某結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)循環(huán)法酸洗鈍化

史 煜,肖 斌,馬 俊,蔣鐵登,張國(guó)彪

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所，綿陽(yáng) 621000)

?

某結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)循環(huán)法酸洗鈍化

史 煜,肖 斌,馬 俊,蔣鐵登,張國(guó)彪

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所，綿陽(yáng) 621000)

摘要：為提高某結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)使用壽命，避免霧化噴嘴在使用中發(fā)生孔徑改變或堵塞，交付風(fēng)洞安裝前需對(duì)噴霧系統(tǒng)整體進(jìn)行酸洗鈍化。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性分析和耐酸性試驗(yàn)結(jié)果，酸洗鈍化常用的浸漬法、膏劑法、噴淋法等無(wú)法用于該系統(tǒng)，而循環(huán)法也不適于這種末端開(kāi)放式系統(tǒng)。經(jīng)分析驗(yàn)證，以PU管、乳膠管替代噴霧系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)精密和不耐酸蝕的器件管件,用PU管、乳膠管、酸液集液管、酸液收集罐和低壓耐腐蝕泵將噴霧系統(tǒng)組成可使酸液循環(huán)的封閉式系統(tǒng)。室溫條件下，以硝酸、氫氟酸和Lan-826配伍為酸洗液，體積分?jǐn)?shù)40%硝酸為鈍化液，用循環(huán)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了酸洗鈍化，得到了合格的鈍化膜。

關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞；噴霧系統(tǒng)；循環(huán)法；酸洗；鈍化

飛機(jī)穿越低溫云層時(shí)，云層中的過(guò)冷水滴撞擊機(jī)翼前緣等迎風(fēng)表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。這會(huì)惡化飛機(jī)的氣動(dòng)和操控性能，影響飛行安全[1-3]。大型結(jié)冰風(fēng)洞是研究飛行器迎風(fēng)表面和機(jī)外傳感器結(jié)冰形態(tài)及防除冰技術(shù)的特種風(fēng)洞，是為保證飛機(jī)在結(jié)冰氣象條件下安全飛行、提高現(xiàn)代飛機(jī)在惡劣氣象條件下執(zhí)行任務(wù)能力和保障通用飛機(jī)完成結(jié)冰適航合格審定的基本試驗(yàn)裝置，是新機(jī)研制必不可少的重要地面試驗(yàn)設(shè)備[4-5]。

結(jié)冰風(fēng)洞與常規(guī)風(fēng)洞的主要區(qū)別在于配置有大型熱交換器和噴霧系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。噴霧系統(tǒng)位于穩(wěn)定段，由噴嘴陣列及其輔助系統(tǒng)組成，它噴射霧化水滴，在試驗(yàn)段形成符合試驗(yàn)要求的云霧條件。在試驗(yàn)段要求控制三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：平均云霧粒子直徑(MVD)、液態(tài)水含量(LWC)、霧化均勻區(qū)[4,6]。這些霧狀粒子參數(shù)可通過(guò)水壓、氣壓、及其壓差的控制，達(dá)到試驗(yàn)所需要模擬的包線。而噴嘴孔徑微米級(jí)的變化都會(huì)對(duì)MVD造成很大影響，導(dǎo)致控制偏差，造成云霧條件無(wú)法滿足試驗(yàn)需要。因此除了系統(tǒng)安裝時(shí)對(duì)噴嘴一致性的要求很高以外，還要避免

圖1　結(jié)冰風(fēng)洞示意圖Fig. 1　Icing wind tunnel schematic

系統(tǒng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕生銹，導(dǎo)致銹渣剝落引起噴嘴孔徑改變或發(fā)生堵塞。

考慮到上述因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工時(shí)管路均選用了不銹鋼，如304、316L、表面滲碳316L等。雖然主材質(zhì)使用了不銹鋼，但由于噴嘴陣列及附屬管路數(shù)量龐大，焊接組裝加工周期長(zhǎng)，焊渣、切割火星飛濺等原因，會(huì)影響不銹鋼部件的表面質(zhì)量，破壞表面氧化膜，降低不銹鋼的抗腐蝕性能，導(dǎo)致管路本體及焊縫處出現(xiàn)銹蝕(見(jiàn)圖2)，這些可能剝落的銹渣極易堵塞孔徑不到1 mm的噴嘴。因此必須在制作成型交付風(fēng)洞安裝前，再次對(duì)噴霧系統(tǒng)整體進(jìn)行嚴(yán)格的清潔和酸洗鈍化，以達(dá)到相應(yīng)等級(jí)的清潔度同時(shí)形成堅(jiān)固的鈍化膜，提高管道使用壽命，確保噴嘴孔徑一致性。

