船舶除銹用水作業新工藝研究

王永強，薛勝雄，韓彩紅，蘇吉鑫，朱華清，陳正文，龐 雷

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031)

1 修船除銹用水作業現狀

在修船工程中，鋼板表面在涂裝前必須除銹和除漆 (簡稱除銹，又稱表面預處理)。傳統工藝采用干氣噴砂，環境污染極其嚴重，船塢彌漫著粉塵，嚴重影響工人健康。消除污染的辦法是用濕式除銹取代干式除銹，尤其在船艙內壁，已到了刻不容緩的地步。20世紀90年代，磨料水射流叩開表面預處理的大門，雖然質量和速度都滿足了業主要求，但是保證磨料的干燥、連續、均勻，使其適應高空作業成為一個無法逾越的障礙，也就是說結果可行，過程不可靠。

超高壓純水射流除銹成為隨后的技術目標。自2000年以來，國際上普遍將250 MPa、250 kW的超高壓大功率機組作為純水射流除銹的工況參數，之后又研究了噴槍、平面清洗器、爬壁機器人等。目前，國內都集中使用這樣一個方案:即1臺上述泵機組帶2把噴槍，工人手持作業;平面清洗器和爬壁機器人則鮮有應用。雙槍作業模式易造成以下誤區。

1)雙噴槍作業效率高。該模式之所以雙槍作業，并非提高效率，而是因為如此大參數工況，噴槍反沖力已超過了350 N，遠超過單人持槍作業的承受能力，采用雙槍是不得已而為之。

2)超高壓工況質量好。這在理論上是對的，實際上工人在腳手架上作業，又要承受很大的反沖力，真實的工作壓力常在150 MPa左右;另外，手持噴槍的靶距多在300 mm左右，遠超出了40～60 mm的最佳靶距，無法達到理想的除銹效果。筆者在艙內發現，所謂除銹，只清除了點蝕浮銹。

3)濕式除銹環境好。濕式除銹不像干噴砂除銹污染空間，但2只噴槍同時作業，致使艙內水霧彌漫，能見度極低，其作業環境存在安全隱患。

2 超高壓旋轉水射流除銹機理

保質保量用水除銹的基本原則是:充分集中利用水射流的大參數工況，根據作業環境采用自動化或半自動化執行機構。

鋼質表面銹層形貌和效應如圖1所示［1］，圖1(a)為表面形貌，由圖形的依次微化可見，還是粗糙度問題;圖1(b)為表面效應，將鋼質表面分為本體材料、轉變材料層和完整表面層，完整表面層又分外表層和內表層。

圖1 鋼質表面銹層形貌和效應

除銹目標首先是除去完整表面層且越過谷底，然后根據不同除銹等級要求除至轉變材料層的程度而不破壞本體材料。

圖2所示，由于旋轉射流及其運動的作用，流線改變了方向，形成了彎矩作用、集中沖擊作用和剪切載荷作用，尤其對不規則的銹層表面。在承受高彎矩部位，旋轉射流形成的高剪切載荷發揮著重要作用［2］。

圖2 在射流作用下不規則表面受力圖

將噴嘴呈一定角度安裝，即形成了噴頭的旋轉扭矩，由對不規則表面形成了彎矩打擊力和剪切剝層力。試驗表明，剪切剝層力要求噴嘴角度在30°～60°之間為佳;彎矩打擊力要求噴嘴角度在60°～90°之間為佳［3－4］(見圖 3)。綜合兩者的要求，實際應用的噴嘴安裝角度總是在60°左右，以噴嘴－噴桿－旋轉體三者相對位置形成兩維平面安裝的要求。

圖3 射流的法向打擊與切向力剝層機理

銹層也會出現個別的裂縫或凹坑現象，這種裂縫或凹坑常常會浸入到本體材料層，稱之為點蝕。對于點蝕清除，需在大面積除銹后個別清除。

3 船艙內表面和甲板的除銹工藝

船艙內表面除銹主要是針對垂直面和筋板平面，作業時在艙內搭腳手架，主機則置于船頂甲板，采用手持式平面清洗器作業為宜;甲板除銹則采用手推式平面清洗器。附帶真空回收系統，減少水霧，改善作業環境。

