多彎超長SF6銅配管內腔潔凈度提升研究

黃鴻星，屈 直，馬鵬濤，王 成

(西安西電開關電氣有限公司，陜西 西安 710077)

SF6銅配管為126～550 kV電壓等級氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)重要部件，主要由銅管與法蘭焊接而成，銅配管一般有3種規格：φ12 mm×1 mm、φ16 mm×1.5 mm及φ20 mm×1.5 mm，其中φ16 mm×1.5 mm規格較為常見；銅配管與GIS連接采用法蘭螺栓聯接，配管氣室與產品氣體為統一氣室，SF6氣體一般通過配管充入GIS產品中，由于GIS額定氣壓為0.5～0.6 MPa，為大氣氣壓的5～6倍，在充入SF6氣體時流速比較高，配管中殘留金屬雜質會被吹入GIS產品氣室內，金屬在電場作用下集聚，形成尖峰電流，存在潛在放電隱患，為了避免因銅配管雜質引起產品放電，提高配管潔凈度，迫切要求開展配管清洗工藝研究。

1 原清洗工藝

配管清洗涉及到清洗技術中的多種關鍵工序，其中包括高溫脫脂工序、冷熱水洗工序、弱腐蝕清洗工序、光澤酸洗工序[1]、鈍化工序[2-3]、常規水洗工序及干燥處理工序。SF6銅配管清洗工藝流程如圖1所示。

高溫脫脂工序可以清洗配管表面油污，弱腐蝕工序可以除去配管表面氧化皮[4]，鈍化工序可杜絕銅基材與空氣中氧、水分接觸，達到延遲氧化目的[5]，常規水洗工序清除配管清洗過程中殘留液體，干燥處理工序吹干配管內外表面水分，確保配管處在干燥環境。

通過進行大量銅配管清洗試驗，發現內表面有黑皮和脫落粉層的配管大部分為多彎超長銅配管(見圖2)。

2 原因分析

銅配管內壁質量問題主要是氧化黑皮和脫落粉層等，針對這2種質量問題逐一分析。

1)黑色氧化皮問題。多彎銅配管內表面殘留黑皮為氧化銅(CuO)和銅綠(Cu2(OH)2CO3)，黑色氧化皮產生原因有2種情況：a.原材料沒有保護好被氧化；b.銅配管因焊接高溫被氧化。多彎銅配管彎型部位會形成封閉區域，對清洗液有阻滯作用，清洗液無法到達，黑皮無法清洗干凈[6-8]。

2)脫落粉層問題。銅管內壁脫落粉層為清洗液殘留物，這是由于銅配管在彎形處會形成封閉區域，常規水洗工序中潔凈水不能將殘留酸堿液體及水分清洗干凈，導致此部位殘留物引起銅管持續腐蝕，后續持續腐蝕產生剝離脫落粉末。

3 改進措施

針對多彎銅配管內部形成封閉區域，對銅配管清洗采用兩端高程差放置方式[9]，U型彎水平放置，避免配管彎型區憋氣，使清洗液可順利到達。同時適當延長弱腐蝕清洗參數，徹底除去原材料中的黑皮，高壓沖洗工序[10]及優化配管吹拂方式保障清洗后配管處在干燥環境條件下，避免因環境原因而二次氧化腐蝕，也可避免內壁因殘留堿/酸，發生二次腐蝕，防止脫落粉層產生。

3.1 配管放置方式優化

在原清洗工藝中銅配管在清洗筐里采用水平放置方式。配管隨著清洗筐進入清洗槽，浸沒在清洗液內，液體從兩端進入腔體，多彎區域會形成憋氣，內腔氣體不能全部排出，存在清洗液不能到達的位置，或用潔凈水不能清洗的區域。為了減少配管腔體憋氣，對銅配管采用高程差放置(傾斜角)方式，具體方式如下：1)對銅配管在清洗筐采用高程差放置，保證出液口應高于進液口，傾斜角≥15°；2)有U型彎配管，彎型部位水平放置，嚴禁朝上或朝下(見圖3)；3)由于清洗過程清洗框晃動比較大，容易出現松動現象，故要求把銅配管固定牢靠。