圖2　噴霧系統(tǒng)銹蝕情況Fig. 2　Spraying system corrosion

目前常用的酸洗鈍化處理方法是浸漬法[7-8]和膏劑法[9]。浸漬法是將系統(tǒng)部件以整體或拆解成零部件后浸泡到酸洗鈍化液中進(jìn)行酸洗鈍化，不適用于系統(tǒng)中內(nèi)外表面有不耐酸部件的情況。膏劑法是在系統(tǒng)待處理表面涂抹酸洗鈍化膏進(jìn)行酸洗鈍化，不適用于系統(tǒng)中有小尺寸管路部件的情況。浸漬法和膏劑法生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)便，成本低廉，從而成為實(shí)際操作中酸洗鈍化采用的首選方法。

在不銹鋼零部件的規(guī)模化生產(chǎn)和鍋爐等大型容器內(nèi)壁的酸洗鈍化中，也可使用噴淋法[10]。它是用噴淋設(shè)備將酸液淋洗于部件表面或容器內(nèi)壁。但該方法不適用于系統(tǒng)部件中有小尺寸管、孔的情況。它的配套設(shè)備設(shè)施復(fù)雜，操作環(huán)境惡劣，且酸洗鈍化的均勻性較差。

對(duì)于一些特殊的封閉式循環(huán)系統(tǒng)，如換熱系統(tǒng)等，也可采用循環(huán)法[11]進(jìn)行酸洗鈍化。它用泵加壓使酸洗鈍化液在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行整體處理,不適用于開(kāi)放式系統(tǒng)和有不耐酸蝕的系統(tǒng)部件等情況。

在具體操作中，選用何種方法進(jìn)行酸洗鈍化，需要根據(jù)酸洗鈍化對(duì)象(管材、部件及配件)的結(jié)構(gòu)布局、具體尺寸以及各部位耐酸性試驗(yàn)結(jié)果等實(shí)際情況確定。

1 酸洗鈍化方案

1.1酸洗鈍化原理

酸洗是使不銹鋼表層(約10 μm)被腐蝕，是鈍化處理的準(zhǔn)備階段。酸與管道表面缺陷部位(主要是氧化物)的反應(yīng)活性更高，通過(guò)酸洗可使整個(gè)表面趨于均勻平衡，使一些原來(lái)已經(jīng)腐蝕的部位和容易產(chǎn)生腐蝕的隱患被清除掉。另外，酸洗時(shí)鐵與鐵的氧化物比鉻與鉻的氧化物優(yōu)先溶解，去掉了貧鉻層，從而使鉻在不銹鋼表面富集。

鈍化時(shí)，在氧化劑作用下，易于氧化的鉻在不銹鋼表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，這種富鉻鈍化膜的電位可達(dá)+1.0 V(SCE)，接近貴金屬的電位，從而提高了不銹鋼的耐腐蝕性。

1.2酸洗鈍化方法

噴霧系統(tǒng)由數(shù)十套噴霧耙組成，每套噴霧耙上有數(shù)十套電磁閥、支管和噴嘴(見(jiàn)圖3)。

圖3　噴霧系統(tǒng)局部圖Fig. 3　Local schematic of spraying system

在對(duì)系統(tǒng)所用的所有管材及部件進(jìn)行耐酸性試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)支管上兩端的卡套及螺母不耐酸蝕，因此無(wú)法采用浸漬法。

噴霧系統(tǒng)支管內(nèi)徑僅3 mm，膏劑無(wú)法涂抹在支管內(nèi)，也不可能用噴淋法處理內(nèi)徑這么小的管路而不將酸液沾染在管外的卡套螺母上。

采用循環(huán)法時(shí),酸洗鈍化液僅在管路內(nèi)部流動(dòng)，不會(huì)對(duì)管路外部的卡套螺母等造成腐蝕,但循環(huán)法適用范圍較窄，噴霧系統(tǒng)特性分析結(jié)果顯示循環(huán)法有不適用的地方(見(jiàn)表1)。

表1　循環(huán)法酸洗鈍化適用范圍

雖然以上各方法都不適用,但通過(guò)對(duì)酸洗鈍化方法的分析比對(duì)，循環(huán)法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)酸洗鈍化代價(jià)最小的方法。