圖4所示的手持平面清洗器主要由呈一定角度安裝噴嘴的桿式旋轉噴頭，超高壓旋轉接頭，真空腔、手持開關和防墜平衡器等組成。防墜平衡器承受著200 N左右的平面清洗器重量。真空回收系統將絕大部分水進行回收，消除了手持噴槍作業的水霧現象。同時產生的吸附力與水射流的反沖力平衡。作業時，由人工手持任意縱橫移動，一次性作業300 mm寬的平面，即適應于垂面也適應于筋板平面。應用平面清洗器作業的正常運行速度在4～6 m/min，可達到金屬表面基本“白金”狀態。

顯然，超高壓水進入旋轉噴頭，由氣動馬達強制驅動并控制其旋轉速度，此時在真空腔內的4只噴嘴形成的旋轉水射流很好地實現了由法向力和切向力復合的除銹機理模型，而平面清洗器的三維滾珠運動使“手持”僅限于啟動氣動開關和把持方向。除銹質量和速度的協調功能取決于平面清洗器的射流轉速能穩定控制在700～1 000 r/min之間和射流靶距固定在40～60 mm，而且全部流量集中于300 mm直徑之內，工作壓力保證在220～240 MPa，諸多優勢因素聚焦于作業的鋼制表面，這是手持噴槍作業無法比擬的。

圖4 手持平面清洗器作業

真空系統抽吸了清洗器中絕大部分污水，同時超高壓流場的噴射會形成一種“水墊”，使得平面清洗器能輕松運動， “水墊”的壓力也會產生水霧，但它比起手持噴槍作業的水霧微不足道，除銹作業環境會得到明顯的改善。

與手持平面清洗原理和核心部件相同，甲板除銹因為空間大，作業面平整，就更為容易，只需將手持平面清洗器做成手推車，人工推進 (或氣動、液壓馬達驅動)作業即可。自身重量使然，甲板除銹的即除即干效果更穩更完美。如圖5所示，筆者已成功研發出推車式平面清洗器，除了船舶甲板除銹應用外，還在機場跑道除膠、路面標志線清除及場地底面除油污等領域有著廣泛應用。

圖5 推車式平面清洗器

4 船舶外表面除銹與清洗工藝

船舶外表面除銹所使用的是如圖6所示的爬壁除銹機器人，它是基于外壁大面積的平面清洗考慮，解決垂直表面清洗過程中出現的問題:行走、附壁和射流。

圖6 爬壁除銹機器人

行走:采用2只氣動馬達驅動履帶行走，通過電磁比例閥改變2個馬達的進氣量，進而實現對馬達轉速的控制。當2臺馬達轉速一致時，機器人作直線運動;當2臺馬達有速度差時，形成機器人的轉彎運動。

附壁:機器人靠外來磁鐵和真空附壁，要求吸力產生的附壁扭矩大于機器人本身因其重量、拖帶重物量 (水管、氣管、真空管及管內水重量)和真空吸力所產生的滾動摩擦力矩共同構成的傾覆力矩。磁鐵與壁面不貼合造成磁隙效應以減少磨擦力。

射流:機器人作為執行機構，安裝有超高壓旋轉接頭和由4只噴嘴組成的噴頭，噴頭的旋轉運動由單獨的氣動馬達驅動實現，噴頭的轉速可通過改變馬達氣量實現。

船舶外表面清洗海生物和涂裝后清洗都宜采用1 m直徑的平面清洗器，由高空作業車將其附著于表面作業。這種平面清洗器與船廠現有的35 MPa、160 L/min大泵機組相匹配，清洗的效率和效果都非常滿意，而且高空作業采用機械臂，其運行也很自如，真空抽吸污水也可以通過上述方法很好實現。如圖7所示，筆者已將此種工藝設備成功應用于特種容器表面清洗工程中。

