涂裝車間前處理槽體攪拌管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種優(yōu)化的涂裝車間前處理槽體攪拌管布置型式，與傳統(tǒng)型式相比，優(yōu)化型式使用的手動(dòng)閥門數(shù)量大大減少，這使得生產(chǎn)管理時(shí)管控點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)量大為減少。通過計(jì)算，優(yōu)化型式的成本顯著低于傳統(tǒng)型式。但優(yōu)化型式對管路設(shè)計(jì)的要求更高，需要進(jìn)行更詳細(xì)的仿真計(jì)算。從flownex軟件流量仿真的結(jié)果看，優(yōu)化型式的流量分配是完全滿足要求的。

關(guān)鍵詞：前處理；攪拌管；流量分配；flownex仿真；成本分析

前處理設(shè)備是汽車涂裝生產(chǎn)線的重要組成部分，在前處理工藝段，白車身需要經(jīng)過脫脂、水洗工序，把車身表面的油污、焊渣、纖維等雜質(zhì)清洗干凈，再經(jīng)過磷化（或薄膜處理）、水洗、純水洗等工序生成一層薄膜。前處理質(zhì)量的好壞，對后序電泳漆膜的質(zhì)量具有決定性的作用，并對中涂、面漆涂層的質(zhì)量產(chǎn)生影響。要實(shí)現(xiàn)良好的前處理效果，必須使前處理各槽液充分流動(dòng)起來。實(shí)際工程中，一般采用混流噴嘴實(shí)現(xiàn)，向混流噴嘴供液的管路稱為攪拌管。槽液攪拌可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：使脫脂、磷化等化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行；通過槽液流動(dòng)增強(qiáng)清洗效果；把槽體底部的雜質(zhì)攪動(dòng)起來讓泵吸走從而在過濾器中除去。因此，做好槽體攪拌管路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理具有十分重要的意義。

管路布置型式

1.傳統(tǒng)布置型式

傳統(tǒng)的管路型式為，槽體內(nèi)部布置多根獨(dú)立的攪拌管，每根攪拌管在槽體外側(cè)設(shè)有手動(dòng)閥門和壓力表，以實(shí)現(xiàn)對攪拌壓力的控制。

以某項(xiàng)目的脫脂槽底部攪拌管為例，主管路流量為324m3/h （90 kg/s），末端混流噴嘴按照初選壓力0.15MPa選型為HL30，標(biāo)準(zhǔn)流量為50 L/min （3.0 m3/h），結(jié)合脫脂槽尺寸確定攪拌管數(shù)量為13根，每根有8個(gè)噴嘴，校驗(yàn)噴嘴實(shí)際流量為324m3/h/（13×8）=3.12m3/h，略大于初選壓力下的標(biāo)準(zhǔn)流量，符合要求。按照傳統(tǒng)的管路型式，每根攪拌管的管徑為DN65，如圖1a所示。

2.優(yōu)化布置型式

一種優(yōu)化的管路型式為，將槽體內(nèi)部的攪拌管分為若干組，每一組在槽體外側(cè)設(shè)置一個(gè)手動(dòng)閥門和壓力表，組內(nèi)各支管的流量分配靠管路變徑實(shí)現(xiàn)基本均等。

如果按照優(yōu)化的管路型式，可將13根攪拌管按照4、4、5分為三組，每根匯管的管徑為DN125，匯管進(jìn)入槽內(nèi)之后，從中間向兩邊分出支管，支管管徑為DN50，每根支管有4個(gè)混流噴嘴，如圖1b所示。

管路流量分配設(shè)計(jì)

為判斷各攪拌管的流量分配是否均衡，使用flownex軟件[1]進(jìn)行仿真分析。該軟件是一個(gè)通過ISO9001：2008質(zhì)量認(rèn)證的一維熱流體系統(tǒng)仿真軟件，一維仿真是指將復(fù)雜的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)離散成由若干個(gè)一維流動(dòng)元件組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對每個(gè)流動(dòng)元件采用一維的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算其流動(dòng)與傳熱，然后全網(wǎng)聯(lián)立求解，求得網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)元件的流量與換熱量以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力等參數(shù)。一維仿真軟件認(rèn)為，只在長度方向上發(fā)生參數(shù)的變化，而在任一截面上的各參數(shù)均相等。本案例中，不考慮傳熱過程。

