GIS氣動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壁防腐質(zhì)量提升

姚金剛，徐曦，張會(huì)杰，邵禹

（西安西電開(kāi)關(guān)電氣有限公司，陜西西安 710077）

氣體絕緣全封閉組合電氣（gas insulated switch‐gear，以下簡(jiǎn)稱GIS）戶外產(chǎn)品中，部分使用氣動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)斷驅(qū)動(dòng)［1-2］，氣動(dòng)機(jī)構(gòu)需使用儲(chǔ)氣罐進(jìn)行能量存儲(chǔ)，因此儲(chǔ)氣罐的外觀質(zhì)量（含內(nèi)表面）直接影響機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性和使用壽命。儲(chǔ)氣罐材質(zhì)為鍋爐鋼，通常選擇熱浸鍍鋅工藝（下文簡(jiǎn)稱熱鍍鋅）作為防腐工藝［3］。熱浸鍍鋅利用陰極保護(hù)原理，金屬鋅電位較低，僅有-0.762 V低于鐵的電位-0.440 V，較鐵更為活潑，當(dāng)鍍鋅的鐵基材處于腐蝕環(huán)境中時(shí)，鋅膜作為陽(yáng)極首先受到腐蝕，而作為陰極的鐵受到保護(hù)［4］。

儲(chǔ)氣罐為焊接殼體，外觀形狀如圖1所示。如果先熱鍍鋅，再焊接，焊縫處的熱鍍鋅層會(huì)被燒蝕，所以為保證儲(chǔ)氣罐焊接部分防腐、防銹質(zhì)量，工藝采用先焊接后表面處理的工藝順序。

圖1 儲(chǔ)氣罐外觀Fig.1 Appearance of air storage tank

1 問(wèn)題來(lái)源

沿海地區(qū)使用的儲(chǔ)氣罐受當(dāng)?shù)貪駸釟夂虻挠绊?，?chǔ)氣罐中會(huì)滯留大量的水分，造成儲(chǔ)氣罐生銹腐蝕［5］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，儲(chǔ)氣罐使用一年內(nèi)，內(nèi)腔嚴(yán)重腐蝕，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)氣罐內(nèi)腔腐蝕位置Fig.2 Corrosion position of inner cavity of air storage tank

由圖2可知，腐蝕主要發(fā)生在內(nèi)腔端面放水閥附近。實(shí)驗(yàn)研究表明，在干燥的空氣或室內(nèi)無(wú)結(jié)露、潤(rùn)濕的情況下，熱鍍鋅的腐蝕速度極慢，而當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，鋅表面的腐蝕則明顯加?。?］，下文根據(jù)該特征進(jìn)行了工藝和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，并進(jìn)行了改進(jìn)。

2 原因分析

儲(chǔ)氣罐焊接后僅在兩頭留有手孔，內(nèi)腔熱鍍鋅后，在鋅液排出的過(guò)程控制上有一定的難度，內(nèi)腔熱鍍鋅后易殘留鋅粒和殘?jiān)诠迌?nèi)。后續(xù)清理殘?jiān)墓ば蛑校捎诳臻g狹小，操作不便，易造成鋅層減薄或磨透，漏出金屬基材。當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)行在潮濕環(huán)境時(shí)，減薄或磨透部位會(huì)發(fā)生快速腐蝕產(chǎn)生紅色鐵銹。

儲(chǔ)氣罐端蓋位置見(jiàn)圖3，可以看到靠近放水閥處留有3°的斜坡，用于熱鍍鋅工序鋅液的排出。在實(shí)際操作中，該結(jié)構(gòu)會(huì)造成以下兩方面問(wèn)題：1）熱鍍鋅時(shí)，零件非完全豎直放置，會(huì)有一定的角度，熔融的金屬鋅粘度較大，若坡度過(guò)小，則造成鋅液、鋅渣積存無(wú)法排凈；2）目測(cè)檢驗(yàn)時(shí)，斜坡部位及斜坡根部無(wú)法看見(jiàn)，對(duì)檢驗(yàn)鋅層質(zhì)量造成很大障礙。在后續(xù)對(duì)內(nèi)腔打磨時(shí)，難以控制打磨范圍和力度。

圖3 儲(chǔ)氣罐端蓋Fig.3 End cover of air storage tank

因此，在實(shí)際工藝操作中，既難以控制過(guò)程，保證質(zhì)量，又無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，排除隱患。

3 改進(jìn)方法

3.1 工藝流程改進(jìn)

從工藝角度可以采取改變焊接與熱鍍鋅順序的方法來(lái)保證整體熱鍍鋅的質(zhì)量。原工藝過(guò)程為先焊接后熱鍍鋅，也可嘗試將最后焊接前的兩個(gè)零件先熱鍍鋅后焊接，即儲(chǔ)氣罐未焊接完成，作為兩個(gè)獨(dú)立零部件時(shí)分別進(jìn)行熱鍍鋅，在熱鍍鋅后，再將兩零件焊接。焊接時(shí)需將熱鍍鋅位置的鋅層去除，同時(shí)焊接熱影響區(qū)對(duì)焊縫周圍3 cm左右范圍的熱鍍鋅層會(huì)造成燒損，需進(jìn)行油漆修補(bǔ)。油漆只對(duì)焊縫內(nèi)外熱影響區(qū)部位進(jìn)行修補(bǔ)。

