唐建忠 高燕

摘要：核一級(jí)管作為核反應(yīng)機(jī)組的關(guān)鍵部件，主要用于核電蒸汽發(fā)生器一、二回路的壓力邊界的冷卻系統(tǒng)，為了滿足我國(guó)核電和能源等領(lǐng)域重大裝備國(guó)產(chǎn)化的迫切需要，開展高精度鋼管在線內(nèi)外表面脫脂清洗成套裝備研發(fā)，突破鋼管內(nèi)外壁、綠色酶法脫脂、鋼管長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)、智能自動(dòng)化集成等技術(shù)難點(diǎn)，徹底改變了傳統(tǒng)池槽浸泡酸洗、高壓沖洗的不足，達(dá)到核一級(jí)管脫脂標(biāo)準(zhǔn)，示范引領(lǐng)，填補(bǔ)了脫脂清洗成套裝備領(lǐng)域空白。

Abstract： As a key component of nuclear reactor units， nuclear primary tubes are mainly used for the cooling system of the pressure boundary of the primary and secondary circuits of nuclear power steam generators. In order to meet the urgent needs for the localization of major equipment in China's nuclear power and energy fields， we have carried out research and development of high-precision steel pipe online and external surface degreasing and cleaning equipment， breaking through the technology of steel pipe inner and outer walls， green enzyme degreasing， steel pipe length adaptive adjustment， intelligent automation integration and other technology difficulties. It has completely changed the deficiencies of traditional tank immersion pickling and high-pressure washing， and reached the degreasing standard of nuclear first-level tubes. It is the domestic initiative and demonstration， filling the gap in the field of degreasing and cleaning equipment.

關(guān)鍵詞：鋼管;脫脂;成套裝備;核電

Key words： steel pipe;skim;equipment;nuclear power

中圖分類號(hào)：O484.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）29-0136-04

0? 引言

核一級(jí)管作為核反應(yīng)機(jī)組的關(guān)鍵部件，主要用于核電蒸汽發(fā)生器一、二回路的壓力邊界的冷卻系統(tǒng)。由于核一級(jí)管具有管道長(zhǎng)、內(nèi)徑小及內(nèi)外壁清潔度要求極高的特點(diǎn)，一級(jí)管出軋機(jī)后，需要對(duì)管內(nèi)外壁進(jìn)行脫脂清洗、熱處理等以提高管道機(jī)械強(qiáng)度和消除應(yīng)力。如果脫脂清洗不徹底，熱處理時(shí)會(huì)嚴(yán)重破壞管材耐腐蝕能力，產(chǎn)生滲碳改變力學(xué)性能、化學(xué)成分等，進(jìn)而污染生產(chǎn)線、鍋爐及環(huán)境，且管壁內(nèi)油脂一旦和氧氣接觸，會(huì)產(chǎn)生燃燒甚至爆炸。核一級(jí)管內(nèi)外壁全智能化脫脂清洗設(shè)備及清洗液循環(huán)利用成套設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)合組成。主要用于核電、航天、冶金等高精度特種鋼管脫脂清洗，屬于我國(guó)近年來(lái)環(huán)保領(lǐng)域的支持范疇。本研究突破了內(nèi)外壁脫脂清洗過程智能自動(dòng)化集成、綠色酶法脫脂、鋼管長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)等技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了核一級(jí)管壁酶法脫脂清洗成套設(shè)備的智能化，達(dá)到系統(tǒng)各設(shè)備的全智能化集散控制，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程無(wú)人化值守，便于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行和維護(hù)。本項(xiàng)目研發(fā)屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了我國(guó)核一級(jí)管內(nèi)外壁智能脫脂清洗領(lǐng)域的空白，可實(shí)現(xiàn)核島關(guān)鍵部位配套零部件制造設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及替代國(guó)外裝備，將顯著改善核電管清洗現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和提升脫脂清洗自動(dòng)化控制水平，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，廣泛應(yīng)用于核電、航天等行業(yè)，對(duì)我省、我國(guó)智能化裝備制造業(yè)和新能源環(huán)保裝備自主創(chuàng)新能力有良好的示范推動(dòng)作用，增強(qiáng)我國(guó)在高端環(huán)保裝備領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，符合《中國(guó)制造2025》提出的“綠色發(fā)展”方針。