5 用水除銹的返銹問題

采用簡單的手持噴槍高壓水除銹后會出現重新返銹現象，這是高壓水船舶除銹應用的一個制約因素。筆者正是充分考慮了這一工藝缺陷，將水射流機構做成平面清洗器形式，形成一個相對封閉的腔體，為真空抽吸技術的應用提供了必要條件，有效地解決了返銹問題。通過管道將除銹清洗器與真空抽吸系統連接，使清洗器的腔體內形成一定的負壓，除銹作業的同時，鐵屑與廢水被及時抽吸。在超高壓工況下，由于流體的可壓縮性，水由常壓下的常溫達到超高壓下的80～90℃，加之旋轉射流的霧化，在清洗器的真空腔內形成了均勻的高溫場。在真空作用下，高溫場又使附著在鋼板表面上的水汽化蒸發，造成水射流除銹即除即干的結果。圖8是筆者做返銹試驗的對比照片，左圖是水射流除銹后的照片，右圖是除銹15 h后的照片，經對比，沒有出現明顯的返銹現象。對于船舶外壁和甲板等大面積除銹作業，用水除銹不返銹完全可以實現。對于內艙的手持平面清洗器除銹，考慮到手持移動的靈活性，真空度不能太高，但也回收了絕大部分污水，并有效消除了水霧。筆者對國內修船業的水射流除銹進行了實地調查，幾乎全部采用手持噴槍作業，水花飛濺、水霧彌漫。與噴槍除銹相比，手持清洗器作業有效地減輕了返銹的程度。

圖7 大直徑平面清洗器機械夾持作業

圖8 除銹“白金”15 h前后對比

6 除銹質量與速度

從成本上說，船艙內壁的除銹因為噴砂工藝實在不能繼續而讓位于水射流工藝，這給超高壓純水射流應用一個新的空間。可以說用水除銹就是以修船中的表面預處理為主要舞臺，但除了它的技術應用一直處于成長期以外，它的一次性投資遠比簡單的噴砂機昂貴，好在它的運行費用遠低于噴砂之鋼丸及其后處理。所以，此消彼長的利弊一直在論證中，無疑，環保與污染的重視為水射流工藝創造了機遇，既然船艙內壁已用，甲板和外壁的應用只在一套主機上改變執行機構即可。

外壁除銹的障礙還存在這樣一種觀點:用水除銹打不出噴砂除銹的粗糙度。對此，巴西學者對4種工藝采用電子顯微鏡分別以150和500倍的表面顯微鏡像進行了深入的研究，其結論是:超高壓水射流是最好的表面預處理工藝，其最大雜質界限最低，亦具有保證涂裝的粗糙度。

然而，除銹質量和速度本身就是一對矛盾，無論除銹工藝如何，都回避不了這種矛盾，前者是后者的判據，否則單說速度是沒有意義的，筆者根據實際應用經驗得出表1數據。

表1 除銹應用經驗

應用表明:除銹要好于除漆質量。但鋼板固有的黑色氧化層除去的難度很大，這要視情況而定。

7 結論

應用直徑300 mm的平面清洗器在250 MPa、50 L/min工況下，可以很好地完成船舶內艙、甲板和外壁的表面預處理工程，而且高效、安全、環保，對于甲板和外表面可在一天內不返銹。

本文感謝友聯船廠 (蛇口)有限公司的大力支持。

［1］薛勝雄，等.高壓水射流技術工程［M］.合肥工業大學出版社，2006:483－484.

［2］Eng.LuisE.Ortega Trotter.A Comparison of Surface Preparation Using Different Methods.Proceedings of the 2001 WJTA American Waterjet conference.745－763.

［3］李根生，等.自振空化射流理論與應用 ［M］.中國石油大學出版社，2008.

［4］董志勇.沖擊射流 ［M］.海洋出版社，1998.