1.傳統(tǒng)型式的流量分配

為使流量盡量均衡分配，槽體外部主管路需要逐級變徑。從圖1的主視圖可以看出，入口DN250的管徑向兩邊分別變徑為DN200和DN125，再逐級縮小至DN65。異徑管的位置和尺寸需要依據(jù)仿真結(jié)果確定，目標(biāo)是確保在閥門開度相同時(shí)，各攪拌罐的流量趨同，然后再通過調(diào)節(jié)閥門的開度，縮小流量差距。

flownex中建立的主管路逐級變徑模型如圖2所示。其中入口壓力設(shè)置為350kPa，溫度設(shè)置為45℃，13個(gè)出口壓力均設(shè)置為310kPa，介質(zhì)為水，入口質(zhì)量流量設(shè)置為90kg/s，管路材質(zhì)為不銹鋼，表面粗糙度為67.5μm。

將13個(gè)節(jié)流器的開度設(shè)置為1，計(jì)算出所有閥門全開時(shí)的流量，結(jié)果見圖3中藍(lán)色柱狀圖，其中流量最小的是第4根攪拌管，為5.84kg/s，比理論平均流量（90 kg/s/13=6.92kg/s）小15.6%，流量最大的是第13根攪拌管，為7.97 kg/s，比理論平均流量大15.1%。

調(diào)整節(jié)流器的開度，再計(jì)算各支管的流量，直至計(jì)算出的流量最為平均。由于實(shí)際采用的手動(dòng)蝶閥一般有10檔限位，因此開度的取值可精確到小數(shù)點(diǎn)后1位，即0.9、0.8、0.7等，閥門的開度不宜小于0.5，如果開度過小，說明閥門管徑選型過大，而且會導(dǎo)致使用時(shí)的調(diào)節(jié)余量較小。

經(jīng)過迭代嘗試，確定了各個(gè)閥門的最佳開度和流量，分別如圖3中的橙色折線圖和橙色柱狀圖所示。其中閥門全開的有3根，開度為0.9、0.8、0.7的分別有2、3、5根；流量與理論平均流量偏差最大的是第13根攪拌管，為7.23 kg/s，偏差為+4.4%。

2.優(yōu)化型式的流量分配

計(jì)算優(yōu)化形式的流量分配，需要分兩步進(jìn)行，先要計(jì)算出主管路所連接的3根支管的流量和閥門開度，再計(jì)算每根支管到攪拌管的流量分配。為體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以適應(yīng)更復(fù)雜的情況，本案例特意選擇13根攪拌管分配為不相等的4、4、5情形，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以從簡，將三根支管都分配4根攪拌管（左右分出，合計(jì)為8根攪拌管）。

在flownex中建立模型如圖4所示，入口壓力設(shè)置為350kPa，溫度設(shè)置為45℃，3個(gè)出口壓力均設(shè)置為330kPa。因?yàn)?根支管分別對應(yīng)傳統(tǒng)型式中的4、4、5根攪拌管，所以第3根支管的流量應(yīng)為前2根支管流量的5/4倍。通過調(diào)整閥門開度，迭代嘗試出結(jié)果如圖4所示，其中3個(gè)閥門開度分別為0.8、0.7、全開。假設(shè)支管內(nèi)流量均分，計(jì)算三組攪拌支管的理論流量分別為7.24kg/s （28.97kg/s/4）、7.27kg/s （27.28kg/s/4）、6.57 kg/s （33.75kg/s/5），與理論平均流量6.92kg/s偏差+4.7%、-1.4%、-2.5%，實(shí)際的攪拌支管流量要經(jīng)過進(jìn)一步仿真求解。

確定了3個(gè)支管的流量之后，需要將其作為輸入值，計(jì)算支管到攪拌管的流量分配。flownex中建立模型如圖5所示，入口壓力設(shè)置為330kPa，溫度設(shè)置為45℃，10個(gè)出口壓力均設(shè)置為310kPa，入口質(zhì)量流量設(shè)置為33.75 kg/s，便可以計(jì)算出9～13根攪拌管的流量（左右支管流量合并相加，即相當(dāng)于傳統(tǒng)型式中的一整根攪拌管流量），如圖6所示。

由于flownex中沒有異徑四通模型，因此用節(jié)點(diǎn)代替異徑四通，將其局部阻力損失設(shè)置在相應(yīng)的管路上，根據(jù)手冊[2]并結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)定DN125/DN50的分支四通的局部阻力系數(shù)為2.5，DN100/DN50的分支四通的局部阻力系數(shù)為2.0，直流四通的局部阻力系數(shù)為0.1。

