激光除銹技術在海洋工程建造領域中的應用

王彥濤

(中海油(天津）管道工程技術有限公司，天津 300452)

1 引言

在海洋工程建造范圍不斷擴大的背景下，海洋工程鋼質構筑物銹蝕問題得到了人們的大力關注。因長時間在高腐蝕性環境內服役，海洋工程鋼質構筑物對除銹技術具有較高的要求。高壓水清洗、打磨、噴砂等傳統除銹工藝具有勞動強度大、二次污染嚴重、處理效果不佳的問題，且存在返銹風險。而激光除銹技術可以高效清潔除銹，確保海洋工程鋼質構筑物表面清潔度達到Sa1/2級，返銹概率較低。因此，分析激光除銹技術在海洋工程鋼質構筑物中的應用具有非常突出的現實意義。

2 激光除銹技術原理

激光除銹主要是借助高峰值功率激光照射銹蝕位置，在銹蝕位置吸收激光能量后溫度會在短期內上升到較高的水平，進而在高溫下出現氣化、膨脹、松弛、熱振動、熱沖擊、聲波震碎等物理反應，最終致使銹蝕體、基體脫離，在去除銹蝕體的基礎上確?；w完整性。激光除銹過程本質上是鋼質構筑物基材表面克服形狀異變的過程，作用過程如見表1。

表1 激光除銹作用過程

激光除銹技術又可稱之為環保除銹方法，可以在將激光能量輻射到金屬表面銹層的同時引發相關系數變化，配合高強度沖擊波直接擊碎銹層，確?；臒o損傷。應用激光除銹技術時，基本原理是借助并適當控制腐蝕散斑、物體基體之間的差異化熱參數，如激光脈寬、激光頻率密度、激光能量、激光溫度等[1]，促使高強度光束、銹層、短脈沖激光之間發生光物理反應。在光物理反應中激光器發射的高強度光束可被銹層表面吸收，銹層因吸收過多能量而在短時間膨脹為高度電離的不穩定氣體(等離子體），為沖擊波的產生提供依據。沖擊波則可以破碎銹層并促使銹層剝落，配合足夠短的光脈沖寬度，在達到短時間除銹目標的同時，提高金屬材料表面的抗氧化性。

3 激光除銹技術概述及其在海洋工程中的應用價值

3.1 激光除銹技術概述

激光除銹技術隸屬于激光清洗技術領域，首次出現于20世紀70年代，兼具發散角小、相干性好、能量高度集中的優良特點。在脈沖激光技術發展的推動下，不同波長、類型的激光器，逐步進入工業領域，如建筑材料、軌道交通、電子電器、五金工具、機械制造、船舶等。

相較于傳統高壓水清洗、打磨、噴砂等除銹工藝，激光除銹技術可以擺脫鋼質構筑物表面形貌的干擾，精準劃定銹跡位置，實現激光無阻礙輻射。進而實現無接觸遠距離除銹，對工件物理破壞較小。同時激光除銹技術可以與數控技術相結合，自動執行鋼質構筑物表面銹跡去除作業，實現低強度、選擇性除銹，僅消耗電力能源，無二次污染，成本較低。而相較于化學腐蝕清洗、機械摩擦清洗、高頻超聲清洗、液固強沖擊清洗等傳統除銹方式來說，激光除銹技術兼具安全可靠、多功能、無污染、自動控制優勢，可以促進不同厚度與成分的涂層氧化鐵鱗片剝落，并將高價鐵氧化物還原為低價氧化物，加速全部銹層剝落。

3.2 激光除銹技術在海洋工程中的應用價值

3.2.1 確保海洋工程安全

金屬材料銹蝕問題是海洋工程開發過程中面臨的重要風險問題之一。由金屬材料銹蝕引發的安全事故給整個海洋工程造成了極大的打擊，如鉆井平臺樁腿焊縫在海水波浪荷載反復作用下銹蝕傾倒致人員死亡； 鉆井平臺海底閥門銹蝕致原油溢出危害環境； 輸油管道與排水暗渠交匯位置管道銹蝕減薄致人員傷亡等。而通過激光除銹技術的合理應用，可以預先去除鉆井平臺樁腿、鉆井平臺海底閥門、輸油管道與排水暗渠交匯位置管道銹蝕，降低海洋銹蝕引發的安全風險。

