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高频焊管生产线水(乳化液)系统管理方法
在高频焊管生产线中, 水(乳化液)作为不可缺少的介质和资源被大量使用, 其用途主要有以下几个方面:
(1)粗成型辊、精成型辊、挤压辊等轧辊与管坯之间的润滑与冷却;
(2)钢管或焊缝热处理水冷介质;
(3)内外毛刺切削、飞剪切削、切管平头切削等的切割液;
(4)钢管内/外冲洗;
(5)液压站油液冷却介质;
(6)检测设备(如超声波)的耦合剂;
(7)钢管水压机用循环水;
(8)高中频机内部循环冷却水等。
水(乳化液)系统的管理对于HFW焊管生产线的运行具有非常大的影响, 但实际情况是并非每个焊管生产企业都具有这样的意识, 而其管理的懈怠往往会造成如下的后果:
①成型设备(主要是成型轧辊)的异常磨损和寿命的大幅下降；
②设备因冷却润滑不足而损坏, 造成频繁停机；
③钢管直度难以调整, 造成大量废品或因矫直而影响生产效率；
④供水系统(管道)及设备内部管道的腐蚀和损坏；
⑤长期接触水的设备加速腐蚀(包括对设备基准面的破坏)以及由此引起的二次事故(如轴承内干油的流失)；
⑥因水质的恶化而造成高昂的处理成本(废水处理成本远高于油剂的购买成本)。
在上述水(乳化液)的8 项用途中, 除(5)一般使用自来水, (6)、(8)通常使用软化水外, 其余(1)、(2)、(3)、(4)、(7)则使用乳化液。乳化液可以形成供给、回收、过滤、冷却再供给的完整系统。笔者主要探讨和分析乳化液的管理方法。
1 乳化液简介
乳化液是水溶性成型油剂的水溶液, 一般又分为可溶解乳化液(soluble)和乳状乳化液(emulsion)两大类,
其在成分组成上基本相同, 但比例上有较大的区别。一般而言, 可溶解乳化液在冷却性能、防腐性能、去
污性能方面优于乳状乳化液, 而在润滑性能上乳状乳化液则具有优势。纯净的乳化液自身不会劣化, 但在
现场使用环境中,有些因素会引起或促进乳化液的劣化, 主要因素见表1
表1 乳化液的主要影响因素分析
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上述因素对乳化液造成的综合影响是:
①成形油剂的浓度下降, 阻碍成形油剂各种性能的发挥；
②水溶液pH值降低易造成腐化和生锈的环境；
③水硬度、磷酸根离子(PO3 -4 )、氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO2 -4 )和细菌数量的上升易引起腐化和生锈。
2 乳化液的管理
乳化液的日常管理项目可分为质量管理、流量管理以及温度管理。
2.1 乳化液的质量管理
乳化液日常管理不善, 不仅不能发挥应有的作用, 反而还会起到影响生产、损坏设备、增加运行成本和破坏环境等反面效果。日常管理的目的是为了尽可能长地延续乳化液的使用寿命, 其使用要领有以下几个方面:
(1)根据当地稀释液的原始水质和使用环境选择合适的乳化液浓度。原则上水溶液中的油剂浓度越高, 腐化和生锈等现象越不容易发生, 但是过高的浓度会使成本提高。因此, 首先要获得当地水质的信息, 由供货商进行必要的试验后, 确定合适的浓度(1.5% ～5.0%)。
(2)实施日常的浓度与pH值测量。初始设定的浓度与pH值由于前述的种种原因, 在使用过程中会逐渐下降。因而, 日常的测量制度是“防范于未然”管理体系的基础。
(3)正确进行补液、稀释、更液。当发现浓度下降到某一设定标准时, 必定要补充原液(成形油剂);使用过程中乳化液因蒸发和流失等原因,必定也要定期补充新的水溶液;经过长期使用后也需要对乳化液进行整体更换。在进行这些操作时, 其方法是否得当, 会大大影响乳化液的使用效果和使用寿命。正确的方法最终需要在供货商的指导下确定, 在此简要介绍通常的相关知识。
