高精度化學(xué)腐蝕工藝在復(fù)雜環(huán)境下對金屬切割的研究

蘇志偉，黃仁忠，汪成林，張超，劉明洪，彭莘格

（1.中國核動力研究設(shè)計院 第一研究所，成都 610213；2.合肥工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

某設(shè)備管道不銹鋼套管（以下稱為異物）發(fā)生脫落后卡塞在設(shè)備葉輪靜葉末端，經(jīng)過工業(yè)內(nèi)窺鏡觀察及分析，該異物為卡塞浮動狀態(tài)，須在指定位置切斷后方可取出?；谝陨锨闆r，需對滿足小空間切割、遠距離操作、適應(yīng)多個大角度轉(zhuǎn)彎、安全性高、二次異物引入少等技術(shù)要求的切割系統(tǒng)進行研究。

根據(jù)工程現(xiàn)場分析，現(xiàn)有切割系統(tǒng)主要存在以下問題：1）引入新異物較多，不宜后期汽輪機內(nèi)部清潔（如水刀切割等）；2）切割頭或刀具較大，無法進入靜葉腔（如激光切割等）；3）現(xiàn)有刀具大小及材料無法切割不銹鋼（如砂輪切割等）；4）常規(guī)切割時需要一定壓緊力（如鉆切割）；5）常規(guī)切割時需要一定進給距離（如銑、刨切割等）；6）傳統(tǒng)切割系統(tǒng)需要異物與刀具之間相對位置固定[1-6]。

本次切割環(huán)境為異物及刀具均具有一定的活動性，無法保證切割的過程中壓緊力穩(wěn)定性、進給距離穩(wěn)定性、切割位置穩(wěn)定性。因此需要研究一套能滿足在遠距離操作、多個大角度轉(zhuǎn)彎、異物不固定、新異物引入受限等技術(shù)要求下的不銹鋼切割工具。

1 工藝設(shè)計及使用說明

1.1 整體工藝設(shè)計

主體思路為：采購成熟的定量進給推進裝置→非標(biāo)設(shè)計集成箱體→非標(biāo)設(shè)計加工穩(wěn)壓器→采購技術(shù)成熟的塑料電動閥作為控制閥門→非標(biāo)制作連接法蘭及管路→非標(biāo)制作控制面板作為集成控制板→采購技術(shù)成熟的集成配電柜作為電源控制箱。整體工藝圖如圖1所示。

圖1 整體工藝示意圖

1.2 系統(tǒng)使用說明

1.2.1 前期準(zhǔn)備階段

根據(jù)異物形態(tài)及切割位置設(shè)計出液口形狀及大小，定量輸送裝置、壓力安全系統(tǒng)、負壓系統(tǒng)、緊急制動系統(tǒng)、故障報警系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、快速中和系統(tǒng)均固定在平穩(wěn)平臺，便于人員觀察及操作。

1.2.2 正常工作階段

借助專用輸送工具將出液口放置到異物附近，通過調(diào)整出液口位置，將出液口搭放在異物上方且出液口開口盡量靠近異物；校準(zhǔn)定量輸送裝置及壓力安全裝置；打開截止閥，酸液通過酸液輸送管裝置進行流動，待酸液流到排氣閥時，打開排氣裝置，排出管內(nèi)氣體，待排氣閥有酸液溢出時關(guān)閉排氣裝置，酸液繼續(xù)流入至出液口，開始腐蝕工作。

工作時，出液口位置必須高于定量輸送裝置及壓力安全裝置，腐蝕過程中調(diào)整定量輸送裝置進給速度，控制酸液接觸異物且不形成液滴滴下；腐蝕結(jié)束后，打開負壓裝置，將管路、壓力安全系統(tǒng)、定量輸送裝置等所有的酸液倒吸入負壓裝置，啟動快速中和系統(tǒng)，將堿性化學(xué)試劑注入負壓裝置中；取出專用輸送工具，拆卸耐酸輸送管，進行后期清洗工作。

1.2.3 系統(tǒng)安全裝置說明

當(dāng)定量輸送裝置出現(xiàn)一般失控流速時，壓力安全裝置自動啟動卸壓；當(dāng)失速較大時，負壓裝置自動啟動，將所有酸液倒吸入負壓系統(tǒng)內(nèi)；負壓裝置和壓力安全裝置都可保證出液口處酸液逆流，防止因定量輸送裝置失速而大量酸液進入靜葉腔；當(dāng)發(fā)生管路泄漏或其他瞬間失壓狀況時，負壓裝置自動啟動，將所有酸液倒吸入負壓裝置中，盡量減少酸液外漏。

當(dāng)發(fā)生壓力安全裝置或負壓裝置失效時，手動啟動緊急制動裝置，緊急堵死耐酸輸送管后，啟動快速中和系統(tǒng)，分別向定量輸送裝置、耐酸軟管、壓力安全裝置注入堿液，降低強酸酸性，保證內(nèi)部靜葉腔設(shè)備的安全；當(dāng)軟管內(nèi)部液體壓力失?；蛟O(shè)備發(fā)生移動后進行報警并停止定量輸送裝置。