要在噴霧系統(tǒng)酸洗鈍化中采用循環(huán)法，需要將酸液無(wú)法循環(huán)的末端開(kāi)放式系統(tǒng)組成封閉式可循環(huán)系統(tǒng)。另外，噴霧系統(tǒng)中酸液循環(huán)時(shí)流經(jīng)的線路上還有電磁閥與噴嘴等器件。電磁閥材質(zhì)復(fù)雜，內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，需避免被酸液腐蝕損壞；噴嘴孔徑小、均一性要求高，極易被堵塞而報(bào)廢。在進(jìn)行酸洗鈍化時(shí)，必須將它們從管路上取下。管路上由此產(chǎn)生的空缺，必須采用可行的方法進(jìn)行連通。

1.3替代連接管路

通過(guò)試驗(yàn)，采用了替代連接管路將噴霧系統(tǒng)組成了封閉式可循環(huán)系統(tǒng)，并連通電磁閥與噴嘴取下后系統(tǒng)管路的空缺。

課題組開(kāi)始加工了與原部件接口尺寸相同的不銹鋼管路替代電磁閥和噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于支管上的卡套屬于外球面球形接頭，與替代管路上加工的配套內(nèi)球面接頭裝配后，支管上卡套的一部分接頭面會(huì)與酸接觸，引起支管上卡套腐蝕報(bào)廢，酸洗后必須更換卡套，這對(duì)于上千套支管來(lái)說(shuō)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、代價(jià)高昂。

經(jīng)過(guò)多種方法試驗(yàn)驗(yàn)證，決定采用帶有一定彈性的乳膠管、塑料管與原支管套接、插接的方式進(jìn)行替代連接(見(jiàn)圖4)。相比加工不銹鋼替代管路和更換卡套，成本非常低廉，且操作非常簡(jiǎn)便。

(a)　電磁閥 (b)　噴嘴　圖4　電磁閥及噴嘴位置替代管路Fig. 4　The substitution pipeline of electromagnetic valve (a) and nozzle (b)

試驗(yàn)中選取了市售的滿足孔徑要求的各類(lèi)橡膠管、乳膠管、PU管、PE管共14種，在酸洗液及鈍化液中分別進(jìn)行了浸泡試驗(yàn)。選取了其中兩種浸泡4 h后仍能滿足彈性、強(qiáng)度要求的乳膠管和PU管待用。

另外，由于替代管路采用插接連接，連接強(qiáng)度較低，因此在酸洗鈍化操作時(shí)要采用低壓力低流速的方式進(jìn)行酸液循環(huán)。

1.4酸洗鈍化效果檢測(cè)方法

潔凈度檢測(cè)：采用沖洗pH試紙和電導(dǎo)計(jì)對(duì)酸洗、鈍化后管路進(jìn)行檢測(cè)。

外觀檢測(cè)：肉眼和工業(yè)內(nèi)窺探頭進(jìn)行人工檢查。處理過(guò)的管道應(yīng)內(nèi)面光潔，呈亮銀白色，焊縫及熱影響區(qū)不得有氧化色及不均勻瘢痕。

鈍化膜質(zhì)量檢測(cè)：按照美國(guó)材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A967-05[12]，采用硝酸-鐵氰化鉀藍(lán)點(diǎn)生成法檢測(cè)鈍化膜表面游離鐵的存在情況。在清洗鈍化后的不銹鋼表面，任選3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，用浸漬過(guò)新制硝酸-鐵氰化鉀溶液的定性濾紙貼在干燥表面，30 s內(nèi)濾紙上無(wú)藍(lán)點(diǎn)出現(xiàn)的為合格。檢查完成后，將試驗(yàn)表面用綢布蘸純水擦洗干凈。

1.5酸洗液及鈍化液配比

1.5.1 酸洗液

奧氏體不銹鋼的酸洗鈍化工藝已非常成熟，本工作采用了硝酸、氫氟酸與Lan-826配伍進(jìn)行。硝酸是酸洗、鈍化的常用試劑，單獨(dú)使用時(shí)用于清除游離鐵和其他金屬污物，但對(duì)清除氧化鐵皮、厚的腐蝕產(chǎn)物、回火膜等無(wú)效，故采用硝酸與氫氟酸進(jìn)行酸洗鈍化。Lan-826緩蝕劑可減緩酸對(duì)金屬基體的腐蝕，并具有優(yōu)良的抑制鋼鐵吸氫的能力，同時(shí)能避免酸洗時(shí)Fe3+對(duì)金屬產(chǎn)生孔蝕。

當(dāng)前，我國(guó)關(guān)于個(gè)人信息保護(hù)立法工作有待改進(jìn)。從法律規(guī)定內(nèi)容看，具有較強(qiáng)的原則性但可操作性不足；從立法體系看，相關(guān)法律規(guī)定散見(jiàn)于各層級(jí)的立法文件中，缺乏統(tǒng)領(lǐng)性的專(zhuān)門(mén)立法。這為個(gè)人信息保護(hù)工作帶來(lái)一定的困境。為此，筆者從國(guó)家層面、行業(yè)層面分析我國(guó)個(gè)人信息保護(hù)立法現(xiàn)狀。

