王建強(qiáng)

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

近年來我國承接了全球近70%的修船工程量，中國修船能力升級，大型船舶改裝能力明顯提升，加之修船價格上的競爭力，基本具備成為世界修船中心的硬件條件。但是，修船業(yè)被視為傳統(tǒng)的“3D”(Dangerous、Difficult、Dirty)行業(yè)，特別是噴砂作業(yè)帶來的大量粉塵被常年詬病。

曾經(jīng)出現(xiàn)過長江沿岸一家修船企業(yè)的除銹垃圾直接落江事件，該事件引起了政府的高度關(guān)注，長江經(jīng)濟(jì)帶上的多個省市開展了針對修船行業(yè)的環(huán)保整改工作。中國修船行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型勢在必行。

目前，國內(nèi)以舟山萬邦永躍船舶修造有限公司為首的企業(yè)在超高壓水船殼表面預(yù)處理方面通過引進(jìn)設(shè)備等方法已經(jīng)取得一定的成效，已經(jīng)基本取代了傳統(tǒng)的噴砂作業(yè)，應(yīng)用船舶已累計超過300艘。

要想用超高壓水除銹取代傳統(tǒng)噴砂作業(yè)，就必須開展超高壓水射流綠色除銹成套裝備和標(biāo)準(zhǔn)研究，解決超高壓水射流除銹成套裝備配套研發(fā)，解決設(shè)備“卡脖子”的問題，才能提升我國綠色修船技術(shù)水平，加速我國船舶修理行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，徹底根治船舶修理除銹施工現(xiàn)場粉塵，實(shí)現(xiàn)企業(yè)發(fā)展與社會自然的友好融合。

1 綠色修船表面處理工藝技術(shù)主要類型

修船過程中的表面處理工藝技術(shù)主要有以下幾種：高壓水射流除銹、冰粒子除銹，以及激光除銹等。

高壓水射流除銹分為純高壓水和磨料射流除銹。

1.1 超高壓水射流除銹

超高壓水射流除銹是將普通自來水通過高壓泵進(jìn)行加壓，然后通過特殊的噴嘴，以極高的速度(200～500 m/s)噴出能量高度集中的水流進(jìn)行除銹，經(jīng)過霧化以后還可以有效降低粉塵濃度，是一種非常環(huán)保的方法，該技術(shù)在對除銹后的污水進(jìn)行相關(guān)處理后不會對環(huán)境造成污染[2]，見圖1。

圖1 超高壓水射流除銹

1.2 磨料水射流除銹

磨料水射流是在高壓水中加入磨料，混合形成的介質(zhì)射流，利用由噴嘴小孔高速噴出只需要30～50 MPa即可達(dá)到除銹的目的，除銹后,細(xì)磨料與物面碰撞為粉末，便于隨水流排放而不沿積[1]。

1.3 激光除銹

激光除銹指利用激光的高能量、集中性高的特點(diǎn)，通過激光照射，使得污垢、氧化皮、銹斑、有機(jī)涂層等吸收激光能量后，以熔化、氣化揮發(fā)、瞬間受熱膨脹并被蒸氣帶動脫離基體表面，從而達(dá)到凈化基體表面目的的除銹方法。

1.4 冰粒噴射除銹

采用低溫冰粒噴射取代噴砂，是利用冰粒直接噴射以達(dá)到清洗、脫漆，以及除銹等目的。

相比較而言，高壓水射流除銹從操作角度和適用性角度來看，更適合綠色修船。高壓水射流除銹的關(guān)鍵點(diǎn)就在高壓泵機(jī)組。

2 綠色修船用超高壓泵機(jī)組研制

2.1 超高壓泵機(jī)組的整體設(shè)計

超高壓水射流除銹工藝的工況特點(diǎn)是超高壓大流量，超高速度(200～500 m/s)，超高壓泵液力端過流部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動參數(shù)需要與射流工況進(jìn)行相應(yīng)匹配，以實(shí)現(xiàn)超高壓泵液力端及相關(guān)部件的整體布局及同等零部件長壽命的詳細(xì)整體設(shè)計，其中需要解決的關(guān)鍵問題有以下幾個難點(diǎn)問題。

