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(yè)現(xiàn)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(tǒng)工藝采用干氣噴砂，環(huán)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(nèi)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(zhì)量和速度都滿足了業(yè)主要求，但是保證磨料的干燥、連續(xù)、均勻，使其適應高空作業(yè)成為一個無法逾越的障礙，也就是說結(jié)果可行，過程不可靠。

超高壓純水射流除銹成為隨后的技術(shù)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(shù)，之后又研究了噴槍、平面清洗器、爬壁機器人等。目前，國內(nèi)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(yè);平面清洗器和爬壁機器人則鮮有應用。雙槍作業(yè)模式易造成以下誤區(qū)。

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

2)超高壓工況質(zhì)量好。這在理論上是對的，實際上工人在腳手架上作業(yè)，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(nèi)發(fā)現(xiàn)，所謂除銹，只清除了點蝕浮銹。

3)濕式除銹環(huán)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(yè)，致使艙內(nèi)水霧彌漫，能見度極低，其作業(yè)環(huán)境存在安全隱患。

2 超高壓旋轉(zhuǎn)水射流除銹機理

保質(zhì)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(shù)工況，根據(jù)作業(yè)環(huán)境采用自動化或半自動化執(zhí)行機構(gòu)。

鋼質(zhì)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(zhì)表面分為本體材料、轉(zhuǎn)變材料層和完整表面層，完整表面層又分外表層和內(nèi)表層。

圖1 鋼質(zhì)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(jù)不同除銹等級要求除至轉(zhuǎn)變材料層的程度而不破壞本體材料。

圖2所示，由于旋轉(zhuǎn)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(guī)則的銹層表面。在承受高彎矩部位，旋轉(zhuǎn)射流形成的高剪切載荷發(fā)揮著重要作用［2］。

圖2 在射流作用下不規(guī)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(zhuǎn)扭矩，由對不規(guī)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(zhuǎn)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(xiàn)個別的裂縫或凹坑現(xiàn)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(nèi)表面和甲板的除銹工藝

船艙內(nèi)表面除銹主要是針對垂直面和筋板平面，作業(yè)時在艙內(nèi)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(yè)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(tǒng)，減少水霧，改善作業(yè)環(huán)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(zhuǎn)噴頭，超高壓旋轉(zhuǎn)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(tǒng)將絕大部分水進行回收，消除了手持噴槍作業(yè)的水霧現(xiàn)象。同時產(chǎn)生的吸附力與水射流的反沖力平衡。作業(yè)時，由人工手持任意縱橫移動，一次性作業(yè)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(yè)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(tài)。

顯然，超高壓水進入旋轉(zhuǎn)噴頭，由氣動馬達強制驅(qū)動并控制其旋轉(zhuǎn)速度，此時在真空腔內(nèi)的4只噴嘴形成的旋轉(zhuǎn)水射流很好地實現(xiàn)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(zhì)量和速度的協(xié)調(diào)功能取決于平面清洗器的射流轉(zhuǎn)速能穩(wěn)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(nèi)，工作壓力保證在220～240 MPa，諸多優(yōu)勢因素聚焦于作業(yè)的鋼制表面，這是手持噴槍作業(yè)無法比擬的。

圖4 手持平面清洗器作業(yè)

真空系統(tǒng)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(chǎn)生水霧，但它比起手持噴槍作業(yè)的水霧微不足道，除銹作業(yè)環(huán)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(yè)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(qū)動)作業(yè)即可。自身重量使然，甲板除銹的即除即干效果更穩(wěn)更完美。如圖5所示，筆者已成功研發(fā)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)對馬達轉(zhuǎn)速的控制。當2臺馬達轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎運動。

附壁:機器人靠外來磁鐵和真空附壁，要求吸力產(chǎn)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(nèi)水重量)和真空吸力所產(chǎn)生的滾動摩擦力矩共同構(gòu)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(zhí)行機構(gòu)，安裝有超高壓旋轉(zhuǎn)接頭和由4只噴嘴組成的噴頭，噴頭的旋轉(zhuǎn)運動由單獨的氣動馬達驅(qū)動實現(xiàn)，噴頭的轉(zhuǎn)速可通過改變馬達氣量實現(xiàn)。

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(yè)車將其附著于表面作業(yè)。這種平面清洗器與船廠現(xiàn)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(yè)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(xiàn)。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(xiàn)重新返銹現(xiàn)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(gòu)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(shù)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(tǒng)連接，使清洗器的腔體內(nèi)形成一定的負壓，除銹作業(yè)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(zhuǎn)射流的霧化，在清洗器的真空腔內(nèi)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(fā)，造成水射流除銹即除即干的結(jié)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(jīng)對比，沒有出現(xiàn)明顯的返銹現(xiàn)象。對于船舶外壁和甲板等大面積除銹作業(yè)，用水除銹不返銹完全可以實現(xiàn)。對于內(nèi)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(nèi)修船業(yè)的水射流除銹進行了實地調(diào)查，幾乎全部采用手持噴槍作業(yè)，水花飛濺、水霧彌漫。與噴槍除銹相比，手持清洗器作業(yè)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(yè)

圖8 除銹“白金”15 h前后對比

6 除銹質(zhì)量與速度

從成本上說，船艙內(nèi)壁的除銹因為噴砂工藝實在不能繼續(xù)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?？梢哉f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(shù)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(huán)保與污染的重視為水射流工藝創(chuàng)造了機遇，既然船艙內(nèi)壁已用，甲板和外壁的應用只在一套主機上改變執(zhí)行機構(gòu)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(jié)論是:超高壓水射流是最好的表面預處理工藝，其最大雜質(zhì)界限最低，亦具有保證涂裝的粗糙度。

然而，除銹質(zhì)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(jù)，否則單說速度是沒有意義的，筆者根據(jù)實際應用經(jīng)驗得出表1數(shù)據(jù)。

表1 除銹應用經(jīng)驗

應用表明:除銹要好于除漆質(zhì)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(jié)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(nèi)艙、甲板和外壁的表面預處理工程，而且高效、安全、環(huán)保，對于甲板和外表面可在一天內(nèi)不返銹。

本文感謝友聯(lián)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(shù)工程［M］.合肥工業(yè)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.