接箍磷化生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬海風(fēng)

(青海油田地面集輸工程公司，甘肅 敦煌 736202)

石油套管接箍的磷化對(duì)石油套管的防粘扣性能起著至關(guān)重要的作用。目前國(guó)內(nèi)大部分廠家采用的是高溫錳系磷化工藝，其主要工藝流程為脫脂→水洗→表調(diào)→磷化→水洗→烘干[1-2]。電氣控制系統(tǒng)主要對(duì)磷化生產(chǎn)線進(jìn)行溫度控制及行車(chē)自動(dòng)控制[3]，一方面由于溫度主控及測(cè)量電極等的精度不高，導(dǎo)致溫度控制精度較低；另一方面需要由人工測(cè)量磷化液中的總酸度及游離酸度等相關(guān)參數(shù)后補(bǔ)加磷化液，致使總酸度及游離酸度變化幅度較大，從而導(dǎo)致接箍磷化膜厚度在10～60 μm之間變化。此外，磷化膜結(jié)晶粗糙，接箍磷化表面易掛灰，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用，脫脂槽液面易出現(xiàn)絮狀漂浮物[4]。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了石油套管接箍磷化電氣控制系統(tǒng)。

1 接箍磷化工藝流程

新型石油套管接箍磷化具體的工藝流程為：預(yù)脫脂→主脫脂→熱水洗→水洗→酸洗→水洗→水洗→表調(diào)→高溫錳系磷化→水洗→熱水洗→皂化→烘干，各工序的工作方式見(jiàn)表1。

為實(shí)現(xiàn)石油套管接箍全自動(dòng)控制及提高磷化質(zhì)量，根據(jù)新型石油套管接箍磷化生產(chǎn)工藝流程，設(shè)計(jì)了整套磷化生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括溫度控制、自動(dòng)補(bǔ)水控制、氣攪拌控制、磷化液自動(dòng)加注控制、沉淀控制、脫脂液除油控制[3]、行車(chē)自動(dòng)控制等7個(gè)子系統(tǒng)。

表1 磷化工藝流程及工作方式

2 溫度控制

石油套管接箍的磷化工藝采用高溫錳系磷化方式，根據(jù)磷化工藝要求，需在1,2,3,8,9,12,13號(hào)槽內(nèi)加熱并將各槽內(nèi)液體溫度控制在合理范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足磷化工藝對(duì)磷化液、脫脂劑等的溫度要求。

2.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)以0.05級(jí)高精度智能溫度控制器AIJ-5.0作為控制核心，在其18、19號(hào)端口接入精度0.05級(jí)、分辨率為0.01 ℃的T型熱電偶，在輸出端12號(hào)端口接入JR36-160型熱過(guò)載繼電器和NC2-115型交流接觸器，三相主電源線分別連接交流接觸器及熱過(guò)載繼電器，最后連接U型不銹鋼sus316電加熱管(共6根，每根8 kW)，其溫度控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

2.2 控制原理

根據(jù)磷化工藝，其自動(dòng)控制過(guò)程是通過(guò)槽內(nèi)的熱電偶BT將槽內(nèi)液體或氣體的熱能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸給溫度控制器，當(dāng)槽內(nèi)的液體或氣體的溫度小于溫度控制器設(shè)定值時(shí)，溫度控制器12號(hào)端口接通，使接觸器線圈得電，接觸器主觸頭閉合，相應(yīng)的加熱管接通電源，開(kāi)始加熱；當(dāng)槽內(nèi)的液體或氣體的溫度大于設(shè)定值時(shí)，溫度控制器12號(hào)端口斷開(kāi)，接觸器KM的線圈不得電，主觸頭斷開(kāi)，從而使相應(yīng)加熱管的電源斷開(kāi)，停止加熱。

3 自動(dòng)補(bǔ)水控制

根據(jù)磷化工藝，當(dāng)3、4、6、7、10、11號(hào)槽內(nèi)的水量減少時(shí)需要自動(dòng)補(bǔ)水，通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水。

3.1 自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)以JYB-714供水型液位繼電器作為控制核心，在其5、6、7號(hào)端口分別接入高精度高、中、低水位探針，在3號(hào)端口接入大流量電磁閥。自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

3.2 控制原理

按下配電柜上的補(bǔ)水控制系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)開(kāi)始補(bǔ)水，過(guò)程自動(dòng)控制，六組水位探針(每組3個(gè)探針)將檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)傳輸給配電柜內(nèi)相應(yīng)的液位繼電器，若水位低于低水位探針時(shí)啟動(dòng)電磁閥自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)到高水位探針位置時(shí)，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，停止補(bǔ)水。