本研究主要針對(duì)高精密鋼管內(nèi)外壁在線脫脂清洗系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了成套裝備的關(guān)鍵技術(shù)。

1? 基本原理

核一級(jí)管內(nèi)外壁脫脂清洗成套設(shè)備系統(tǒng)主要由外脫脂清洗裝置、內(nèi)脫脂清洗裝置、脫脂清洗循環(huán)利用裝置、現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互控制系統(tǒng)以及核電管自動(dòng)輸送裝置等子系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了不同長(zhǎng)度核電管內(nèi)外壁脫脂清洗及脫脂液循環(huán)利用。（圖1）

軋機(jī)生產(chǎn)的核電管，通過自動(dòng)進(jìn)料輸送線進(jìn)入脫脂設(shè)備，具體脫脂過程簡(jiǎn)述如下：

①外壁脫脂原理及工序。通過脫脂液噴射，利用毛刷破壞管壁油脂層，使脫脂液與油脂充分接觸，加速油脂的溶解和水解，達(dá)到脫脂效果?；玖鞒虨椋好撝h(huán)洗、旋轉(zhuǎn)環(huán)刷、外表清潔，后經(jīng)壓縮空氣風(fēng)刀吹干，再由外脫脂機(jī)后道夾送機(jī)構(gòu)把核電管送入齊料V型輥道。

②內(nèi)壁脫脂原理及工序。通過脫脂液推動(dòng)毛刺球在核電管內(nèi)來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用毛刺球表面與管壁不斷摩擦，使脫脂液與油脂充分接觸，達(dá)到油脂快速水解，實(shí)現(xiàn)高效脫脂?；玖鞒虨椋汉穗姽芪捕俗詣?dòng)鋸切倒棱、核電管兩端由密封閥與核電管自動(dòng)對(duì)接、內(nèi)壁吹塞刮油、脫脂噴洗、熱水沖洗、壓縮空氣熱風(fēng)干燥、毛粘球粘丙酮吹掃等。

③脫脂清洗液循環(huán)利用。脫脂清洗過程中的脫脂液自流至設(shè)計(jì)的攪拌槽中，經(jīng)提升泵至除油沉淀槽進(jìn)行處理循環(huán)使用;清洗水自流至廢水槽。其中，攪拌槽、脫脂液加熱槽、熱水槽的液位均采用自動(dòng)控制，脫脂液與清洗水的加熱采用自動(dòng)溫控。

2? 成套裝備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精密鋼管內(nèi)外壁在線脫脂清洗系統(tǒng)

2.1.1 在線脫脂清洗工藝技術(shù)

創(chuàng)新研制核電管外壁在線脫脂清洗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脫脂清洗與鋼管生產(chǎn)軋機(jī)的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)高速的外表面脫脂速率和低油脂殘留量。實(shí)現(xiàn)軋機(jī)生產(chǎn)核電管直接進(jìn)行脫脂清洗，解決了核電管堆放保存問題;創(chuàng)新設(shè)計(jì)了脫脂清洗工藝，保證了脫脂清洗質(zhì)量。在機(jī)體骨架上安裝有多個(gè)用于不銹鋼管輸送的導(dǎo)輪和三個(gè)脫脂清洗用箱體，在三個(gè)箱體中依次安裝有環(huán)形溶劑脫脂裝置、環(huán)形熱水漂洗裝置和環(huán)形蒸汽噴洗裝置，環(huán)形溶劑脫脂裝置由環(huán)形安裝架和安裝在環(huán)形安裝架上的多個(gè)溶劑噴嘴組成，溶劑噴嘴的中心形成一個(gè)能讓不銹鋼管通過的通孔，溶劑噴嘴通過管道與溶劑泵相連;在環(huán)形溶劑脫脂裝置、環(huán)形熱水漂洗裝置和環(huán)形蒸汽噴洗裝置的下部安裝有相應(yīng)的接液槽，接液槽通過管道與安裝在地下的回收過濾裝置相連，每個(gè)箱體也通過抽風(fēng)管與回收過濾裝置相連。相對(duì)于傳統(tǒng)的用槽式浸泡、酸洗和打氣等清洗鋼管的辦法，項(xiàng)目采用的工藝技術(shù)高效節(jié)能。（圖2、圖3）

