空化水射流技術在海洋污損生物清除領域的應用研究

張麗婷，張瑩，徐棟，蘇婕

(國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033)

?

空化水射流技術在海洋污損生物清除領域的應用研究

張麗婷，張瑩，徐棟，蘇婕

(國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033)

文章從海洋污損生物的危害分析入手，首先概述海洋污損生物的清除方法，并結合空化水射流技術的原理與優勢開展實例應用研究，指出空化射流清洗技術是一種切實可行的新型清洗技術，可以在不破壞設施表面完整防腐層的基礎上，高效、安全地清洗水下設施表面附著的海洋生物污垢層；最后對空化水射流技術進行展望，指出其關鍵技術在于空化射流噴嘴的設計和ROV自動控制系統的研制。

海洋工程技術；水下機器人；污損清洗；自動化；海洋科技

1 海洋污損生物的危害

海洋污損生物也稱海洋附著生物，是附著叢生在水下人工設施及船舶等海洋結構物表面并導致其損壞或產生不良影響的動物、植物和微生物的總稱[1]。一直以來，海洋污損都是困擾航運和水下設施的難題。

海洋污損生物造成的危害主要體現在以下4個方面：①對于水產養殖業，容易造成養殖網箱和捕撈網衣等網孔堵塞、與養殖貝類爭奪附著基和餌料、影響牡蠣等養殖貝類生長及產量等。②對于海洋石油平臺，會增加平臺支架體積和粗糙度，加大外載荷，增加平臺自重并提高平臺重心，增加平臺發生傾斜或倒塌的可能性。③對于海洋儀器，會導致海水中儀器儀表傳動機構失靈、信號收發受到影響、信號失真、性能降低等。④對于船舶的影響受到廣泛關注[2]，一方面會增加船舶的阻力，造成燃料消耗增加、船速下降；另一方面還會增加管道內壁的粗糙面，縮小管道的管徑甚至造成完全堵塞，使船舶進塢維修次數增多；此外，還會加快金屬的電化學腐蝕過程和速度。由此可見，海洋污損生物的危害性不容小覷。

2 海洋污損生物清除方法概述

目前海洋污損生物的防治方法多種多樣，按防污技術原理可將其分為物理防污法、化學防污法和生物防污法[1]。其中，物理防污法主要采用物理手段，如提高流速、過濾、超聲波等來達到防污除污的目的；化學防污法主要采用化學物質對海洋污損生物進行毒殺，阻止其附著，是目前使用最廣的方法；生物防污法則是采用生物活性物質作為防污劑來減少海洋污損生物的不良影響。

具體來說，物理防污法包括人工或機械清除法、空化水噴射流除污法、低表面能涂料防污法、過濾法、加熱法、超聲波防污法等，屬于傳統防污方法，操作簡單方便、時效性較強、無毒環保，但清除效率較低、易損壞船體構件、清除成本較高；化學防污法包括直接加入法、電解法、化學防污涂料法等，是目前最成熟的防污方法，已被廣泛應用，與涂料技術相結合可以實現較長時間的防污效果，但對已產生的污損難以去除，其采用的有毒物質會污染海洋環境，對人類本身也有較大危害；生物防污法包括生物防污劑涂料、仿生涂料等，屬于新興的防污方法，防污周期較長、效果明顯、無毒無公害，但尚處于實驗研究階段，與實際應用還有一定距離。

3 空化水射流技術的原理與優勢

3.1 技術原理

空化水射流技術屬于物理防污法的范疇，是近年來備受廣泛關注的防污方法之一，是在高壓水射流的研究基礎上，為進一步提高清污效率而引申出來的一種新型技術。利用空化原理的射流稱為空化射流，在噴嘴出來的水射流中誘發空泡，適當地控制噴嘴出口截面與靶材表面之間的距離，使空泡在運動過程中長大并在射流沖擊的靶材表面上潰滅，進而達到沖洗甚至破碎靶材的目的[3]。

研究表明，若射流速度一定，即水泵壓力一定時，空化射流的沖擊壓力可為相同流量的普通連續射流沖擊壓力的8.6～124倍，即如果普通連續射流的沖擊壓力為10 MPa，則相同條件下空化射流的沖擊壓力可高達86～1 240 MPa[4]。如此高的沖擊壓力足以清洗、切割甚至破壞巖石、金屬之類的堅硬材料。換言之，空化射流可以將普通連續射流的壓力等級提高1～2個數量級。

3.2 技術優勢

空化水射流技術具有以下優點：①節約能源，利用廉價的自來水或工業用水為介質，從而節省大量的清洗劑或噴沙，使清洗成本大為降低；②無環境污染，對人體沒有傷害，屬于綠色環保產品；③清污效率高，經一次清洗后，銹蝕、油漆、防腐涂層即可去除，無需二次處理；④對設備、工件等具有一定保護性，不改變工件表面物理機械性能；⑤便于清洗形狀和結構復雜的各種設備和零部件；⑥不受場地、天氣條件的限制，可隨時隨地作業；⑦易于實現機械化、自動化，清洗效率高。