酸洗試驗(yàn)在室溫下(27 ℃)進(jìn)行，以硝酸體積分?jǐn)?shù)、氫氟酸與硝酸體積比、Lan-826體積分?jǐn)?shù)和酸洗時(shí)間為因素，按表2的因素和水平設(shè)計(jì)了L9(34)正交試驗(yàn)。對(duì)主管焊縫、支管接口、卡套及螺母進(jìn)行了共9組酸洗試驗(yàn)，酸洗后噴霧系統(tǒng)的宏觀形貌見(jiàn)圖5。

按上述檢測(cè)方法對(duì)酸洗效果進(jìn)行檢測(cè)，最終確定了室溫下的最優(yōu)酸洗液配方為：硝酸體積分?jǐn)?shù)(15%)、氫氟酸與硝酸的體積比(1∶5)、Lan-826體積分?jǐn)?shù)(0.8%)、酸洗時(shí)間10 min。

1.5.2 鈍化液

鈍化液為硝酸水溶液。經(jīng)試驗(yàn)，室溫下體積分?jǐn)?shù)40%硝酸鈍化30 min即可得到合格的鈍化膜。

表2　酸洗試驗(yàn)因素水平表

圖5　酸洗試驗(yàn)后噴霧系統(tǒng)的宏觀形貌Fig. 5　Macrograph of spraying system after acid cleaning

2酸洗鈍化施工

2.1試劑

硝酸：體積分?jǐn)?shù)65%~68%，分析純，重慶川東化工有限公司；氫氟酸：體積分?jǐn)?shù)40%，分析純，成都市聯(lián)合化學(xué)試劑研究所；Lan-826：中國(guó)藍(lán)星股份有限公司；純水：自制，電導(dǎo)率≤0.1 μS/cm。

2.2酸洗

支管尾部的噴嘴取下后，在支管尾部插入PU管，由于PU管內(nèi)徑小于支管外徑，因此可以起到密封作用，避免循環(huán)中的酸液接觸到卡套引起卡套腐蝕(見(jiàn)圖6)。

圖6　替代連接管路1Fig. 6　The substitution pipeline 1

PU管尾部插入到酸液集液管中(見(jiàn)圖7)，流出的酸液經(jīng)過(guò)酸液集液管最終流入酸液收集罐。

圖7　替代連接管路2Fig. 7　The substitution pipeline 2

由于集液管太長(zhǎng)，為使酸液回流順暢，安裝時(shí)需抬高管中部，降低管兩端，使酸液從集液管兩端開(kāi)口自然流入收集罐中。收集罐中的酸液用低壓耐腐蝕泵重新注入主管。

酸洗完成后，將膠管從回流管中拔出，用自來(lái)水長(zhǎng)時(shí)間沖洗主管和支管，直至pH試紙呈中性反應(yīng)。再用水泵加注純水沖洗。用電導(dǎo)計(jì)檢測(cè)支管流出的水電導(dǎo)率，待其與源水電導(dǎo)率增加不超過(guò)0.2 μS/cm時(shí)，停止純水沖洗。再用氮?dú)鈱⒐艿纼?nèi)的水吹掃干凈。用工業(yè)內(nèi)窺探頭對(duì)主管、主管與支管間焊縫進(jìn)行酸洗效果檢查，不得有銹蝕點(diǎn)。

2.3鈍化

鈍化時(shí)管路連接與酸洗時(shí)相同。在操作上，鈍化完成后，不再使用自來(lái)水沖洗，而直接用純水沖洗至pH呈中性，待電導(dǎo)率與源水相比增加不超過(guò)0.2 μS/cm時(shí)，停止沖洗。再用氮?dú)鈱⒐艿缽氐状蹈?。并按文?.4方法進(jìn)行鈍化膜質(zhì)量檢測(cè)。

2.4殘液處理

酸洗、鈍化殘液排放至污水槽，加入氫氧化鈣乳液(即石灰乳)并攪拌，用pH試紙檢測(cè)達(dá)到中性時(shí)排放至排污管道。

3酸洗鈍化結(jié)果

經(jīng)過(guò)酸洗、鈍化，完全除去了系統(tǒng)銹渣，酸洗鈍化表面呈均勻的銀白色，焊縫及熱影響區(qū)表面無(wú)氧化色，無(wú)不均勻的斑痕(見(jiàn)圖8)。按ASTM A967-05標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)合格，生成的鈍化膜致密。