能較好地實(shí)現(xiàn)核電鋼管內(nèi)外表面脫脂清洗優(yōu)化控制，對(duì)脫脂液噴射溫度、壓力、時(shí)間等參數(shù)和裝臵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)脫脂工藝，結(jié)合在線脫脂檢測(cè)裝臵研發(fā)，提高脫脂效率，達(dá)到核一級(jí)管脫脂標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 箱式密閉在線技術(shù)

由于鋼管外表面在線脫脂清洗設(shè)備采用箱式密閉在線技術(shù)，脫脂液由供應(yīng)站噴淋泵供給，脫脂液回收自流入沉淀除油槽進(jìn)行再生處理;噴淋水由供應(yīng)站噴淋水泵供給，噴淋水回收排入污水處理站;低溫蒸汽由風(fēng)機(jī)排出室外，冷凝水排至污水處理站，低能耗、低噪音、無(wú)空氣污染，優(yōu)化了使用環(huán)境，符合當(dāng)今倡導(dǎo)的低碳環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

2.1.3 軋機(jī)軸向、徑向運(yùn)動(dòng)技術(shù)

在線脫脂、刷洗、清洗、干燥、冷卻、各介質(zhì)過濾循環(huán)及處理，達(dá)到鋼管表面清潔光亮，無(wú)殘留脫脂劑，無(wú)油污，無(wú)劃傷與壓痕及軋機(jī)以4m/min速度的軸向和徑向運(yùn)動(dòng)等技術(shù)。項(xiàng)目改變了原有池槽浸泡酸洗、高壓沖洗的不足，采用在線脫脂清洗，其脫脂清洗速度能滿足扎機(jī)的要求1～4m/min以上，能夠有效集成到管材生產(chǎn)線中。

2.2 綠色酶法脫脂清洗技術(shù)

傳統(tǒng)脫脂清洗不僅消耗大量脫脂劑和清洗液，而且會(huì)造成對(duì)環(huán)境嚴(yán)重污染。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)化酶促反應(yīng)工藝參數(shù)，獲得最佳酶法脫脂清洗工藝技術(shù)。開發(fā)實(shí)時(shí)在線酶活檢測(cè)技術(shù)裝置，自動(dòng)添加酶液，達(dá)到管壁脫脂清洗自動(dòng)循環(huán)利用，使酶催化脫脂效率比傳統(tǒng)方法提高30%以上，實(shí)現(xiàn)管壁脫脂清洗的高效、節(jié)能、環(huán)保。

開發(fā)管內(nèi)壁自動(dòng)化脫脂清洗系統(tǒng)，采用毛刺球循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)脫脂清洗技術(shù)和脫脂效果的毛粘球粘丙酮吹掃檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了管內(nèi)壁自動(dòng)化脫脂清洗封閉系統(tǒng)，可滿足不同規(guī)格核電管內(nèi)壁脫脂清洗的要求，有效提高脫脂效率和效果。

2.3 智能化脫脂清洗及清洗液循環(huán)利用成套設(shè)備

針對(duì)高精度鋼管道細(xì)長(zhǎng)且內(nèi)外壁表面清潔度要求高的特點(diǎn)，突破內(nèi)外壁、綠色酶法脫脂、鋼管長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)、脫脂清洗過程智能自動(dòng)化集成等技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)高精度鋼管壁酶法脫脂清洗成套設(shè)備的智能化，達(dá)到系統(tǒng)各設(shè)備的全智能化集散控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程無(wú)人化值守，便于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行和維護(hù)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)脫脂劑和清洗水自動(dòng)加液及脫脂液循環(huán)利用系統(tǒng)，與傳統(tǒng)工藝相比，顯著節(jié)約脫脂劑用量。（圖4、圖5）

2.3.1 全智能化控制技術(shù)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，采用三維模擬軟件設(shè)計(jì)，通過研發(fā)鋼管脫脂清洗成套設(shè)備全程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示三維管道傳輸、長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)、脫脂清洗、在線檢測(cè)等過程的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，提高設(shè)備通用性和智能化水平，實(shí)現(xiàn)管壁整個(gè)脫脂清洗過程的全智能化，使生產(chǎn)效率提高50%以上，節(jié)約能耗40%以上，生產(chǎn)成本降低30%以上。（圖6）

