GIS氣動機構儲氣罐內壁防腐質量提升

姚金剛，徐曦，張會杰，邵禹

（西安西電開關電氣有限公司，陜西西安 710077）

氣體絕緣全封閉組合電氣（gas insulated switch‐gear，以下簡稱GIS）戶外產品中，部分使用氣動機構進行開斷驅動［1-2］，氣動機構需使用儲氣罐進行能量存儲，因此儲氣罐的外觀質量（含內表面）直接影響機構運行的可靠性和使用壽命。儲氣罐材質為鍋爐鋼，通常選擇熱浸鍍鋅工藝（下文簡稱熱鍍鋅）作為防腐工藝［3］。熱浸鍍鋅利用陰極保護原理，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，當鍍鋅的鐵基材處于腐蝕環境中時，鋅膜作為陽極首先受到腐蝕，而作為陰極的鐵受到保護［4］。

儲氣罐為焊接殼體，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被燒蝕，所以為保證儲氣罐焊接部分防腐、防銹質量，工藝采用先焊接后表面處理的工藝順序。

圖1 儲氣罐外觀Fig.1 Appearance of air storage tank

1 問題來源

沿海地區使用的儲氣罐受當地濕熱氣候的影響，儲氣罐中會滯留大量的水分，造成儲氣罐生銹腐蝕［5］。根據現場數據，儲氣罐使用一年內，內腔嚴重腐蝕，如圖2所示。

圖2 儲氣罐內腔腐蝕位置Fig.2 Corrosion position of inner cavity of air storage tank

由圖2可知，腐蝕主要發生在內腔端面放水閥附近。實驗研究表明，在干燥的空氣或室內無結露、潤濕的情況下，熱鍍鋅的腐蝕速度極慢，而當相對濕度較高時，鋅表面的腐蝕則明顯加劇［6］，下文根據該特征進行了工藝和設計結構的分析，并進行了改進。

2 原因分析

儲氣罐焊接后僅在兩頭留有手孔，內腔熱鍍鋅后，在鋅液排出的過程控制上有一定的難度，內腔熱鍍鋅后易殘留鋅粒和殘渣在罐內。后續清理殘渣的工序中，由于空間狹小，操作不便，易造成鋅層減薄或磨透，漏出金屬基材。當產品運行在潮濕環境時，減薄或磨透部位會發生快速腐蝕產生紅色鐵銹。

儲氣罐端蓋位置見圖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。在實際操作中，該結構會造成以下兩方面問題：1）熱鍍鋅時，零件非完全豎直放置，會有一定的角度，熔融的金屬鋅粘度較大，若坡度過小，則造成鋅液、鋅渣積存無法排凈；2）目測檢驗時，斜坡部位及斜坡根部無法看見，對檢驗鋅層質量造成很大障礙。在后續對內腔打磨時，難以控制打磨范圍和力度。

圖3 儲氣罐端蓋Fig.3 End cover of air storage tank

因此，在實際工藝操作中，既難以控制過程，保證質量，又無法通過檢驗來發現問題，排除隱患。

3 改進方法

3.1 工藝流程改進

從工藝角度可以采取改變焊接與熱鍍鋅順序的方法來保證整體熱鍍鋅的質量。原工藝過程為先焊接后熱鍍鋅，也可嘗試將最后焊接前的兩個零件先熱鍍鋅后焊接，即儲氣罐未焊接完成，作為兩個獨立零部件時分別進行熱鍍鋅，在熱鍍鋅后，再將兩零件焊接。焊接時需將熱鍍鋅位置的鋅層去除，同時焊接熱影響區對焊縫周圍3 cm左右范圍的熱鍍鋅層會造成燒損，需進行油漆修補。油漆只對焊縫內外熱影響區部位進行修補。

此方法可提高儲氣罐內壁整體質量，由于零部件分開熱鍍鋅，所以除焊縫位置外，其他部位的熱鍍鋅質量，從工藝控制到檢驗手段都易于把握，把問題縮小在焊縫周邊。但該方法會帶來新的不便：1）由于分開熱鍍鋅，會對零部件造成不同程度的變形，給后續焊接帶來一定難度；2）修補油漆時，操作難度也會增大，需要操作人員耐心細致方可完成；3）零部件外觀會由于油漆和熱鍍鋅的顏色變化不同，在一段時間后產生色差，影響視覺效果。

經過對上述工藝的分析討論，可以看出為保證內腔熱鍍鋅質量仍需采用先焊接后熱鍍鋅的工藝路線。若要徹底解決該問題，除了嚴格工藝紀律，更重要的是從結構上杜絕此類問題的易發點。結合工藝實際操作情況以及圖片所示的問題發生點分析，工藝認為應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 設計結構改進

如圖3所示，3°的斜坡為日本原圖設計，考慮到本地熱鍍鋅施工環境和工藝過程控制水平與日本有較大差距，該坡度已經不能滿足國內現有熱鍍鋅質量。因此，增加坡度值是可以嘗試的方法。

現有的設計從右端進行目測檢驗時，斜坡部位及斜坡根部無法看見，所以坡度增加的程度需首先考慮目測檢驗的可行性。斜坡角度增大的設計改進中須注意以下兩方面問題：1）法蘭螺紋錐角部位與斜坡的垂直距離有嚴格要求，關系儲氣罐整體耐壓性；2）儲氣罐整體容積不允許有很大變動，但可少許增大。以上兩條作為本次結構改進的基本原則。

如圖4所示，右半部分為改進后的結構，左半部分為現用結構，相關結構參數對比見表1。

圖4 結構改進對比圖Fig.4 Comparison diagram of structural improvement

表1 結構參數對比Tab.1 Comparison of structural parameters

1）現用結構錐角至斜坡垂直距離為7.24 mm，要求改進后對應值須大于7.24 mm。

2）在增加坡度的同時，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，不利于檢驗和觀察打磨。

4）由于下料尺寸限制，20#鋼板材料來源不穩定，故在后續設計中需要注意該問題。

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

4 新設計結構的防腐驗證

4.1 試制新結構儲氣罐

完成解決方案及分析后，按照新設計圖紙完成零件加工，共2件。熱鍍鋅步驟見圖5。

圖5 新結構儲氣罐試制Fig.5 Trial production of new structure air storage tank

4.2 取樣試驗

完成熱鍍鋅工序后，在儲氣罐端蓋位置取樣（見圖6），并在考察部位按照GB/T—10125連續完成12個周期的中性鹽霧試驗（見圖7），試驗設備為FQY-025鹽霧腐蝕試驗箱。由圖7可以看出，經過12個周期的中性鹽霧試驗，熱鍍鋅層表面出現白銹，但無腐蝕缺陷。

圖6 取樣位置Fig.6 Sampling location

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

5 結論

本項目通過分析問題的根本原因，聚焦熱鍍鋅表面處理質量，嘗試在實際加工水平條件下通過設計結構改進解決問題，確認了表面處理質量與設計結構的相關性，為后期相似問題提供了處理經驗。

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

（2）零件設計結構能影響熱鍍鋅層的實際質量，符合實際加工水平的設計結構能為工序質量提供更多保障。

（3）結合實際工藝能力和設計結構改善，能更好的解決相關質量問題。