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电化学机械光整加工在管束式换热器管件内表面中的应用研究_平宗保

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电化学机械光整加工在管束式换热器管件内表面中的应用研究_平宗保

2012年4月第40卷第7期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSApr.2012Vol.40No.7DOI10.3969/j.issn.1001-3881.2012.07.011收稿日期2011-03-23基金项目新疆维吾尔自治区高等学校科学研究重点资助项目XJEDU2008106作者简介平宗保1980,男,硕士研究生,主要研究方向电化学光整加工。E-mailpingzongbao321163.com。电化学机械光整加工在管束式换热器管件内表面中的应用研究平宗保,阿达依谢尔亚孜旦,阿米娜卡德尔新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐830047摘要针对管束式换热器管内孔表面质量差、易结垢等现象,采用电化学机械光整来提高换热器管孔内表面质量。通过金属管件内表面的电化学机械光整试验,得到各主要工艺参数对管孔内表面质量的影响规律。经过电化学机械光整加工后,显著提高了管束式换热器管孔内表面的质量,延长了其在线使用寿命。关键词管束式换热器管材电化学机械光整表面质量中图分类号TG662文献标识码A文章编号1001-388120127-033-3ApplicationofECMMinInnerSurfaceFinishingoftheTubebundleHeatExchangerPipePINGZongbao,AdayiXieeryazidan,AminaKadeerCollegeofMechanicalEngineeringofXinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830047,ChinaAbstractInordertoenhancetheinnersurfacequalityoftheheatexchangerpipe,themethodoffinishingitwithelectrochemicalmechanicalmachiningECMMwasusedundertheconditionofthetubebundleheatexchangerpipepoorsurfacequalityandeasyscaling.ThroughECMMexperimentsformetalpipeinnersurface,theinfluencelawsofthemaintechnologicalparameterstotheinnersurfacequalityofthepipeholewereobtained.Aftermachining,theinnersurfacequalityofthetubebundleheatexchangerpipeisimprovedremarkablyanditsonlinelifeisprolonged.KeywordsTubebundleheatexchangerTubeElectrochemicalmechanicalmachiningSurfacequality管束式换热器是化工生产中不可缺少的重要设备之一。由于换热器管件内表面质量差、交换介质复杂等原因,导致管件内表面易结垢,严重时甚至达到管道接近堵塞的状态,严重影响了热交换效率,致使工作效率低下。对此,需要对管束式换热器管件内表面的污垢进行清理,目前常用的处理方法和手段主要有喷丸、高压水等机械、物理处理方法以及酸洗、碱洗等化学处理方法[1-2]。以上方法虽能有效去除污垢,但管件表面质量已非常差。由于管束式换热器是由许多管件组成,故可将所研究问题视为提高单个管件内孔表面质量的问题。提高管件的内表面质量传统的方法有机械抛光等方法,机械抛光方法虽然对管件表面质量的提高有一定的效果,但由于磨料易堵塞、烧伤等原因,导致其难以满足使用要求。而电化学光整由于可使得表面微观几何轮廓的起伏更加均匀,轮廓单峰高度减小,可大幅度提高管件的表面质量,尤其是使得单峰轮廓由尖峰状变为高原形,而高原形的表面微观几何形貌对减少积垢是有利的[3]。电化学光整有多种方法,鉴于管件内孔形状特征的特殊性,在此,采用把电化学和机械手段相结合的电化学机械加工方法。1电化学机械光整加工工艺实施及试验1.1电化学机械光整加工原理电化学机械加工是利用电化学阳极溶解原理和机械刮膜作用的复合实现零件表层金属的去除,其工作原理图如图1所示[4]。图1电化学机械加工原理示意图在电化学机械加工过程中,电化学作用和机械作用相互交替,贯穿加工过程的始终,刮膜工具对电化学作用后的表面产生机械作用,电化学作用和机械作用的交替使得零件表面的材料得以去除[5]。1.2试验条件在此次试验中,所需试验物品及试验条件如表1所示。表1试验物品及实验条件试件长2m内径为20mm和15mm的碳钢管电极外径为19~14mm的铜棒电解液质量分数为18的中性盐溶液电流密度/A110左右机械单元磨料粒度为批P60~P220极间间隙/mm0.2图2试验装置示意图在实验进行时,要保证钢管内孔充满电解液,阴极工具和机械单元在孔内同钢管做相对往复旋转运动,其试验装置示意图如图2所示[3]。1.3主要工艺参数对表面质量的影响1.3.1电流密度的影响在电化学机械加工过程中,电流密度和表面粗糙度的关系曲线如图3所示。