用压缩空气将钢管内部残留脱脂液吹扫干净。清洗吹扫装置由喷嘴、软管、集液腔、箱体、管件、法兰等组成，结构如图3所示。

图3 内孔清洗吹扫图

(3)冲洗水箱及泵站。水箱、泵站和脱脂液系统相同，其内部介质为冲洗水。

(4)内孔清洗吹扫装置。与内孔脱脂吹扫装置相同，其内部介质为冲洗水。

2.3 电控系统

电控系统的硬件包括进线柜、PLC柜、MCC柜、操作台等，主要元器件有PLC、变频器、触摸屏。操作人员可在触摸屏上设定脱脂的时间和温度，拨爪的抖动速度、次数和时间,如图4所示。在醒目处设置声光报警，完成到时提醒功能。

图4 触摸屏照片

3 关键技术

3.1 多功能拨爪装置

多功能拨爪装置安装在外表面脱脂槽和冲洗槽内，如图5所示。

图5 脱脂冲洗槽

拨爪装置沿钢管轴线方向布置四个拨爪单元，采用模块化制造。拨爪装置单元如图6所示,所有单元的配置相同，均由减速电机、编码器、链轮、链条、同步主轴和四片拨爪组成。按钢管长度启用对应的拨爪单元组数，各拨爪单元间的同步和角度差通过编码器和变频驱动器的闭环控制来实现四种功能：

图6 拨爪装置图

(1)过料功能。可以将数十钢管从槽内送出，使其顺利的到达出料架，滚入下一工位；

(2) 振动功能。钢管外表面脱脂或者清洗时，通过几组拨爪不同或者相同的转动角度，使钢管外表面之间产生位移，改善钢管表面流体的状态，提高脱脂或者清洗的效果；

(3)排气功能。在钢管进入槽中时，几组拨爪转动不同的角度，使钢管产生一定的角度，方便管腔中的空气从位置高的管端排出；

(4)控水功能。在钢管送出槽子时，几组拨爪转动不同的角度，使钢管产生一定的角度，方便管腔中的脱脂液(清洗热水)从位置低的管端排出，减少过料时管内的余液洒在槽体外部。

3.2 脱脂液蒸汽直接加热

因为内外脱脂槽为敞开式结构，所以脱脂液在使用过程中由于水分蒸发会减少液体的体积，热辐射会带走热量，从而使脱脂液的使用环境偏离理想条件。为保持脱脂液的使用条件，分别在液箱和内外槽体内部设置温度传感器和蒸汽加热喷嘴。温度传感器分别检测三处的温度，当温度低于设定值时，开启对应的电动阀，对低温脱脂液加热。

采用蒸汽直接加热的效率高，蒸汽转化的冷凝水液补充脱脂液蒸发损失的水分，冷热对流频繁，容器中的脱脂液在旋转运动中被很快加热。外表面脱脂槽蒸汽喷射时产生的涡流会提高钢管外表面的脱脂效率。

钢管内外表面清洗热水系统也采用相同的加热方式。流程图见图7。

图7 脱脂液加热流程

3.3 脱脂液的二次利用

为降低脱脂液消耗，在预泡槽采用二次脱脂液对未脱脂的钢管进行预泡。预泡的工艺和外表面脱脂相同，二次脱脂液在槽体和二次液箱之间通过泵循环流动，溶解和带走钢管表面的轧制液和油脂等污染。箱体和槽体内安装有测温和加热装置，对二次液的温度进行调节。由于预泡槽的工况比较恶劣，二次液箱的过滤装置更复杂一些。二次箱和脱脂液箱通过泵和管道连接，可直接泵入二次脱脂液。脱脂液二次利用的主要特点：

(1)减少了钢管处理的脱脂液单位消耗量；

(2)预泡会处理部分钢管表面污染，减轻了内外表面脱脂的难度。相同时间内提高了钢管脱脂产量；

(3)增加了占地和一次性的投资。其中的零部件和内外脱脂中的通用，备件和运行成本可控，中长期看利好；

(4)废液中的污染种类无新物质含量，只有数量的增加，对废液处理无影响。

4 需要注意的问题

4.1 脱脂液的选择

脱脂液需根据产品要求进行选择，完成不锈钢管件表面油污、锈斑、黄斑、轧制油等重油污清洗。建议厂家采用中性或弱酸(有机酸)的，且不含重金属、亚硝酸盐等环境受控物质的绿色环保脱脂液，有效减少环境污染，提高产品质量。钢管的具体清洗方式、浓度、时间等应根据产品清洗要求、清洗条件而定，在正式清洗之前需进行小试、中试试验，满足要求后可批量生产。

4.2 废液排放

脱脂废液不可直接排放，应根据生产厂的污水处理条件，经处理达标后排入污水管网，或委托有资质的环保单位集中处置。目前一般采用微生物絮凝剂的处理方法、浮力上浮法(分离悬浮物)、自然浮上法(去除水面上的油污)、反渗透膜处理等。

5 结束语

钢管内外表面脱脂生产线可实现钢管内外表面的脱脂和清洗，配有自动加热和过滤系统，配合针对钢管油污特性所选择的环保型脱脂液，能有效地去除油污，减少污染排废，是替代传统酸洗的可靠生产工艺。本设备设置预泡工位，线上的脱脂液过滤后可充分利用，降低了生产成本和污染排放，提高了经济效益。特别对小口径钢管的脱脂处理，在生产中的性价比高，值得推广。