3.2 清洗工序工藝參數優化

針對多彎超長銅配管，由于多彎區域對液體阻滯，清洗液填充內腔需要一定的時間，適當延長弱腐蝕酸清洗時間，即把原來10～20 s延長到20～30 s，有利于清除銅配管內表面的黑皮。弱腐蝕(鹽酸)可以溶解銅配管內腔殘留的堿液，還能與黑色的氧化銅以及綠色的堿式碳酸銅反應，不會和金屬純銅反應。

除去銅配管內壁黑色氧化皮的化學反應方程式如下：

Cu2(OH)2CO3+4HCl(稀)→
2CuCl2+3H2O+CO2↑

(1)

CuO+2HCl(稀)→ CuCl2+H2O

(2)

3.3 水洗工序優化

為了徹底清除粘附在配管內壁殘留物，在常規水洗工序完成后，采用高壓水對銅配管內壁進行沖洗[11]。銅配管孔徑較小，要做好與高壓水沖洗設備法蘭嚴密性，在設備法蘭上設置限位裝置，使得銅配管與高壓水管中心軸重合，水從高壓設備的管道流入配管中，水流量損失小，流速變化不大，并且保證每根配管清洗時間為10～15 s。另外，為了保障清洗質量，清洗完后設置檢驗工序，排出口的水色和透明度與入口水目測一致[12]。設備簡圖管路實物如圖4所示。

3.4 壓縮空氣吹拂工藝優化

在高壓水沖洗工序后，大量參考文獻中銅配管吹拂過程與操作要領無詳細規范，導致流入下道工序40%～50%的銅配管內腔存在大量水，配管長時間放置會引起二次氧化。通過試驗驗證優化吹拂工藝。

1)采用潔凈干燥壓縮氣體進行吹拂，氣體壓力設置為0.4～0.6 MPa，逐個法蘭對配管內腔進行吹拂，時間為10～30 s。

2)設置吹拂順序，針對多彎多接頭超長配管，多個接頭對氣體進行分流，為了保障高壓氣體暢通，減少多彎口氣體阻力，把出氣孔設置在直管口，進氣孔設置在多彎口，另外為了提高吹拂工序合理性與有效性，從一端開始進行由近到遠的金屬法蘭逐一吹拂，先從序號①開始吹拂，然后序號②，最后是序號③(見圖5)。

4 多彎超長配管清洗效果

通過對SF6銅配管在清洗筐中設置傾斜角，保障清洗液體清洗順暢，適當延長弱腐蝕清洗時間，新增高壓水沖洗及優化壓縮空氣吹拂工藝等方法控制提升內腔潔凈度。工序優化后，多彎超長銅配管清洗后內壁沒有黑色氧化皮、銅綠及其他殘留物，銅配管清洗效果良好(見圖6)。

5 結語

本文改進相關清洗工序對SF6銅配管清洗過程進行試驗研究，并對清洗效果進行分析，得到如下結論。

1)多彎超長SF6銅配管在清洗框中采用高程差放置，設置傾斜角并滿足傾斜角>15°，U型彎水平放置，可避免多彎配管形成封閉區域，產生憋氣，不利于內部清洗。

2)部分SF6銅配管原材料內壁存在黑色氧化皮和銅綠，適當延長酸性工序清理時間，可提高表面金屬光澤度。

3)用高壓水沖洗SF6銅配管內壁，可清洗內壁殘留液，防止酸/堿液體二次腐蝕銅配管。

4)優化SF6銅配管吹拂工藝，可以順利把水分排除，防止銅配管在潮濕環境中再次氧化。

采用上述改進后，提高了多彎超長銅配管內壁潔凈度，保障了產品質量。銅配管清洗工藝也可推廣到其他行業細銅管清洗。