3.2.2 提升海洋工程經濟效益

我國大陸海岸線長達1.8×104km，擁有管轄海域3.0×106km2，海洋資源開發成為決定我國經濟實力的重要因素之一。在海洋工程開發中需要大量應用金屬材料，而金屬材料的固有屬性決定了其在海洋環境中的銹蝕現象高發。在海洋工程中恰當應用激光除銹技術，可以降低海洋工程中金屬材料因銹蝕而損耗的概率，進而確保海洋工程中有限礦產資源的高效應用，為廣闊富饒海洋資源開發經濟效益提升提供充足支持。

3.2.3 確保海洋工程工期進度

海洋環境是銹蝕性風險因子較多的自然環境，作為強腐蝕性電解質溶液的海水 (氯化鈉+ 氯化鉀+ 溴+ 碘+ 氧氣+氮氣+ 二氧化碳）、海洋生物共同影響著海洋工程內金屬材料表面完整性、光滑性，對海洋工程整體進程也造成了較大干擾。而通過在海洋工程建造中應用激光除銹技術，可以抑制海洋工程建設用金屬材料在海洋環境中的腐蝕速度，避免海洋工程進度因金屬材料腐蝕而受阻，確保海洋工程工期進度與預期要求相符。

4 激光除銹技術在海洋工程中的應用

4.1 裝置準備

在海洋工程鋼質構筑物表面激光除銹操作前，應準備由二維直線移動工作臺、光纖脈沖激光器、氣體保護系統、工業控制計算機、激光加工頭組成的光纖激光除銹機，設備參數見表2。

海洋工程鋼質構筑物表面激光除銹裝置發出的激光光斑尺寸可調節，經工業控制機、限制器可以完成激光器、二維平臺運動軌跡的控制。除上述裝置外，還可選擇中紅外波段的二氧化碳激光器、近紅外波段的YAG 激光器、紫外波段的準分子激光器等。需要注意的是，在選擇海洋工程鋼質構筑物表面激光除銹機時，應選擇光脈沖寬度較短的設備，避免被處理海洋工程鋼質構筑物表面銹層遭到破壞性更強的熱積累。同時，因等離子體僅在激光能量密度超出閾值的情況下出現，應根據海洋工程鋼質構筑物表面銹層選擇適宜的閾值，以便在實現有效除銹目標的同時降低基底材料被破壞風險。同時，根據實際情況進行激光參數的調整，確保光脈沖能量密度處于等離子體的第一個閾值與第二個閾值之間[2]。在光脈沖能量密度超出等離子體的第一個閾值時，可以持續剔除銹層雜物直到基地層，在光脈沖能量密度小于等離子體的第一個閾值時，無法產生有效除銹效果。

4.2 激光除銹

首先，確保電源插座接觸良好且地線可靠接地，查看激光除銹頭確定激光除銹頭鏡片內層、外側均無塵土污垢。同時，查看激光除銹機整體按鈕與開關狀態，確認無誤后，經外部電源線將電力資源輸送給激光除銹機。先后打開電源插座(電源濾波、保險絲、開關三合一插座）上開關、激光除銹機上開關，打開后綠色指示燈亮起，且系統通電開始初始化。在激光除銹系統啟動完成后，任意點擊屏幕進入第一界面——待機界面。

其次，根據海洋工程鋼質構筑物表面激光除銹需求，經激光除銹機上激光功率按鈕、激光頻率旋鈕調節激光除銹機參數，并在激光除銹機顯示屏上顯示。一般可設定激光峰值功率為1 550 W，保護氣體壓力為0.5 MPa，脈沖寬度為0.2 ms，光斑直徑為1.4 mm，依據20 mm/s 的速度掃描，掃描脈沖頻率為190～530 Hz(雙軸連續可調）?；蛘咴诩{秒級脈沖激光模式下，調整最大單脈沖能量為1.5 mJ，峰值功率為20 kW，光束質量小于或等于1.8，重復頻率為2 kHz，光纖長度為5 m，場景焦距為200 mm，焦深為20 mm。