此方法可提高儲(chǔ)氣罐內(nèi)壁整體質(zhì)量，由于零部件分開(kāi)熱鍍鋅，所以除焊縫位置外，其他部位的熱鍍鋅質(zhì)量，從工藝控制到檢驗(yàn)手段都易于把握，把問(wèn)題縮小在焊縫周邊。但該方法會(huì)帶來(lái)新的不便：1）由于分開(kāi)熱鍍鋅，會(huì)對(duì)零部件造成不同程度的變形，給后續(xù)焊接帶來(lái)一定難度；2）修補(bǔ)油漆時(shí)，操作難度也會(huì)增大，需要操作人員耐心細(xì)致方可完成；3）零部件外觀會(huì)由于油漆和熱鍍鋅的顏色變化不同，在一段時(shí)間后產(chǎn)生色差，影響視覺(jué)效果。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述工藝的分析討論，可以看出為保證內(nèi)腔熱鍍鋅質(zhì)量仍需采用先焊接后熱鍍鋅的工藝路線。若要徹底解決該問(wèn)題，除了嚴(yán)格工藝紀(jì)律，更重要的是從結(jié)構(gòu)上杜絕此類問(wèn)題的易發(fā)點(diǎn)。結(jié)合工藝實(shí)際操作情況以及圖片所示的問(wèn)題發(fā)生點(diǎn)分析，工藝認(rèn)為應(yīng)增加熱鍍鋅排液斜面坡度，使鋅渣順利排出罐體以減少不必要的打磨。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如圖3所示，3°的斜坡為日本原圖設(shè)計(jì)，考慮到本地?zé)徨冧\施工環(huán)境和工藝過(guò)程控制水平與日本有較大差距，該坡度已經(jīng)不能滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)有熱鍍鋅質(zhì)量。因此，增加坡度值是可以嘗試的方法。

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)從右端進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)時(shí)，斜坡部位及斜坡根部無(wú)法看見(jiàn)，所以坡度增加的程度需首先考慮目測(cè)檢驗(yàn)的可行性。斜坡角度增大的設(shè)計(jì)改進(jìn)中須注意以下兩方面問(wèn)題：1）法蘭螺紋錐角部位與斜坡的垂直距離有嚴(yán)格要求，關(guān)系儲(chǔ)氣罐整體耐壓性；2）儲(chǔ)氣罐整體容積不允許有很大變動(dòng)，但可少許增大。以上兩條作為本次結(jié)構(gòu)改進(jìn)的基本原則。

如圖4所示，右半部分為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，左半部分為現(xiàn)用結(jié)構(gòu)，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of structural improvement

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of structural parameters

1）現(xiàn)用結(jié)構(gòu)錐角至斜坡垂直距離為7.24 mm，要求改進(jìn)后對(duì)應(yīng)值須大于7.24 mm。

2）在增加坡度的同時(shí)，為保證上述距離，需增加板厚。

3）嘗試增加板厚至50 mm，坡度為16°。錐角與斜坡垂直距離為7.9 mm，大于原有距離，如虛線所示。但可視角度與坡度所形成夾角為178°，幾近平面，不利于檢驗(yàn)和觀察打磨。

4）由于下料尺寸限制，20#鋼板材料來(lái)源不穩(wěn)定，故在后續(xù)設(shè)計(jì)中需要注意該問(wèn)題。

5）嘗試增加板厚至58 mm，下料為65 mm厚20#鋼板，同時(shí)增大角度至26°。如圖4右部實(shí)線所示。

4 新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的防腐驗(yàn)證

4.1 試制新結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氣罐

完成解決方案及分析后，按照新設(shè)計(jì)圖紙完成零件加工，共2件。熱鍍鋅步驟見(jiàn)圖5。

圖5 新結(jié)構(gòu)儲(chǔ)氣罐試制Fig.5 Trial production of new structure air storage tank

4.2 取樣試驗(yàn)

完成熱鍍鋅工序后，在儲(chǔ)氣罐端蓋位置取樣（見(jiàn)圖6），并在考察部位按照GB/T—10125連續(xù)完成12個(gè)周期的中性鹽霧試驗(yàn)（見(jiàn)圖7），試驗(yàn)設(shè)備為FQY-025鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱。由圖7可以看出，經(jīng)過(guò)12個(gè)周期的中性鹽霧試驗(yàn)，熱鍍鋅層表面出現(xiàn)白銹，但無(wú)腐蝕缺陷。

圖6 取樣位置Fig.6 Sampling location

圖7 中性鹽霧試驗(yàn)（畫(huà)圈位置為考察位置）Fig.7 Neutral salt spray test（circled position is the in‐spection position）

5 結(jié)論

本項(xiàng)目通過(guò)分析問(wèn)題的根本原因，聚焦熱鍍鋅表面處理質(zhì)量，嘗試在實(shí)際加工水平條件下通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)解決問(wèn)題，確認(rèn)了表面處理質(zhì)量與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，為后期相似問(wèn)題提供了處理經(jīng)驗(yàn)。

（1）熱鍍鋅層的防腐質(zhì)量受加工水平影響，鍍層外觀、鍍后打磨會(huì)造成防腐能力降低。

（2）零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能影響熱鍍鋅層的實(shí)際質(zhì)量，符合實(shí)際加工水平的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能為工序質(zhì)量提供更多保障。

（3）結(jié)合實(shí)際工藝能力和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改善，能更好的解決相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題。