从结晶粘接到无固体颗粒介质：锆合金酸洗循环系统过滤-温控-冲洗三位一体改造策略及磁力泵泄漏根治路径研究

引言

锆合金酸洗过程中会产生大量的结晶，结晶积累后形成的白色结晶物非常坚硬，经常会造成酸洗泵机械密封的密封面损坏，大幅降低酸泵寿命，同时酸洗系统因大量结晶物会造成管路堵塞或酸槽清理困难等问题,严重影响酸洗设备的正常运行。本文提出一种新酸洗循环系统来解决该问题。

1、锆合金酸洗循环系统

传统酸洗循环系统是利用一台酸泵将酸液从酸槽的一侧抽出后，再从另一侧注入，在整个酸洗过程中，通过酸泵的不停运转，实现酸槽内的酸液持续循环流动。无论是酸液的温度还是离子浓度，都会因为酸液循环流动而达到均匀混合，以提高酸洗制品的酸洗质量。锆合金酸洗设备配备传统酸洗循环系统，酸泵通常选用耐腐蚀离心泵，系统组成如图1所示。

2、问题分析

酸洗循环系统中循环酸泵在整个酸洗过程中一直处于运转状态，和加酸泵、倒酸泵等相比，循环酸泵持续作业时间要长很多。锆合金酸洗循环系统在实际使用过程中，存在的最大问题是酸泵寿命低，平均寿命仅3个月。通过研究分析，酸泵损坏的最主要原因是机械密封损坏导致漏酸，如未及时发现，很快就会造成整个泵体腐蚀损坏。在生产现场，为了防止酸泵在运转过程中发生酸液泄漏后酸液飞溅伤人，酸泵周围安装有围挡保护，或是酸泵本身就安装在行走踏步台下方等隐蔽处，使得酸泵机械密封发生泄漏后很难在第一时间被发现，经常会造成整个泵体腐蚀损坏。酸泵价格较贵，频繁损坏更换，造成生产成本大幅增加。

锆合金酸洗过程中，当酸液饱和后就会在酸液中产生结晶，这些结晶积累后形成的白色结晶物非常坚硬，而且会粘接在酸洗循环系统中的各个位置，尤其是在酸泵停止使用后，酸液温度下降，机械密封处残留的酸液就会析出结晶物，或是在机械密封处已经夹杂了结晶，再次启动酸泵使用时，坚硬的白色结晶物会划伤机械密封的密封表面，造成机械密封处漏酸。同时，这些结晶物逐渐积累到一定程度后会造成管路堵塞，结晶物覆盖槽底，一个月积累5~10mm厚的结晶物，这些结晶物若不及时处理，酸洗时结晶物会划伤酸洗坯料表面，同时也会减小酸槽容积，影响酸槽底部安装的如鼓泡装置的使用。清理这些结晶物，基本只能依靠人工大力敲砸、铲除，清理过程非常困难，工作量大、劳动强度高。而酸液循环管路内积攒的结晶物更难清理，长期积累后结晶物越来越多，经常导致管路堵塞变形、漏酸，造成酸洗设备故障率非常高，严重影响设备正常使用。

3、系统改进

针对锆合金酸液循环系统存在的问题，提出一种解决方案:循环酸泵增加自冲洗功能，即酸泵的进出酸液管路上并联一套自冲洗管路，酸泵使用结束后，关闭酸泵进出口阀门，打开自冲洗管路，利用纯水对酸泵内部包含机械密封处的酸液进行冲洗，防止酸液在酸泵内结晶，同时也减少酸泵长时间储酸对泵体的腐蚀，大幅提高酸泵的使用寿命(图2)。在现场实际使用过程中，经常会出现酸泵使用完后未能及时冲洗的问题，因此增加电磁阀来代替手阀，增加自动控制功能，即当酸泵停机后，电磁阀Y1、Y2失电，电磁阀Y3、Y4得电，纯水通过电磁阀Y3进入酸泵，从Y4电磁阀排出，实现酸泵停机后自动完成酸泵冲洗功能，自动控制程序梯形图见图3。改进后的锆合金酸液循环系统投用已经超过2年，期间未出现任何故障，酸泵的使用寿命提高了近10倍。

同时，针对锆合金酸液易结晶，且结晶物造成管路堵塞、槽底覆盖问题，既然无法阻止锆合金酸洗过程中结晶物的产生，所以解决思路为酸液循环系统增加酸液过滤装置来过滤结晶物，以减少酸洗系统中的结晶物粘接。根据锆合金酸洗所使用的酸液(HON3、HF),调研选用化学耐酸过滤器,滤芯选用的是耐腐蚀的丙纶纱线缠绕式滤芯。为保证过滤器安全使用，每个过滤器安装一块用于检测过滤器内酸液压力的压力表，当压力表的压力值>1.5 MPa时，则提醒必须及时更换滤芯后方可使用。为了确定合适的滤芯过滤精度，现场对3个酸槽分别投入使用不同过滤精度的滤芯，通过实验对比确定最适合的滤芯过滤精度，实验记录见表1。