若电流密度过小,阳极表面处于钝化状态,工件加工表面粗糙度值较大若电流密度过大,由于阳极溶解快,电解产物不易及时排除,易在加工表面产生杂散腐蚀、点蚀等缺陷,使其表面质量变差[3,6]。因此只有选择合适的电流密度,才能得到粗糙度较小、较光亮的加工表面。图3电流密度对表面粗糙度的影响曲线图1.3.2电解液浓度的影响电解液浓度对工件表面质量的影响主要是通过改变电流密度来实现的,图4为电解液浓度和工件表面粗糙度的关系曲线图[3,6]。实验表明电解液浓度在15~25之间时,工件表面质量较好,若电解液浓度过高>25,会导致电流过大,从而易引起工件表面点蚀或者杂散腐蚀而当电解液浓度过低<15时,电流密度也会降低,为提高电流密度而施加的较高加工电压容易引起极间放电现象。图4电解液浓度对表面粗糙度的影响曲线图1.3.3加工间隙的影响加工间隙对加工表面粗糙度有着极其重要的影响,两者之间的关系如图5所示[3,6]当间隙较大时,微观电流场分布呈现出的非均匀性不明显,不利于减小表面粗糙度值而间隙较小时,电流密度增大,易致使电解产物和产生的热量来不及排出导致加工表面质量差。只有间隙选择适中,才能提高电流的有效利用率和工件表面的粗糙度。图5加工间隙对表面粗糙度的影响曲线图1.4实验结果通过对上述主要工艺参数进行合理的选择和控制,经过电化学机械光整加工后试件内孔的表面如图6所示。43机床与液压第40卷图6电化学机械光整试验后的工件表面2电化学机械加工在管束式换热器内孔光整中的应用由于交换介质中所含成分复杂,换热器内孔表面结垢情况十分严重。以炼油设备中在线换热器内孔为例,其表面情况如图7所示。对于内孔表面结垢情况严重的换热器,是无法直接进行电化学机械加工的,需要先对换热器管件内孔进行预处理,根据具体的污垢类型,选择相应的预处理方法,一般采用砂纸或钢丝刷打磨、高压水冲洗等方法进行处理。预处理后的换热器管件内表面如图8所示,此时管件内表面破坏严重,表面质量特别差,难以达到电化学光整加工的要求。对此,可以先采用效率较高的机械抛光,一般采用P60~P150的砂纸进行打磨,一方面可以将换热器内孔表面打磨得平整一些,另一方面可以将内孔表面的钝化膜去除,以满足电化学光整对表面质量的要求。图7结垢后的换热图8预处理后的换热器管件内表面器管件内表面在满足电化学加工的要求后,通过对电化学机械加工的主要工艺参数进行合理的选择和控制,以期使换热器各管孔的内表面质量达到较好的水平,提高热交换效率,延长换热器的在线使用寿命。在经过电化学机械光整后的换热器如图9所示。图9电化学机械光整后的换热器3结论通过管孔类零件的电化学机械光整试验,得到了各主要工艺参数对管孔内表面质量的影响规律及最佳参数范围,并在对换热器管件内表面光整加工的实际应用中,通过对电化学机械加工各主要工艺参数的合理选择和控制,显著改善了换热器管件内壁的表面质量,提高了换热器的热交换效率,延长了换热器的在线使用寿命。参考文献【1】李异.金属表面清洗技术[M].北京化学工业出版社,20078-23.【2】马秉骞,史有麟,王聚才,等.炼油设备基础知识[M].中国石化出版社,2003177-221.【3】周锦进,阿达依谢尔亚孜旦,安晓刚.电化学机械加工在碳钢管内孔光整中的应用[J].农业机械学报,2005,3610145-148.【4】阿达依谢尔亚孜旦,周锦进.螺旋锥齿轮电化学光整加工技术基础研究[D].大连大连理工大学,2007.【5】李邦忠,周锦进.大面积薄板和粗糙表面电化学机械光整加工技术研究[D].大连大连理工大学,2004.【6】周锦进,阿达依谢尔亚孜旦,庞桂兵,等.电化学光整加工对表面微观几何形貌的影响[J].中国机械工程,2006,17131346-1349.【7】周锦进,翟小兵,庞桂兵,等.脉冲电化学光整加工表面微观形貌的研究[J].农业机械学报,2004,353150-153.上接第55页【2】于艳美,李春梅,冯虎田.滚珠丝杠磨削加工中的振动测试与分析[J].机床与液压,2011,39317-21.【3】韩相吉,马世骧,冀清法,等.砂轮变速磨削的试验研究[J].制造技术与机床,1998621-29.【4】高品贤,苏燕辰,伍川辉.基于振动信号相位特性的状态检测[J].振动与冲击,2009,282188-194.【5】HUANGNE,SHENZ,LONGSR,etal.TheEmpiricalModeDecompositionandtheHilbertSpectrumforNonlinearandNonstationaryTimeSeriesAnalysis[J].ProcRSocLondA,1998,454903-995.【6】LOHCH,WUTC,HUANGNE.ApplicationoftheEmpiricalModeDecompositionHilbertSpectrumMethodtoIdentifyNearfaultGroundmotionCharacteristicsandStructuralResponses[J].BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica,2001,9151339-1357.【7】ECHEVERRíAJC,CROWEJA,WOOLFSONMS.ApplicationofEmpiricalModeDecompositiontoHeartRateVariabilityAnalysis[J].Medical&BiologicalEngineering&Computing,2001,394471-479.53第7期平宗保等电化学机械光整加工在管束式换热器管件内表面中的应用研究

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