4 氣攪拌控制

為使磷化液的濃度更加均勻或使接箍表面的殘留物清洗得更加徹底，需在4、5、6、7、9、10、11號(hào)槽內(nèi)增加氣攪拌。

4.1 氣攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣攪拌控制系統(tǒng)以正泰JSZ3F型時(shí)間繼電器作為控制核心，在其1號(hào)端口接入行程開(kāi)關(guān)，在3號(hào)端口接入大流量電磁閥。氣攪拌控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 氣攪拌控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

4.2 控制原理

在行車(chē)運(yùn)行過(guò)程中碰到相應(yīng)的7組行程開(kāi)關(guān)時(shí)相應(yīng)的電磁閥啟動(dòng)，氣體通過(guò)池內(nèi)管道上的孔對(duì)池內(nèi)液體進(jìn)行氣動(dòng)攪拌，攪拌時(shí)間設(shè)定為比工件在水中浸泡的時(shí)間多5 s。

5 磷化液自動(dòng)加注控制

為實(shí)時(shí)精確地控制磷化液總酸度及游離酸度，保證接箍磷化質(zhì)量，設(shè)計(jì)了磷化液自動(dòng)加注控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磷化劑的濃度，并在其濃度降到一定程度時(shí)自動(dòng)加注磷化液。

5.1 磷化液自動(dòng)加注控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)加注控制系統(tǒng)以測(cè)量精度為±0.02 pH的MIK-PH3.0型高精度PH/ORP控制器作為控制核心，在其4號(hào)端口接入PH5018玻璃電極，在11、12號(hào)端口接入交流接觸器線圈，二相主電源線分別連接交流接觸器的主觸頭，然后連接HL30/1.0機(jī)械隔膜計(jì)量泵。磷化液自動(dòng)加注控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 磷化液自動(dòng)加注控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

5.2 控制原理

當(dāng)工業(yè)電極檢測(cè)到磷化液中的pH值大于設(shè)定值時(shí)，計(jì)量泵開(kāi)始工作，將儲(chǔ)液桶中的磷化液通過(guò)輸液管路輸入到磷化槽內(nèi)，直至工業(yè)電極檢測(cè)的pH值到達(dá)設(shè)定的區(qū)間時(shí)，計(jì)量泵停止工作。

6 磷化液沉淀控制

磷化液經(jīng)多次磷化后，磷化槽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量磷化殘?jiān)?，從而?dǎo)致磷化膜掛灰現(xiàn)象嚴(yán)重，為此需對(duì)磷化液殘?jiān)M(jìn)行過(guò)濾，使磷化液可重復(fù)利用，節(jié)約生產(chǎn)成本。

6.1 磷化液沉淀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在交流接觸器的線圈端接入一按鈕開(kāi)關(guān)，三相主電源線分別連接交流接觸器的主觸頭端，然后連接TB-40012H防腐循環(huán)泵。磷化液沉淀控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 磷化液沉淀控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

6.2 控制原理

啟動(dòng)控制按鈕，磷化池中磷化液經(jīng)過(guò)循環(huán)泵提升至沉淀塔內(nèi)，經(jīng)過(guò)沉降將沉渣留在塔底(沉渣由下面閥門(mén)排放)，將上層液體放回至磷化池中繼續(xù)使用。

7 脫脂液除油控制

在使用脫脂液多次清除接箍表面的油污及皂化液后，脫脂液表面會(huì)有絮狀漂浮物，為使接箍表面清洗更徹底并使脫脂液可重復(fù)使用，節(jié)約成本，需要有效清除脫脂液中的絮狀漂浮物。

7.1 脫脂液除油控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在交流接觸器的線圈端接入一按鈕開(kāi)關(guān)，三相主電源線分別連接交流接觸器的主觸頭，然后連接TB-40012H防腐循環(huán)泵。脫脂液除油控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 脫脂液除油控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

7.2 控制原理

啟動(dòng)控制按鈕，循環(huán)泵開(kāi)始工作，脫脂液通過(guò)循環(huán)泵被吸入含過(guò)濾棉的過(guò)濾罐內(nèi)，除油后的脫脂液通過(guò)過(guò)濾灌回流口及管線流入脫脂槽內(nèi)。

8 行車(chē)自動(dòng)控制

行車(chē)是磷化自動(dòng)生產(chǎn)線的重要組成部分，主要作用是帶動(dòng)待磷化接箍料框在各個(gè)槽間進(jìn)行有序的上下及水平運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成接箍的磷化[5]。