2.3.2 節(jié)能與節(jié)材

項(xiàng)目設(shè)計(jì)脫脂劑和清洗水自動(dòng)加液、溫度控制及脫脂液循環(huán)利用系統(tǒng)，對(duì)脫脂液和清洗水加熱槽的水位和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)脫脂清洗循環(huán)利用，與傳統(tǒng)工藝相比大量節(jié)約脫脂劑。創(chuàng)新設(shè)計(jì)脫脂劑和清洗水自動(dòng)加液及脫脂液循環(huán)利用系統(tǒng)，與傳統(tǒng)工藝相比，節(jié)約脫脂劑35%以上。改變了傳統(tǒng)用池槽浸泡酸洗、高壓沖洗的技術(shù)。因池槽浸泡酸洗占地廠房大，設(shè)備體積大、耗能高造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用高，鋼管在池槽浸泡酸洗過程中，酸液易對(duì)鋼管產(chǎn)生損傷，酸霧處理不凈，對(duì)廠房設(shè)備污染影響使用壽命，更易損害工人身體。

采用連續(xù)式在線脫脂工藝，對(duì)長(zhǎng)管的外表面進(jìn)行在線脫脂。即經(jīng)皮爾格冷軋管機(jī)軋制后的長(zhǎng)管，在輸送輥道上逐支通過一個(gè)組合裝置。在該裝置中長(zhǎng)管連續(xù)經(jīng)過三氯乙烯脫脂劑脫脂、軟毛刷子刷洗、泡沫塑料擦洗、熱水清洗、吹烘干燥5個(gè)步驟進(jìn)行外表面脫脂，保證了一次性脫脂，可滿足多種類型鋼管內(nèi)壁脫脂清洗，實(shí)現(xiàn)高速的內(nèi)壁脫脂速率和低油脂殘留量。

2.4 智能化污水處理工藝技術(shù)

開發(fā)了高濃度有機(jī)廢水處理工藝及裝備，高濃度有機(jī)廢水在利用傳統(tǒng)工藝及設(shè)備處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生二次污染，開發(fā)新型裝備，突破二次燃燒及尾氣處理等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)能源利用率高、二次污染小的成套設(shè)備;開發(fā)了膜法水處理工藝及成套設(shè)備將納濾、微濾、超濾、反滲透等利用膜進(jìn)行廢水處理過程的有機(jī)集成;開發(fā)了酸洗廢水再生利用工藝及裝備，冶金、金屬酸洗等廢水中的酸和金屬有極高利用價(jià)值，開展此類廢水中酸和金屬回收利用工藝及裝備的研究，顯著提高廢水資源化，相關(guān)處理技術(shù)形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3? 與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較

目前國(guó)內(nèi)鋼管脫脂方法主要強(qiáng)堿脫脂法、酸洗法及有機(jī)溶劑直接溶解法。強(qiáng)堿脫脂法主要方式有浸泡、洗刷及噴射、電解脫脂;酸洗法一般通過化學(xué)和電解兩種方式實(shí)現(xiàn)脫脂;有機(jī)溶劑法一般采用四氯化碳、精餾酒精等作為脫脂劑直接溶解。上述方法效率低、成本高、穩(wěn)定性差、對(duì)超長(zhǎng)核一級(jí)管存在局限性，且造成管壁腐蝕和環(huán)境污染，不符合國(guó)家提出的綠色制造要求。

近年來(lái)，國(guó)外在脫脂清洗方式和自動(dòng)化程度方面開展了系列研究，日本采用槽式脫脂和超聲波相結(jié)合來(lái)提高脫脂率，瑞士、瑞典、德國(guó)等采用半自動(dòng)化脫脂清洗設(shè)備，將鋼管放在支架上，外壁通過滾刷脫脂，內(nèi)壁通過噴射脫脂液進(jìn)行脫脂清洗，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)操作方便性。在環(huán)保裝備的智能廢水處理裝備領(lǐng)域，美國(guó)、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)持有90%以上的專利，中國(guó)在這方面和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距較大。為了打破國(guó)外技術(shù)在該領(lǐng)域壟斷的被動(dòng)局面，政府、社會(huì)、企業(yè)與科研院所協(xié)同推進(jìn)高端智能化環(huán)保裝備戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，開發(fā)自主創(chuàng)新的高端智能化環(huán)保裝備將是今后的一個(gè)熱點(diǎn)。

