多弯超长SF6铜配管内腔洁净度提升研究

黄鸿星，屈 直，马鹏涛，王 成

(西安西电开关电气有限公司，陕西 西安 710077)

SF6铜配管为126～550 kV电压等级气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)重要部件，主要由铜管与法兰焊接而成，铜配管一般有3种规格：φ12 mm×1 mm、φ16 mm×1.5 mm及φ20 mm×1.5 mm，其中φ16 mm×1.5 mm规格较为常见；铜配管与GIS连接采用法兰螺栓联接，配管气室与产品气体为统一气室，SF6气体一般通过配管充入GIS产品中，由于GIS额定气压为0.5～0.6 MPa，为大气气压的5～6倍，在充入SF6气体时流速比较高，配管中残留金属杂质会被吹入GIS产品气室内，金属在电场作用下集聚，形成尖峰电流，存在潜在放电隐患，为了避免因铜配管杂质引起产品放电，提高配管洁净度，迫切要求开展配管清洗工艺研究。

1 原清洗工艺

配管清洗涉及到清洗技术中的多种关键工序，其中包括高温脱脂工序、冷热水洗工序、弱腐蚀清洗工序、光泽酸洗工序[1]、钝化工序[2-3]、常规水洗工序及干燥处理工序。SF6铜配管清洗工艺流程如图1所示。

高温脱脂工序可以清洗配管表面油污，弱腐蚀工序可以除去配管表面氧化皮[4]，钝化工序可杜绝铜基材与空气中氧、水分接触，达到延迟氧化目的[5]，常规水洗工序清除配管清洗过程中残留液体，干燥处理工序吹干配管内外表面水分，确保配管处在干燥环境。

通过进行大量铜配管清洗试验，发现内表面有黑皮和脱落粉层的配管大部分为多弯超长铜配管(见图2)。

2 原因分析

铜配管内壁质量问题主要是氧化黑皮和脱落粉层等，针对这2种质量问题逐一分析。

1)黑色氧化皮问题。多弯铜配管内表面残留黑皮为氧化铜(CuO)和铜绿(Cu2(OH)2CO3)，黑色氧化皮产生原因有2种情况：a.原材料没有保护好被氧化；b.铜配管因焊接高温被氧化。多弯铜配管弯型部位会形成封闭区域，对清洗液有阻滞作用，清洗液无法到达，黑皮无法清洗干净[6-8]。

2)脱落粉层问题。铜管内壁脱落粉层为清洗液残留物，这是由于铜配管在弯形处会形成封闭区域，常规水洗工序中洁净水不能将残留酸碱液体及水分清洗干净，导致此部位残留物引起铜管持续腐蚀，后续持续腐蚀产生剥离脱落粉末。

3 改进措施

针对多弯铜配管内部形成封闭区域，对铜配管清洗采用两端高程差放置方式[9]，U型弯水平放置，避免配管弯型区憋气，使清洗液可顺利到达。同时适当延长弱腐蚀清洗参数，彻底除去原材料中的黑皮，高压冲洗工序[10]及优化配管吹拂方式保障清洗后配管处在干燥环境条件下，避免因环境原因而二次氧化腐蚀，也可避免内壁因残留碱/酸，发生二次腐蚀，防止脱落粉层产生。

3.1 配管放置方式优化

在原清洗工艺中铜配管在清洗筐里采用水平放置方式。配管随着清洗筐进入清洗槽，浸没在清洗液内，液体从两端进入腔体，多弯区域会形成憋气，内腔气体不能全部排出，存在清洗液不能到达的位置，或用洁净水不能清洗的区域。为了减少配管腔体憋气，对铜配管采用高程差放置(倾斜角)方式，具体方式如下：1)对铜配管在清洗筐采用高程差放置，保证出液口应高于进液口，倾斜角≥15°；2)有U型弯配管，弯型部位水平放置，严禁朝上或朝下(见图3)；3)由于清洗过程清洗框晃动比较大，容易出现松动现象，故要求把铜配管固定牢靠。

3.2 清洗工序工艺参数优化

针对多弯超长铜配管，由于多弯区域对液体阻滞，清洗液填充内腔需要一定的时间，适当延长弱腐蚀酸清洗时间，即把原来10～20 s延长到20～30 s，有利于清除铜配管内表面的黑皮。弱腐蚀(盐酸)可以溶解铜配管内腔残留的碱液，还能与黑色的氧化铜以及绿色的碱式碳酸铜反应，不会和金属纯铜反应。

除去铜配管内壁黑色氧化皮的化学反应方程式如下：

Cu2(OH)2CO3+4HCl(稀)→
2CuCl2+3H2O+CO2↑

(1)

CuO+2HCl(稀)→ CuCl2+H2O

(2)

3.3 水洗工序优化

为了彻底清除粘附在配管内壁残留物，在常规水洗工序完成后，采用高压水对铜配管内壁进行冲洗[11]。铜配管孔径较小，要做好与高压水冲洗设备法兰严密性，在设备法兰上设置限位装置，使得铜配管与高压水管中心轴重合，水从高压设备的管道流入配管中，水流量损失小，流速变化不大，并且保证每根配管清洗时间为10～15 s。另外，为了保障清洗质量，清洗完后设置检验工序，排出口的水色和透明度与入口水目测一致[12]。设备简图管路实物如图4所示。

3.4 压缩空气吹拂工艺优化

在高压水冲洗工序后，大量参考文献中铜配管吹拂过程与操作要领无详细规范，导致流入下道工序40%～50%的铜配管内腔存在大量水，配管长时间放置会引起二次氧化。通过试验验证优化吹拂工艺。

1)采用洁净干燥压缩气体进行吹拂，气体压力设置为0.4～0.6 MPa，逐个法兰对配管内腔进行吹拂，时间为10～30 s。

2)设置吹拂顺序，针对多弯多接头超长配管，多个接头对气体进行分流，为了保障高压气体畅通，减少多弯口气体阻力，把出气孔设置在直管口，进气孔设置在多弯口，另外为了提高吹拂工序合理性与有效性，从一端开始进行由近到远的金属法兰逐一吹拂，先从序号①开始吹拂，然后序号②，最后是序号③(见图5)。

4 多弯超长配管清洗效果

通过对SF6铜配管在清洗筐中设置倾斜角，保障清洗液体清洗顺畅，适当延长弱腐蚀清洗时间，新增高压水冲洗及优化压缩空气吹拂工艺等方法控制提升内腔洁净度。工序优化后，多弯超长铜配管清洗后内壁没有黑色氧化皮、铜绿及其他残留物，铜配管清洗效果良好(见图6)。

5 结语

本文改进相关清洗工序对SF6铜配管清洗过程进行试验研究，并对清洗效果进行分析，得到如下结论。

1)多弯超长SF6铜配管在清洗框中采用高程差放置，设置倾斜角并满足倾斜角>15°，U型弯水平放置，可避免多弯配管形成封闭区域，产生憋气，不利于内部清洗。

2)部分SF6铜配管原材料内壁存在黑色氧化皮和铜绿，适当延长酸性工序清理时间，可提高表面金属光泽度。

3)用高压水冲洗SF6铜配管内壁，可清洗内壁残留液，防止酸/碱液体二次腐蚀铜配管。

4)优化SF6铜配管吹拂工艺，可以顺利把水分排除，防止铜配管在潮湿环境中再次氧化。

采用上述改进后，提高了多弯超长铜配管内壁洁净度，保障了产品质量。铜配管清洗工艺也可推广到其他行业细铜管清洗。