补液:
①根据测得的当前乳化液的浓度以及需要补充的量, 计算出补充液的浓度；
②按该浓度先调配出均匀的补充液, 然后再将补充液放入供给系统中；
③正确的补液方法是每天均匀地进行定量的补充, 使乳化液的总量和浓度始终处于满足使用要求的状态。务必避免以集中性的补充代替日常细水长流的补充;只单独补充稀释水;只单独补充原液。
（上述的这3种补液方法容易破坏乳化液的稳定性, 同时也给微生物的繁殖提供了机会, 结果大大缩短了乳化液的寿命。）
稀释(配液):
①先在容器中投入水, 然后再慢慢地投入原液。这是因为原液的比重大于水,先投入原液会沉淀在底部而不容易形成均匀的水溶液。
②原液投入稀释水中后马上进行搅拌, 以形成均匀的水溶液, 避免部分原液始终处于沉淀状态。
更液:
现场的经验表明, 更液时只是简单地抽取旧液后马上放入新液, 则新液的使用寿命极短。
正确的做法是抽取旧液后, 先对机械和各类容器进行去污和杀菌, 然后再清洗沟道和液池, 最后再投入新液。
(4)连续停机较长时应添加适量防腐剂。
(5)控制乳化液温度。细菌的繁殖与温度有很大关系。试验结果表明, 温度从10 ℃上升到25 ℃时, 细菌数量会增加到原来的100 倍左右,上升到35 ℃时则增加到原来的10 000倍。因此乳化液一般在2 ～ 27 ℃为宜。
(6)配置乳化液时应注意水的硬度数值。硬度即每升水中所含硬度矿物质质量, 水的硬度一般在(100 ～ 200)×106 间为宜, 硬度过大的水影响乳化液的稳定性和防锈性, 春夏季节还会加快细菌的繁殖, 见表2。
表2 春夏季节细菌繁殖情况
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(7)确立定期的水质检查制度。当发现水质等出现异常时, 及时与供货商联系并采取有效措施。
乳化液管理可分两大类:上述(2)、(3)、(4)、(5)属于自主管理项目, 而(1)、(6)则是配合供货商实施的项目。在此需要强调的是, 乳化液的管理涉及到很多的专业知识和经验, 没有供货商的指导和长期合作是难以实现的。选择乳化液供货商时, 除了技术和价格之外, 一个重大原则是能否提供技术指导和良好的售后服务。据调查, 在日本不提供技术指导和售后服务的乳化液供货商是不被采用的。
2.2 乳化液的流量管理
供给系统的总体和局部流量的保证, 一般不需要进行日常专门的管理、改进或维护。但是, 对关键的润滑点和冷却点的日常管理、改进与维护,则与钢管的生产和产品质量有密切的关系。
在通常的生产线上, 以成型机组为中心, 有以下关键的润滑点和冷却点需要进行日常管理。
2.2.1 成型轧辊
几乎所有的成型轧辊都需要在使用时进行充分的润滑和冷却, 除了个别生产速度极低的机组,轧辊与带钢之间一般都存在着较大的速度差。这种速度差所引起的相对滑动, 是造成轧辊磨损和产品表面质量问题的主要原因之一, 而相对滑动界面上的摩擦力大小, 和相对滑动面的冷却问题也是影响因素。相对滑动时的摩擦热量如果不被及时带走, 则轧辊表面的温度会逐渐升高, 从而使轧辊的耐磨性下降。而乳化液的正确使用可以降低带钢与轧辊间的摩擦系数, 并带走摩擦所产生的热量。因此, 乳化液的这些功效是否得到充分发挥, 对轧辊的使用寿命具有非常大的影响。
在所有的轧辊之中, 对于诸如辊成型中的公用轧辊的润滑和冷却更是至关重要。公用轧辊与每次按产品尺寸而更换的一般轧辊相比, 除了在使用时间上有较大差别之外, 其修磨作业更繁琐和费时, 而且修磨往往需要停产。因此, 如何尽可能地减轻磨损和降低修磨频次, 是这类轧辊的技术关键。
在实际生产中, 经常出现的问题是:
①乳化液喷嘴流量不足。造成的原因有局部供给系统的压降不均等设计上的问题, 更有乳化液内的污染造成管道堵塞等日常管理上的问题。