計(jì)算第1～4、5～8根攪拌管流量時(shí)的模型，可由圖5中的模型稍作修改生成，把紅色矩形框內(nèi)的元件刪除，將直管與異徑管相連，然后調(diào)整一下直管長度即可。分別將入口流量設(shè)為28.97 kg/s和27.28 kg/s，計(jì)算出第1～4、5～8根攪拌管的流量。結(jié)果顯示，正負(fù)偏差最大的攪拌管為第4、9根攪拌管，分別為+8.4%、-7.1%，偏差略大于傳統(tǒng)布置方式下調(diào)整閥門后的結(jié)果（+4.4%），但仍低于±10%的經(jīng)驗(yàn)限值，因此是可行的。

至于攪拌管入口到各噴嘴的流量分配，由于噴嘴的收口作用產(chǎn)生了主要的阻力損失，所以管路上的局部阻力起次要作用，而噴嘴型號是相同的，所以認(rèn)為攪拌管入口的流量在各噴嘴處是均勻分布的，因此本文不再贅述。

管路系統(tǒng)成本分析

1.固定成本分析

管路系統(tǒng)的固定成本，包括材料成本、外購件成本、預(yù)制安裝成本。管路采用SUS304薄壁不銹鋼焊接鋼管，根據(jù)圖樣計(jì)算，傳統(tǒng)型式和優(yōu)化型式的管路材料重量分別為400kg、300kg。材料和預(yù)制安裝成本一般以綜合單價(jià)的形式合并計(jì)算，按照5萬元/t的綜合單價(jià)，可粗略得出成本分別為2.0萬元、1.5萬元。因此優(yōu)化型式的材料和預(yù)制安裝成本是較低的。

外購件的種類較多，包括管件、法蘭、卡箍接頭、手動(dòng)蝶閥、壓力表（含手動(dòng)球閥），表1中列出了兩種布置方式下外購件的數(shù)量，簡單加和可以計(jì)算出傳統(tǒng)型式的外購件數(shù)量為140個(gè)，優(yōu)化型式的外購件數(shù)量為78個(gè)，采用優(yōu)化型式，可以使外購件數(shù)量大為減少。

考慮價(jià)格因素，采用某知名電商平臺的價(jià)格（此處僅進(jìn)行定性分析，實(shí)際工業(yè)品價(jià)格高于電商平臺價(jià)格）進(jìn)行粗略估算，可得出傳統(tǒng)型式的外購件價(jià)格為1.5萬元，優(yōu)化型式的外購件價(jià)格為0.9萬元，優(yōu)化布置型式的外購件成本也是較低的。

2.運(yùn)行維護(hù)成本分析

管路系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)主要是手動(dòng)閥門、儀表的日常點(diǎn)檢和更換維修，手動(dòng)閥門、儀表的數(shù)量越少，泄漏點(diǎn)、管控點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)量就越少。從數(shù)量上看（見表1），優(yōu)化型式僅有3個(gè)手動(dòng)蝶閥和3個(gè)壓力表（含手動(dòng)球閥），而傳統(tǒng)型式有13個(gè)手動(dòng)蝶閥和13個(gè)壓力表，優(yōu)化后的數(shù)量大大減少，按照每年更換30%的概率，采用電商平臺價(jià)格估算可節(jié)省成本0.2萬元。

以上關(guān)于成本的定量分析是基于脫脂槽底部攪拌管的，放大到涂裝車間前處理線和電泳后水洗線，成本是可觀的。更重要的是，采用優(yōu)化布置型式，可以使前處理線的點(diǎn)檢人員、設(shè)備維護(hù)人員的數(shù)量都減少，即使僅減少1人，且按照最低工資標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每年也可節(jié)約人員成本約3萬元。因此，從成本分析的角度看，采用優(yōu)化布置型式無疑是合適的。

結(jié)語

優(yōu)化布置型式在流量分配上是可行的，但是在設(shè)計(jì)時(shí)，需要比傳統(tǒng)布置型式多進(jìn)行一步仿真計(jì)算，以確定變徑管的準(zhǔn)確規(guī)格和位置。從成本角度分析，優(yōu)化布置型式的設(shè)備固定成本是明顯較低的，更重要的是，手動(dòng)閥門和人工點(diǎn)檢儀表數(shù)量的大大減少，降低了生產(chǎn)管理時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，且能夠減少運(yùn)維人員數(shù)量，這無疑更加符合未來汽車工廠的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳俊宏. 油氣管路系統(tǒng)仿真及數(shù)字化應(yīng)用[C]. 2016中國數(shù)字管路技術(shù)大會論文集，2016：19-22.

[2] 中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究院. 給水排水設(shè)計(jì)手冊（第一冊）[M]. 2版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.