由于空化水射流清洗技術具備上述優勢，具有非常廣闊的開發與應用前景。

4 空化水射流技術的應用案例

4.1 選用設備和主要技術指標

選用國內某研究所研制的電動空化清洗系統，其主要技術指標如表1所示。

表1 電動空化清洗系統主要技術指標

4.2 清洗對象

(1)石油平臺。主要清洗石油平臺樁腳的海洋污損生物，污損生物以海蠣子為主；水上部分海洋污損生物厚度達到10 cm，水下部分海洋污損生物厚度普遍達到30 cm左右，最厚處達到50 cm。

(2)海警船舶。主要清洗海警船舶底部的海洋污損生物，污損生物以貝類為主，厚度約為10 cm。

4.3 清洗過程

(1)人員要求。甲板操作人員1名，水下操作人員1名。

(2)操作要求。選取平潮期進行作業；清洗方式：將噴槍槍頭與清洗目標物表面相切面成10°夾角；水下作業安全距離：潛水員在水下佩戴潛水手套距離噴頭20 cm；噴射距離：槍口距污損生物10 mm左右噴射效果最佳。

4.4 結論

(1)石油平臺。在海況允許的情況下，平潮期作業每天使用時間約為4～6 h，設備有效使用時間約為200 h；在此期間空化水清洗系統運行正常，高壓槍槍頭出水壓力保持在17 MPa左右，清洗效率基本穩定在10 m2/h；基本上對石油平臺樁腿上附著的污損生物進行有效清洗，清洗效率在90%以上。

(2)海警船舶。同樣選取平潮期作業，設備有效使用時間約為6 h；工作期間空化水清洗系統運行正常，實際清洗效率為30～50 m2/h；可以對船底污損生物進行有效清洗，清洗效率在95%以上，并且沒有對船舶漆面造成損傷。

5 展望

海洋污損生物的清除技術具有廣闊的發展前景，既可以軍用(如清掃各種戰艦和潛艇)也可以民用(如清掃商船、鉆井平臺等海洋設施)。與美國等發達國家相比，我國的清除技術還比較落后，尤其是空化水射流技術，對其研究目前僅停留在理論階段。

空化射流清洗技術是一種切實可行的新型清洗技術，可以在不破壞設施表面完整防腐層的基礎上，高效、安全地清洗水下設施表面附著的海洋生物污垢層。鑒于空化水射流技術具有較大優勢，今后研究的關鍵技術主要在于空化射流噴嘴的設計和ROV自動控制系統的研制方面。

5.1 空化射流噴嘴設計

空化射流要求在噴嘴中誘發氣泡，并使氣泡在接觸到靶面時發生潰滅而產生沖洗力。誘發氣泡的關鍵則是要產生一個低壓區，形成低壓區主要有3種方式：液體對于固壁的繞流、不穩定的界面(以淹沒射流為代表)的剪切作用以及流場(指風琴管等內部的流場)的自激振蕩。因此，結合形成低壓區的3種方式設計高效的空化射流噴嘴非常關鍵[5]。

5.2 ROV自動控制系統研制

由于大型船體或海底建筑設施的清洗對效率和質量要求較高，應將整個清洗系統智能化、集成化，即做成水下自動清洗機器人。目前國外已經研制出成型的水下自動清洗機器人并進行良好應用。一般的壁面機器人需要實現吸附和自由移動兩個功能，而水下清洗ROV除需具備這兩個功能外，還要滿足自動識別已清掃和未清掃區、自動規劃路徑等功能需求[6]。這些都是今后ROV自動控制系統的研究方向。

[1] 胥震，歐陽清，易定和.海洋污損生物防除方法概述及發展趨勢[J].腐蝕科學與防護技術，2012，24(3)：192-198.

[2] 李鋒.空化水射流船舶清洗技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3] 王萍輝.空化射流在管道清洗中的應用[J].電力科學與工程，2002，21(4)：21-24.

[4] 夏寶瑩，劉望，鄭金豹.空化射流清洗技術及其在水下設施清洗中的應用[J].油氣儲運，2011，30(10)：729-731.

[5] 周文會.高壓水射流噴嘴內外部流場的數值模擬研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

[6] 任夢鴻.水下船體表面清刷機器人復合吸附方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

Application of Cavitation Water Jet in the Fields of Marine Fouling Organisms Removal

ZHANG Liting，ZHANG Ying，XU Dong，SU Jie

(North China Sea Marine Technical Support Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China)

The paper analyzed the harm of marine fouling organisms and summarized the removing methods of marine fouling organisms. It was concluded that cavitation water jet is a new removal technology without destroying the surface of equipment in the process. In the future, the key point of cavitation water jet will be the design of nozzle and development of automatic control system about ROV.

Marine engineering technology，Remote Operated Vehicle，Marine Fouling Organisms Removal，Automation，Marine science and technology

2016-04-14；

2016-07-25

張麗婷，高級工程師，碩士，研究方向為海洋高新技術集成與應用，電子信箱：bhjszx_ywk@bhfj.gov.cn

P741

A

1005-9857(2016)08-0070-03