②喷嘴的偏位。即使流量足够, 但如果乳化液没有喷射到需要润滑和冷却的相对滑动界面上, 就不能起到应有的作用。喷嘴的偏位有时是因为一开始喷嘴的位置或方向设定不正确, 但更多的是因为喷嘴受各种碰撞而改变了原来的位置或方向。
无论是上述哪种现象, 其结果都是乳化液没有充分到达应该到达的地方, 使轧辊处于干摩擦的状态。因此,每次开机前, 操作人员都应该逐个检查喷嘴的流量、位置和方向, 校正喷嘴的偏位,确保足够流量的乳化液被喷射在需要润滑和冷却的轧辊部位。
2.2.2 焊接挤压辊
与一般的成型轧辊相比, 焊接挤压辊除了通常的磨损以外, 还经受焊接热量的影响。其中最靠近焊缝的上挤压辊的使用状态和寿命受冷却效果制约, 是特别需要管理的冷却点。
上挤压辊的特殊之处在于该轧辊内边缘部直接与高温的焊缝区接触, 而且在制造高质量石油钢管(套管、输送管)产品时, 应对上挤压辊进行有效的冷却,防止乳化液直接喷射到焊接中的焊缝上, 否则会引起种种焊接质量问题。
冷却不良导致的结果是:
①上挤压辊内边缘易出现细微裂纹和剥落；
②热量传到轧辊的轴承内部, 使润滑油脂变质失效, 轴承寿命急剧下降,严重影响正常生产。
由于上述问题的根源在于热量, 因此冷却依然是解决问题的根本。生产现场的实践证明, 要兼顾焊缝的焊接质量与冷却的充分性, 首先要改变在机架入口一侧喷射乳化液的传统做法, 而将喷射点设置在机架出口一侧，以解决乳化液影响焊接质量的问题。其次, 在喷嘴的设置上充分考虑冷却部位的准确性和流量的充足性, 保证足够流量的乳化液喷射到上挤压辊的内边缘部。
2.2.3 焊缝导向辊的冷却
焊缝导向辊由于其用途和使用位置的特殊性, 也是关键的冷却点。该轧辊是除焊接挤压辊以外最接近焊接点的轧辊, 而且轧辊内部具有低熔点的绝缘体。由于绝缘体的存在, 一般不会出现钢管上的高频电流流过导向辊的现象。但是由于该辊非常靠近感应线圈(或接触脚), 空间的磁力线在其表面发生感应电流。该电流所产生的热量如果没有通过冷却液被及时带走,当温度达到绝缘体的失效温度时, 部分焊接电流直接流过导向辊,加热导向辊, 造成导向辊及其轴承等部位的损坏。
关键是如何通过冷却液将导向辊的温度始终控制在失效温度以下。有效的对策是在导向辊机架配备专用的冷却液回路, 确保冷却液流量和防止喷嘴偏位。现场较常见的是随手从旁边的成型机架处拉过一两根乳化液软管。这种做法既不能确保流量, 喷嘴偏位也容易发生, 常常是导向辊损坏的原因。
2.2.4 阻抗器的冷却
阻抗器直接影响焊缝加热的效率, 确保阻抗器内铁素体(磁棒)的温度稳定地处在失效温度以下, 是获得良好焊接质量的必要条件之一。为此, 一般需要使用大量的乳化液对工作中的阻抗器进行冷却。对该处的冷却管理不善, 除了焊接质量不稳定外, 还会造成磁棒的频繁更换甚至阻抗器的损坏, 成为影响正常生产的主要原因之一。
消除上述问题的关键是阻抗器冷却系统的合理设计以及实际生产时乳化液流量和温度的合理设定, 而后者是属于日常管理的范围。通常, 需要对进出阻抗器的乳化液流量和温度进行实时监测, 并设置异常报警功能。
2.2.5 高频焊接线圈或接触脚的冷却
感应焊接的情况下, 感应线圈也需要冷却降温, 但冷却程度对焊接没有直接影响, 一般按设备厂家的大致要求提供自我保护的水量即可。但是在接触焊的情况下, 对焊脚的冷却与焊接质量有直接关系。接触焊中出现的产品表面质量问题和电极寿命过短问题等, 常常被误解为电极与钢管表面之间的摩擦问题, 但实际上却是电极的冷却不足造成的。除了接触脚内部冷却回路的合理设计之外, 保证提供所需乳化液的流量和温度是关键的要领。
在条件允许的情况下, 对接触脚冷却回路入口、出口的水温和流量的自动监测和报警, 能够大大方便日常的管理。在没有条件的情况下, 操作人员至少应定时检查出口处的水温。