由于國(guó)外的鋼管脫脂工藝不適合我國(guó)的國(guó)情，一是脫脂清洗設(shè)備價(jià)格昂貴，二是使用維護(hù)成本高，因此項(xiàng)目研制出的鋼管在線外表面脫脂清洗設(shè)備一問世就受到了我國(guó)該行業(yè)的關(guān)注和肯定，目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。該產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率在初期為95%，該產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大后，將會(huì)有跟進(jìn)企業(yè)，該產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率將會(huì)下降，但總量成上升狀態(tài)。本研究項(xiàng)目產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品及技術(shù)現(xiàn)行指標(biāo)的比較分析如表1所示。

研發(fā)的成套裝備國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)普通的脫脂清洗裝備，在智能化程度、管長(zhǎng)范圍、脫脂方式及效果、檢測(cè)手段等方面均領(lǐng)先國(guó)外同類產(chǎn)品，成套設(shè)備綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，且具備明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，為打入國(guó)際市場(chǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

4? 應(yīng)用情況

自主研發(fā)的核電管內(nèi)外壁脫脂清洗成套設(shè)備，充分運(yùn)用自動(dòng)化控制和脫脂清洗循環(huán)利用的特點(diǎn)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新及突破，顯著提高脫脂清洗效率和降低生產(chǎn)成本。

為了保證產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品合格率，本項(xiàng)目嚴(yán)格按照ISO-9001質(zhì)量管理體系和ISO-14000環(huán)境體系認(rèn)證，進(jìn)行了長(zhǎng)期的小試、中試試驗(yàn)。小試過程中，不斷調(diào)整工藝參數(shù)（毛刷轉(zhuǎn)速、毛刺球移動(dòng)速度、脫脂劑噴射壓力等）和核電管直徑和長(zhǎng)度，對(duì)產(chǎn)品的脫脂清洗設(shè)備運(yùn)行效率、脫脂清洗性能進(jìn)行測(cè)試，整套樣機(jī)運(yùn)行過程平穩(wěn)、安全可靠、脫脂效果顯著。樣機(jī)完成后，公司成立了專門的項(xiàng)目測(cè)試小組，對(duì)核電管內(nèi)外壁脫脂成套設(shè)備進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：本產(chǎn)品管壁油脂去除效果顯著、運(yùn)行平穩(wěn)性好、安全可靠性高。中試產(chǎn)品經(jīng)公司客戶試用情況反饋，具有很大的推廣和應(yīng)用價(jià)值：①本項(xiàng)目產(chǎn)品的樣機(jī)性能測(cè)試結(jié)果表明，其主要技術(shù)性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)脫脂清洗方法;②本項(xiàng)目產(chǎn)品的應(yīng)用，可大幅度改善脫脂工作環(huán)境并降低能耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著;③本項(xiàng)目產(chǎn)品采用自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)鋼管長(zhǎng)度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)脫脂清洗過程的自動(dòng)化。

5? 結(jié)論

針對(duì)高精度鋼管細(xì)長(zhǎng)且內(nèi)外壁表面清潔度要求高的特點(diǎn)，突破鋼管內(nèi)外壁、綠色酶法脫脂、鋼管長(zhǎng)度自適應(yīng)調(diào)節(jié)、智能自動(dòng)化集成等技術(shù)難點(diǎn)，創(chuàng)新研發(fā)了連續(xù)式在線脫脂工藝技術(shù)、箱式密閉在線技術(shù)、綠色酶法脫脂清洗技術(shù)和全智能化控制技術(shù)等核心技術(shù)，徹底改變了傳統(tǒng)鋼管池槽浸泡酸洗、高壓沖洗的不足，滿足我國(guó)在重大裝備關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的迫切需要。實(shí)現(xiàn)管壁整個(gè)脫脂清洗過程的全智能化，使生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)成本降低，脫脂清潔度提高60%以上，產(chǎn)品合格率達(dá)到99%以上，滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

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