基于高壓水射流的船體清洗機器人關鍵技術分析

陳成剛

摘要：在船舶長期航行或拋錨過程中，如果沒有對其進行及時的保養和維護，那么就會產生大量的海洋垃圾附著在水面以下船體的船壁上，導致船舶壁面十分粗糙，航行時的阻力大大增加，航速也會明顯下降，從而會增加大量的油耗。一搜附著大量海生物的船舶會比日常油耗要高出2-3倍。以往清理船體的方式通常需要占用船塢，投入成本較高，而且工作強度也非常大，工作人員的作業環境也十分惡劣，而機器人技術的出現，取代了以往潛水員在水下的工作任務，在船壁的表面能夠更加靈活的移動，在一定程度上降低了船舶清潔工作的作業成本，有效提高了工作效率。本文主要介紹了水下清洗機器人的類型，并提出高壓水射流清洗技術與其相結合的應用措施。

關鍵詞：高壓水射流;船體清洗機器人;真空吸附;磁力吸附;附著物

我國海運業是國家經濟發展中的關鍵產業，我國外貿貨物運輸量占據世界海運貿易總量的25%。像礦石、外貿集裝箱等物資都是通過海運來完成的，而運輸船體的體積非常大，運輸距離較遠，船舶長時間浸泡在含鹽度極高的海水中，船體很容易出現銹蝕，大量的海洋生物會附著在船壁上，對航行時的速度產生了嚴重影響，油耗急劇增加，運輸成本因此大大提高，船舶整體的使用壽命也會受到影響。而爬壁清洗機器人的出現在一定程度上減輕了船壁清洗工作人員的負擔，并且體現出了節能環保的生態理念，所以在日常機器人管理時可將高壓水射流清洗技術應用其中，以此來確保爬壁機器人能夠高效清理船壁垃圾，確保船舶能夠長期保持健康的航行狀態。

一、船體清洗機器人的主要類型

（一）真空吸附清洗機器人

真空吸附原理一般都是應用真空泵來完成工作，在吸盤腔內產生足夠的負壓或者利用排水漿來分開水流，進而能夠形成內外壓差。應用此技術的清洗機器人能夠強力吸附到船壁上，因此對于船舶的材料沒有特殊要求，能夠廣泛應用于各種船體清潔工作中[1]。這種機器人能夠有效驅動渦輪葉片，形成一定的真空度，確保機器人能夠吸附在船體表面的同時，能夠有效去除覆蓋在船體表面的藻類，對于一些附著比較嚴重的污垢還可以通過橡膠刷來進行清晰，進而實現全面清潔的效果，通常情況下真空吸附清洗機器人的清潔速度能夠達到1.5m2/min，但是缺點就是會對船體的涂層造成一定的損壞，而且船體長期浸泡在海水中，船體表面會產生一定程度的形變，另外船體一般在建造過程中通常都是分段焊接而成，長期航行會出現突起的焊縫，由于表面的突起，會使真空吸附清洗機器人的吸盤容易發生泄漏，導致吸附力不足，對于一些附著嚴重的污垢無法有效清除。

（二）磁力吸附清洗機器人

應用磁力吸附技術的船體清洗機器人最為可靠，具體可以分為永磁吸附和電磁吸附兩種類型。永磁吸附指的是依靠磁性材料本身的吸附特點，磁性能力越強，吸附就會更加牢靠，特別是對于一些在航行過程中工作的水下機器人十分適用，因為水面下的情況十分復雜，船舶航行過程中產生的水體流動能夠對機器人產生一定的沖擊，所以在這時候，永磁吸附是清洗機器人首選的方式。但是由于磁性吸附清洗機器人整體構造十分緊湊，磁吸附能力存在上限，所以磁體產生的磁力會對導航定位系統產生一定的影響，很難對結構部位進行深度清理。而正是由于這樣的缺陷，電磁吸附技術由此誕生，應用電磁吸附技術能夠使清洗機器人靈活地與船體進行分離，同時通過改變電流大小還能夠控制磁力強弱，進而在水下作業中實現靈活地轉向。但是電磁系統可能會在水下發生失靈，機器人會分離墜下。所以電磁吸附機器人需要船體壁面擁有良好的導磁性[2]。