圖8　酸洗鈍化效果Fig. 8　The acid cleaning and passivation result

4結(jié)論

(1) 在低循環(huán)壓力下，采用乳膠管、PU管替代原管路系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不耐酸的器件管件進(jìn)行循環(huán)法酸洗鈍化是可行的。

(2) 用PU管、酸液集液管、收集罐和低壓耐腐蝕泵將末端開(kāi)放式系統(tǒng)組成可使酸液循環(huán)的封閉系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)法酸洗鈍化是可行的。

(3) 室溫下(27 ℃)，硝酸(體積分?jǐn)?shù)15%)、氫氟酸(與硝酸體積1∶5)與Lan-826(體積分?jǐn)?shù)0.8%)配伍的酸洗液，酸洗10 min后可使噴霧系統(tǒng)達(dá)到良好的酸洗效果。以體積分?jǐn)?shù)40%硝酸鈍化30 min，可使噴霧系統(tǒng)形成合格的鈍化膜。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉政崇，彭強(qiáng)，肖斌，等． 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞設(shè)計(jì)總體初步方案[C]//大型飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國(guó)航空學(xué)會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集． 深圳:[出版者不詳]，2007．

[2]戰(zhàn)培國(guó)． 結(jié)冰風(fēng)洞研究綜述[J]． 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2007，21(3)：92-96．

[3]馬輝，孟繁鑫，張大林． 結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)氣象參數(shù)標(biāo)定方法研究[J]． 測(cè)控技術(shù)，2013，32(5)：115-120．

[4]彭強(qiáng)，廖達(dá)雄，肖斌，等． 結(jié)冰風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[C]//第二屆近代實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)議論文集． 延吉:[出版者不詳]，2009．

[5]易賢，桂業(yè)偉，杜雁霞，等． 結(jié)冰風(fēng)洞水滴直徑標(biāo)定方法研究[J]． 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010，24(5)：36-41，46．

[6]范潔川，于濤． 飛機(jī)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M研究[J]． 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2007，21(1)：68-72，92．

[7]王健林，陳娟華，徐建華． 不銹鋼設(shè)備酸洗鈍化及其質(zhì)量控制技術(shù)[J]． 電站輔機(jī)，2011，32(3)：36-39．

[8]馬奇． 電廠蒸汽管道安裝前清洗鈍化工藝的研究[D]． 長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012．

[9]孫克彬，朱瑞峰，左學(xué)兵，等． AP1000結(jié)構(gòu)模塊雙相不銹鋼腐蝕及防護(hù)[J]． 施工技術(shù)，2012，41(增1)：205-207．

[10]郭兆強(qiáng)． 化學(xué)品船液貨艙及管線酸洗鈍化[J]． 航海，2013，35(1)：62-64．

[11]李琪． 液壓系統(tǒng)在線循環(huán)酸洗鈍化技術(shù)[J]． 石油化工建設(shè)，2012，34(2)：83-84．

[12]ASTM A967-05Standard specification for chemical passivation treatments for stainless steel parts[S]．

Circular Pickling and Passivation Process for Spraying System in an Icing Wind Tunnel

SHI Yu, XIAO Bin, MA Jun, JIANG Tie-deng, ZHANG Guo-biao

(Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000, China)

Abstract：The pickling and passivation of spraying system is essential before it is installed in an icing wind tunnel, which would prolong the service life of spraying system and avoid dimeter variation and clogging of the nozzle in the system. The pickling and passivation process used commonly includes dipping process, pickling & passivation paste process and acid spray process. According to the structure characteristic analysis and acid test result, these processes can not be used in the spraying system. Circular pickling and passivation process seems unsuitable yet because the spraying system is an open ended system. In the final solution, latex tube and polyurethane tube were used to replace acid nonresistant devices, and an acid closed cycle system was composed of latex tubing, polyurethane tube, collector tube, acid tank and low pressure anticorrosion pump. Thus circular pickling and passivation process can be used in the spraying system. The pickling solution at room temperature was comprised of nitric acid, hydrofluoric acid and Lan-826. The passivation solution was 40vol% nitric acid. A stable passive film was obtained in such circular picking and passivation process.

Key words：icing wind tunnel; spraying system; circular theory; pickling; passivation

中圖分類(lèi)號(hào)：TG178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1005-748X(2016)02-0147-04

通信作者：史 煜(1975-)，高級(jí)工程師，本科，從事應(yīng)用化學(xué)技術(shù)研究工作，0816-2464210，sy403@sina.com

收稿日期：2015-02-07

DOI:10.11973/fsyfh-201602013