表1 滤芯过滤精度实验记录

根据实验结果得出，采用过滤精度为50μm的滤芯时，过滤效果相对较差，但其更换周期长。采用过滤精度为20μm的滤芯时，过滤效果非常明显，但其更换周期短，而且由于精度越高其单价也越高。而采用过滤精度为30μm的滤芯时，过滤效果也很明显，同时更换周期约为2个月，因此综合考虑滤芯的使用成本、更换周期及过滤效果，最终确定选用过滤精度为30μm的丙纶纱线缠绕式滤芯。这种纱线缠绕式滤芯耐酸腐蚀，还可反复冲洗使用。将使用过的滤芯拆除后放置纯水中浸泡，然后用水枪将滤芯表面结晶泥冲洗干净后即可反复使用，操作简单方便(图4)。经过长期的现场使用验证，增加了酸液过滤器后过滤效果良好，酸槽底部、酸洗管路内几乎再无结晶，彻底解决了大量结晶粘接造成的处理困难问题，设备也再未出现因结晶堵塞而造成的管路变形、泄漏故障，酸泵故障进一步减少。此外，由于过滤了锆合金酸液内结晶物，减少了酸液杂质，提高了酸液质量，对提升锆合金酸洗制品质量也起到积极作用。

4、改造效果

由于改进后的锆合金酸洗循环系统使用了酸液过滤器，过滤了锆合金酸液中的固体结晶颗粒，同时锆合金酸洗设备已经配备了酸液冷却循环装置，即在酸槽外部安装有一水箱，水箱内的纯水通过水冷机后，将其水温快速降低，再将冷水泵送至安装在酸槽内壁的毛细管中，酸液通过与酸槽中的毛细管进行冷热交换来实现酸液降温，如此便控制了酸洗过程中酸液的温度。酸液温度得到控制后，使得锆合金酸洗酸液成为非高温、无固体颗粒介质，也就达到了使用磁力泵的条件，而磁力泵由于传动轴不需要传入泵壳，其利用磁场透过空气隙和隔离套薄壁传动转矩，带动内转子旋转，实现非接触转矩传递，消除了机械密封的泄漏通道，解决了跑、冒、滴、漏等问题。因此改进后的锆合金酸洗循环系统也可以选用磁力泵，彻底解决酸泵泄漏问题，使用寿命也更长。同时，由于改进后的系统中使用了自冲洗功能，当磁力泵停止使用后，依然启动自冲洗，用纯水对磁力泵的隔离套、泵内轴、叶轮进行冲洗，进一步减少泵内结晶物，解决了泵内隔离套长时间储酸腐蚀问题，同样能够延长磁力泵的使用寿命，进一步提高酸洗设备的正常运行率。

锆合金酸洗循环系统中增加了酸泵自冲洗功能，提高了循环酸泵机械密封的使用寿命，同时由于在停机后用纯水冲洗酸泵泵体，大幅减少了酸泵泵体内的长时间储酸腐蚀，提高酸泵的使用寿命。

针对锆合金酸液易结晶问题，循环系统中增加了丙纶纱线缠绕式滤芯耐腐蚀过滤机，彻底解决了结晶粘接问题，并通过实验确定了合适的锆合金酸液循环过滤滤芯的过滤精度，现场使用效果良好。因为增加过滤机后，磁力泵也适用于锆合金酸洗循环系统使用，因此本文提出了磁力泵替代普通离心泵的解决方案，而且自冲洗同样也可提高磁力泵的使用寿命。同时，如果在酸泵的设计制造时,通过合理设计,将泵自冲洗进、出口管路及阀门集成在泵体上，就能制造出更耐用、更具市场竞争力的酸泵。在其他易结晶液体泵送系统中，同样可增加类似丙纶纱线缠绕式滤芯耐腐蚀过滤机，来解决结晶粘接问题，因此本文提出的解决方案同样适用于其他类腐蚀液体的泵送系统，具有一定的推广意义。

5、结束语

提出一种新的酸洗循环系统，彻底解决了锆合金酸洗设备酸液循环系统故障率高、酸液结晶物多且难以处理的问题，通过现场对比，改造效果明显。该解决方案也可在其他易结晶液体泵送系统中借鉴使用，提高酸泵的使用寿命，解决结晶物难处理等问题，降低酸洗设备故障率。

参考文献

[1]耿庆斌.带钢酸洗循环系统设计[J].机械设计与制造，2013(7):84-90.

[2]朱艳娥.探析冷轧厂酸洗工艺阶段的常见故障及优化[J]企业技术开发,2015,34(15):159-160.

[3]李佳云.一种钛合金酸洗设备及特点[J].中国高新技术企业(中旬刊),2015(5):37-38.

（注，原文标题：锆合金酸洗循环系统改进及应用_张晓明）