8.1 行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)以CPU315-2DP西門(mén)子PLC作為控制核心，觸摸屏SIEMENS 6AV6643-0CD01-1AX1通過(guò)RS-485通信端口與PLC相連[6]，用于相關(guān)溫度、時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置及手動(dòng)操作，PLC以21組行程開(kāi)關(guān)及5組按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)作為輸入，4組輸出端分別連接2個(gè)VFD型變頻器的S1及S2端口，控制行車(chē)前后及升降運(yùn)動(dòng)，三相主電源線分別連接變頻器及交流接觸器的主觸頭端，然后連接前進(jìn)電機(jī)及起降電機(jī)。行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖如圖7所示。

依據(jù)所選的西門(mén)子PLC及低壓電器進(jìn)行I/O端口分配[7]，輸入、輸出信號(hào)端口分配見(jiàn)表2和表3。

8.2 控制原理

手動(dòng)將行車(chē)調(diào)整至上料位置，確保行車(chē)掛鉤置于料框掛鉤正下方，然后旋轉(zhuǎn)行車(chē)運(yùn)行開(kāi)關(guān)至自動(dòng)模式，2 s后行車(chē)開(kāi)始帶動(dòng)料框向上運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)行車(chē)上行程開(kāi)關(guān)，使料框底部超過(guò)槽體頂部，完成掛料工作；2 s后行車(chē)帶動(dòng)料框向前行進(jìn)至1號(hào)槽位置，觸發(fā)1號(hào)槽行程開(kāi)關(guān)，使料框置于1號(hào)槽正上方，完成移料工作；2 s后行車(chē)帶動(dòng)料框向下運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)行車(chē)下行程開(kāi)關(guān)，使料框完全置于1號(hào)槽內(nèi)，停留所設(shè)定時(shí)間完成預(yù)脫脂工序后，行車(chē)依次帶動(dòng)料框完成其他所有工序，直至行車(chē)向前運(yùn)動(dòng)至卸料位置，觸發(fā)卸料行車(chē)開(kāi)關(guān)；2 s后行車(chē)帶動(dòng)料框向下運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)行車(chē)下行程開(kāi)關(guān)，使料框剛好放置于移動(dòng)出料小車(chē)上，完成卸料工作；2 s后空載行車(chē)向前運(yùn)行至行車(chē)返回位置，觸發(fā)最前端行程開(kāi)關(guān)，完成行車(chē)掛鉤與料框掛鉤完全脫離工作；2 s后空載行車(chē)向上運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)行車(chē)上行程開(kāi)關(guān)，使行車(chē)掛鉤高于槽體頂部，完成行車(chē)返回前的準(zhǔn)備工作；2 s后空載行車(chē)向后運(yùn)動(dòng)至上料準(zhǔn)備位置，觸發(fā)最后端行程開(kāi)關(guān)后，完成空載行車(chē)返回工作；2 s后空載行車(chē)向下運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)行車(chē)下行程開(kāi)關(guān)，使行車(chē)的掛鉤低于上料位置處料框的掛鉤；2 s后空載行車(chē)向前行進(jìn)至上料位置，觸發(fā)上料行程開(kāi)關(guān)，使行車(chē)掛鉤處于料框掛鉤的正下方，完成再次上料前的準(zhǔn)備工作。此過(guò)程為行車(chē)運(yùn)行的一次完整流程。行車(chē)運(yùn)行全部流程及各個(gè)流程所需時(shí)間如圖8所示，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖9所示。

圖7 行車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖

表2 輸入信號(hào)端口分配表

表3 輸出信號(hào)端口分配表

圖8 行車(chē)控制運(yùn)行流程

圖9 接箍磷化行車(chē)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)圖

9 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)新型石油套管接箍高溫錳系磷化的工藝流程合理設(shè)計(jì)了整套電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)各個(gè)工序工作安全可靠，控制精度高，且可完全實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)運(yùn)行。

選取精度較高的溫度控制組件并設(shè)計(jì)了磷化液自動(dòng)加注控制系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示，石油套管接箍磷化膜層分布均勻，結(jié)晶細(xì)致，磷化膜厚度均勻，保持在20～32 μm，磷化后的接箍表面灰黑光亮，無(wú)明顯掛灰。對(duì)磷化液沉渣進(jìn)行過(guò)濾以及對(duì)脫脂液進(jìn)行除油處理，除有效減少脫脂槽液面絮狀漂浮物外，每年還可減少10萬(wàn)余元的材料成本支出。