二、高壓水射流機器人清洗技術

（一）空化水射流清洗技術

空化水射流清洗技術指的就是在水射流技術中融入空化作用，是一種新型的水下設備清洗技術，也就是利用人為的方法，使水射流中形成高密度的空化泡，利用空化泡來產生極大的沖擊力來清洗附著在船體上的堅硬污垢和海生物。該技術不僅具備環保、節能等優點，能夠在不傷害原有防腐層的基礎上，全面清洗螺旋槳等復雜區域。我國曾在2016年成功研發出了水下鋼結構海生物清理機器人。該機器人應用了四驅輪式的驅動方式，在四個輪上都有安裝磁性吸附材料，能夠在不平整的表面運作時形成相對穩定的吸附力和一定的障礙跨越能力，同時還裝載了空化水射流清洗設備，能夠對船體鋼結構表面的污垢進行高效清理，同時該清洗機器人還裝載了兩個水下攝像頭，操作人員能夠根據反饋圖像來遙控機器人進行運動。

（二）船塢高壓水射清洗技術

船塢高壓水射清洗技術指的是在船舶進入船塢之后，由清洗工作人員手持高壓清洗裝備，利用高壓泵來清洗船舶附著物。在船舶航行過程中，由于航行周期不同，船體附著物的狀況也有所不同，所以根據附著物的情況來應用高壓水射清洗技術能夠形成最佳的清洗效果[3]。比如在普通清洗過程中，清洗裝備的壓力要調節到70MPa。在除銹過程中，工作壓力要調節到220MPa。然而對于航行周期較長的船體而言，長期的浸泡會在船體生成大量藤壺類生物，藤壺會每隔一段時間蛻皮一次，在蛻皮過程中會分泌出一種黏性極強的初生膠，其中包含著大量的生化成分，黏合力非常強，因此如果高壓水射清洗力度不足，就很難將其清理，而壓力過大又很容易在清理藤壺生物的同時破壞船體的油漆面，因此對于此類生物的清洗效果很不明顯。

除此之外，高壓水射清洗技術在清洗過后不會造成污染，不會對設備進行二次損傷，由于清洗技術能量過大，能夠依靠強大的水流來清洗附著物，所以不需要添加任何清潔劑，就能夠徹底清除污垢，所以清洗成本較低，總體成本大約只有化學清洗方式的三分之一。從本質來看，高壓水射清洗技術屬于一種低成本的環保技術，與消防用水方式不同，該技術的用水方式屬于細流噴射。但是高壓水射技術無法在清洗之后保證船體干燥，所以殘留的水分很容易造成二次生銹，對后期工藝產生了一定的影響，因此應用范圍存在局限性。

（三）水下高壓水射清洗技術

船舶在進塢之后的清洗成本較高，同時還會消耗大量的時間，在不經意間就增加了船舶停航時的運營成本，而且我國目前船塢的容量無法滿足清洗市場的實際需求，所以探索靈活的水下清洗技術十分重要[4]。而水下高壓水射清洗方式能夠在船舶航行過程中進行清洗，規避了船塢緊張的不利情況，這樣清洗工作的間隔能夠通過人為來進行控制，附著物存留于船舶表面的時間較短，對船體的產生的影響就會較小。對此，將水下爬壁機器人與高壓水射流清洗技術相結合，能夠讓機器人帶著高壓水射流槍頭在水下靈活活動，進而實現全面清洗附著物的目標。這樣就能夠避免潛水員在水下清洗作業的危險性，也能不受任何環境因素的限制，即使在航行過程中也能夠進行及時清洗。

結束語：

綜上所述，在船舶航行過程中船壁通常會附著很多難以清楚的海洋生物和污垢，而傳統的清洗工作會投入大量的成本和勞動力，而且清洗效果也很不理想，而高壓水射流清洗技術和水下清洗機器人技術的出現，為船舶的清理和維護工作提供了更加便捷的條件，對此相關技術部門應該充分將這兩種技術結合在一起，結合船舶航行周期以及船舶附著物的情況進行分析，選擇合適的清洗技術，以此來延長船舶的使用壽命，促進我國海運貿易產業的發展。

參考文獻：

[1]汪琿.水下智能清洗機器人“服役”[J].民生周刊，2020（18）：80.

[2]邢瑤，謝穎，蔣紹博.水下清洗機器人總體方案及實現[J].昆明冶金高等專科學校學報，2019，35（05）：50-58.

[3]朱旭鋒，林關成，廖俊杰，史天.基于3D打印的船舶清洗機器人造型設計與實踐[J].信息與電腦（理論版），2019，31（19）：120-122.

[4]陳光明，黃旋.基于高壓水射流的船體清洗機器人關鍵技術分析[J].流體機械，2019，47（09）：56-62.

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