再次，參數調節完畢后，點擊待機，進入準備界面。進入準備界面后，確定手持激光除銹頭手柄上按鈕開關處于松弛狀態，按下激光除銹機上激光使能按鈕啟動開關，啟動后紅色指示燈亮起，準備正式除銹。

最后，戴上激光防護眼鏡，手持除銹槍對準海洋工程鋼質金屬件銹層，手動按下手持激光除銹頭手柄上按鈕，經激光除銹槍頭出光進行除銹工作。根據激光除銹效果多道除銹。一般在點激光進行第一道海洋工程鋼質構筑物除銹加工時，可以去除表面銹蝕、局部基體金屬。此時，為了獲取不間斷的銹跡去除效果，需要在一定偏移量下進行第一道海洋工程鋼質構筑物除銹，掃描范圍大于或等于120 mm×60 mm(利用激光除銹頭上旋鈕調節），重復多次，完全清除海洋工程鋼質構筑物表面銹跡。一般在激光能量密度超過2.1 J/mm2時，海洋工程鋼質構筑物表面銹跡、油污會被完全清除，且可顯露金屬光澤，清潔度等級為Sa1/2級，粗糙度為30 μm。使用完畢后，逐次關閉激光除銹機上除銹頭旋鈕、主機開關、側面電源開關，并將激光除銹槍頭插回主機放置盒內，拔出電源開關。

需要注意的是，若在激光除銹過程中需要進行脈沖寬度、保護氣體壓力、激光峰值功率等相關參數的調整，應點擊準備鍵返回待機界面，在待機界面點擊左上角設置工具，進入參數設置界面。進入參數設置界面后，重新調整參數，調整完畢后點擊返回鍵進入待機界面，在待機界面點擊待機，開啟開關，開始除銹作業。整個除銹作業開始進程中，激光除銹頭可以固定位置除銹，也可手持式除銹，具體需要根據待除銹物品而靈活選擇。

4.3 設備維護

在激光除銹機應用過程中，應調整運行環境一定，控制供電電壓在單相220(1±10%）V 左右，且為50 Hz 或60 Hz 交流電。同時，調整激光除銹機在工作環境溫度在5 ℃以上、40 ℃以內，而激光除銹機工作環境相對濕度則小于或等于80%。

在日常使用前后，需要利用棉布清理海洋工程鋼質構筑物表面與激光除銹機的軸、輪與軌上的灰塵和異物。進而將適量潤滑油添加到激光除銹機內，進行空行的往復運動，同時向激光除銹機支座、第一反射鏡螺絲上加注少量潤滑油，便于激光除銹機維護時拆裝操作，但應避免將潤滑油加注到激光除銹機電機、傳感器、鏡片、氣管位置。在激光除銹機運動系統運行一段時間后，運動連接位置螺絲與聯軸節松動情況較為常見，對激光除銹機機械運動平穩性造成了較大的不利影響，因此，應在激光除銹機運行階段嚴密觀測傳動件異常聲響或其他不正常現象，在發現問題后第一時間進行維護，并定期利用工具逐一緊固激光除銹機連接件[3]。

激光除銹機使用完畢后，工作者應及時清理除銹廢料，清掃海洋工程現場環境與相關設備，確保海洋工程環境整齊、干凈且設備各部分無污痕雜物。對于個別精密度較高的工件，工作者應在清洗前用洗潔精或肥皂清潔雙手，戴上白色、輕薄、潔凈的手套，從側面拿去后平穩操作，避免磕碰。特別是激光除銹機光學鏡片，應在穿戴整齊的情況下，借助潔凈空氣噴槍清理鏡座內灰塵、污物，避免鏡片形狀異變影響光束質量。

5 結語

綜上所述，海洋工程鋼質構筑物表面激光除銹本質上是利用激光對工程鋼質構筑物表面進行一次加工。在激光能量密度達到2.1 J/mm2時，可以完全去除海洋工程鋼質構筑物表面的銹跡，并獲得Sa1/2級的清潔度。因此，技術人員應根據海洋工程鋼質構筑物表面銹跡的特點，選擇適宜的激光除銹裝置，規范開展多道激光除銹操作，充分發揮激光除銹技術的優勢，延長海洋工程鋼質構筑物的運行年限。