2 基本原理實驗論證

2.1 實驗設(shè)備及材料

實驗原理論證采用的設(shè)備及試劑主要包括王水、異物試樣、靜葉片基體材料、通用輸液器、20 mL注射器、5 mL注射器、聚四氟乙烯非標(biāo)制作的連通管及出液口、定量輸送器、模擬液等。圖2為標(biāo)準(zhǔn)王水溶液，圖3為1:1制作的異物模擬試樣，該試樣基材與異物基材一致，形狀尺寸與異物相似，圖4為靜葉腔基材材料試樣，圖5為輸送管道試樣之一（實驗中對輸送管道所有材質(zhì)均進行了腐蝕實驗），圖6為定量推進裝置，該裝置可實現(xiàn)精準(zhǔn)微量液體輸送。

圖2 化學(xué)試劑溶液

圖3 異物試樣

圖4 靜葉腔材料

圖5 輸送管道試樣

圖6 推進裝置模擬機

2.2 實驗內(nèi)容及結(jié)論

2.2.1 異物的可腐蝕性

將異物完全放置于配置好的化學(xué)試劑溶液（王水）中，觀察化學(xué)反應(yīng)狀況。實驗結(jié)果為：異物試樣放入王水后，異物表面馬上出現(xiàn)了較多氣泡（氣泡僅附著在異物表面，未聚集外溢），王水溶液開始變深。約5 min后，異物表面氣泡開始聚集外溢。0.5 h后大量氣泡聚集為大氣泡外溢，持續(xù)約10 min，王水溶液完全變黑。沸騰結(jié)束后回歸為較多氣泡附著在異物表面狀態(tài)。約10 h后異物厚度基本腐蝕完全，成銹渣斷裂狀。圖7為異物放入王水后產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，圖8為反應(yīng)一段時間后新舊王水溶液的對比，圖9為最終異物被腐蝕后的狀態(tài)，腐蝕效果較好，可以實現(xiàn)異物切斷的目標(biāo)。

圖7 氣泡聚集外溢

圖8 溶液顏色對比

圖9 最終腐蝕結(jié)果

2.2.2 輸送酸液管線的耐腐蝕性

為了驗證同等實驗條件下王水對輸送管路及器皿的腐蝕性，將所有與王水接觸的部位進行取樣腐蝕，取出的試樣成分主要包括硬質(zhì)塑料、橡膠、聚四氟乙烯等。在對異物試樣進行腐蝕實驗時，同時將輸送管及器皿試樣進行同一個燒杯內(nèi)腐蝕，保證實驗條件的一致性。實驗過程中每隔1 h對試樣進行拉拽強度、彈性、塑性等性能檢測。10 h后對試樣清洗檢查，檢查結(jié)果表明：以上所有試件未發(fā)生明顯的塑性、彈性、強度、硬度等性能變化，試樣外觀顏色由透明變?yōu)樽攸S色。圖10為液體輸送管道所有與王水接觸的材質(zhì)腐蝕實驗，圖11為管道被腐蝕試樣的基本性能檢查，未發(fā)生明顯的腐蝕效果，圖12為所有被腐蝕試樣清洗后的最終狀態(tài)，狀態(tài)完好，未發(fā)生腐蝕效應(yīng)。

圖10 所有試樣放入

圖11 檢測試樣基本性能

圖12 最終試樣狀態(tài)

2.2.3 靜葉片基體材料的腐蝕性能

對兩個實驗試件進行點滴腐蝕實驗，點滴10 min后兩試件發(fā)生反應(yīng)，異物試件有輕微腐蝕，靜葉片基體材料出現(xiàn)類似碳渣物質(zhì)。圖13為異物與基材的原始狀態(tài)，圖14為分別對異物和基材做滴定腐蝕實驗，圖15為一定時間后的腐蝕狀態(tài)。

圖13 反應(yīng)前兩個試樣

圖14 分別滴定酸液

圖15 10 min 反應(yīng)狀態(tài)

2.2.4 定量定速注射可實施性

為了避免對其他設(shè)備造成損壞，采用微速定量推送方案，定量、定點地輸送酸液，避免酸液流動對其他設(shè)備造成腐蝕。采用最小量程0.1 mL/h的微量推進器。通過配置模擬液對設(shè)備的推進精度及穩(wěn)定性進行實驗驗證。圖16為整體搭建的簡易定量酸液推進系統(tǒng)，原理上驗證了方案的可實施性。圖17、圖18為一定時間后的液體推進效果。

圖16 整體搭建驗證系統(tǒng)

圖17 推進5 min 液滴

圖18 推進19 min 液滴滴落

3 結(jié)論

本文提出了一套高精度化學(xué)腐蝕工藝在復(fù)雜環(huán)境下對金屬切割的工藝，通過實驗對系統(tǒng)的基本原理及實驗的可實施性進行了研究，研究結(jié)果表明：王水可對異物進行腐蝕，腐蝕效率較高。王水在一定時間內(nèi)對輸送酸液的管線及相關(guān)器皿發(fā)生的腐蝕作用不明顯。王水與異物及靜葉片基體材料均能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。異物厚度損耗率為23%，靜葉片基體材料厚度損耗率為6%，異物損耗速率較高。定量輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，推進量誤差較小，基本滿足使用要求。利用酸液對金屬進行定點、定量、可控的腐蝕操作具有一定的可實施性。