2.2.6 水冷装置
水冷装置以保证焊缝区的温度≤200 ℃为主要目的, 并使钢管圆周方向上各个部分的温度均匀并接近室温。
温度分布不均所带来的一个直接影响, 就是矫直后钢管弯曲且直度差。
水冷装置内的整体流量所引起的问题并不多见, 但因冷却方式的不合理而造成钢管直度问题的情况较多。
出现直度问题时, 通常想到的原因可能是焊缝区冷却不足, 但在使用焊缝热处理工艺的生产线上, 应该注意的是温度差并非局限于焊缝区高于其他部位的这一种模式。一种较多见的现象是, 积蓄在钢管内部的乳化液在经过焊缝热处理区域时被加热到高温(甚至是沸腾的温度), 使钢管的底部始终处于较高的温度。一般的水冷装置是对焊缝区配置了较多的乳化液喷嘴, 而针对钢管底部的喷嘴往往很少, 甚至不配置。因此, 经过水冷区后焊缝区与钢管底部的温度差发生逆转。
有关流量管理需要注意的一点是, 大多数情况下日常管理要防范的是流量不足的问题, 但也绝非一定是流量越大越好。最典型的事例是, 钢管内的冷却液过多往往会造成:
①焊接点浸泡在水中, 严重影响焊接质量；
②在焊缝热处理中频机区域被加热, 不仅浪费能源, 还会因钢管内蒸汽的增加而造成乳化液向焊接点的回流, 大大增加冷焊的几率, 同时也易造成上述钢管直度的问题；
③影响锯切机的锯片使用寿命。
发生上述问题时的对策:
①对钢管内部乳化液积累有较大影响的润滑/冷却点的流量合理控制, 在保证润滑冷却效果的前提下, 尽可能减少进入钢管内的乳化液量；
②将阻抗器的冷却水及时引到钢管外部排放；
③使用抽水泵在粗成型段抽取钢管内的乳化液。
2.3 温度管理
使用乳化液的最主要目的是冷却, 而冷却效果与供给的乳化液温度有直接关系。一般而言,冷却效果(即同样流量的乳化液所能吸收和带走的热量)随乳化液温度的增加而减少, 特别是其温度达到32 ℃以上后, 冷却效果出现明显下降。为此, 供货商一般都要求工厂所提供的冷却水的温度在32 ℃以下。
根据经验, 乳化液经过使用后, 其温度一般要上升5～ 10 ℃。尤其在夏天, 要保持32 ℃以下的温度并非易事。因乳化液温度过高而影响正常生产的现象在HFW生产线现场很常见。
温度管理一般分以下两个部分:
2.3.1 乳化液温度的管理
在自然冷却的情况下, 供水源的水温与整体的蓄水量有关。整体蓄水量越少, 循环使用的次数就越多, 乳化液的温度就容易不停地上升。配有冷却装置的情况下, 供水源的温度主要受冷却装置的能力影响。不少工厂为了节省资金, 常常采用增大整体蓄水量的办法来省略冷却装置, 但这种做法在夏天的气候环境中不起作用。从实际现场的情况来看, 冷却装置的省略经常会造成无法解决乳化液温度升高的问题。
乳化液温度测量等可以与乳化液的质量管理同时进行。
2.3.2 特殊装置水(乳化液)的温度管理
需要特殊管理的关键冷却点是阻抗器和高频焊机、中频热处理机内循环水及高频焊机的接触脚。目的在于保证装置在正常运行中所产生的热量能被冷却液有效带走, 使设备的主要元器件工作在正常温度范围内, 控制好这些设备或元器件的工作温度对生产线的连续运转非常有利。
3 结 论
(1)应重视乳化液在HFW钢管生产中的作用, 将其与质量管理、环保、节能降耗等结合起来,配备必要的人员/装置/监测工具, 实施长期有效的日常管理, 把它们作为企业技术管理的一项重要内容和项目, 这将使HFW生产线有一个长期有效的良好回报。
(2)与HFW焊管生产线的乳化液相关的很多问题具有很强的现场性, 应该发挥主观能动性,采取相应措施, 使乳化液真正发挥积极作用。
(3)建议国内HFW焊管生产线管理者结合自身实际, 学习、完善并及时改进水(乳化液)的质量、流量、温度管理环节, 使HFW焊管生产线的管理水平达到一个新的高度。
作者：孚瑞特石油装备有限责任公司华锐石油钢管有限公司-刘法涛
数据来源：互联网