1)超高壓泵承壓部件可靠性及使用壽命問題。

2)超高壓往復(fù)泵間隙與填料組合密封結(jié)構(gòu)、往復(fù)密封冷卻潤滑結(jié)構(gòu)，并對密封材料選型。

3)超高壓泵進(jìn)排液閥組的安裝、維護(hù)，以及修復(fù)技術(shù)問題。

4)解決超高壓泵機(jī)組全程作業(yè)的無極控制，以無級調(diào)壓與控制為內(nèi)容的系統(tǒng)控制，集信息采集、處理、反饋、調(diào)節(jié)于一體，通過人機(jī)對話界面實(shí)現(xiàn)成套裝備的變工況集中控制與調(diào)節(jié)。

2.2 需要解決的技術(shù)問題

通過分析超高壓水的流場動力特性，找出超高壓工況下水介質(zhì)的壓縮性、破壞性對超高壓泵過流部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。針對超高壓水射流除銹工藝超高壓大流量的工況特點(diǎn)，開展與水射流工況匹配的超高壓泵液力端中高壓缸體、超高壓柱塞、密封副、進(jìn)排液閥組等過流部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動參數(shù)的設(shè)計，進(jìn)行超高壓泵液力端及相關(guān)部件的整體布局分析及同等零部件長壽命的詳細(xì)整體設(shè)計。

2.3 技術(shù)方案

設(shè)定超高壓泵機(jī)組排出壓力300 MPa、流量52 L/min的射流工況，采取理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，分析設(shè)計工況參數(shù)的超高壓水流態(tài)及流動特性，找出不同過流通徑下的超高壓水壓力損失變化規(guī)律。

描述能量損失的伯努利方程為

(1)

式中：v1、v2為管道內(nèi)水流速，m/s；p1、p2為管道內(nèi)水壓力，MPa；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度；h為理論能量損失。

光滑管湍流超高壓水射流泵組的能量損失h1可以描述為

(2)

式中：l為管道長度，m；D為管道內(nèi)徑，m；v為管道內(nèi)水流速，m/s。

通過理論計算和高壓流體模擬試驗，通過對300 MPa超高壓工況下水介質(zhì)的壓縮性的特性分析，分析其對超高壓泵的高壓缸體容積設(shè)計、高壓柱塞往復(fù)運(yùn)動參數(shù)調(diào)整等方面的影響。

液力端作為超高壓泵產(chǎn)生水射流工況的核心結(jié)構(gòu)，主要由多組的進(jìn)排液閥、高壓缸體、高壓柱塞等關(guān)鍵部件構(gòu)成。依據(jù)前述設(shè)定的300 MPa超高壓水流體特性核算，以超高壓泵設(shè)計的理論流量參數(shù)為目標(biāo)，確定液力端中進(jìn)排液閥組、高壓缸體、高壓柱塞等關(guān)鍵部件的相互關(guān)聯(lián)、材料與工藝、量化主參數(shù)。借助已有高壓泵及液力端的系列化開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合超高壓泵的額定壓力參數(shù)，設(shè)計高壓柱塞的直徑參數(shù)和設(shè)定較低的高壓柱塞往復(fù)次數(shù)，把柱塞線速度降到近許用值，再根據(jù)一組高壓缸體等過流部件輸送的理論流量，設(shè)計高壓柱塞的行程和高壓缸體的有效容積；針對每組進(jìn)排液閥組，根據(jù)超高壓流體特性確定閥組的過流通徑和設(shè)計閥芯的升程。

2.4 超高壓泵承壓部件可靠性及延壽

300 MPa、52 L/min超高壓泵承壓部件的強(qiáng)度校核，根據(jù)彈性理論，應(yīng)當(dāng)采用拉美公式計算，計算周向應(yīng)力σt，徑向應(yīng)力σr和軸向應(yīng)力σx，見圖2。

圖2 超高壓泵承壓部件受力示意

(3)

式中：pi為內(nèi)壓；p0為外壓；Di為內(nèi)徑；D0為外徑。

通過相關(guān)計算可以得出徑比K曲線見圖3。

圖3 徑比K值曲線

表1為C.L.Kobrin按照國際標(biāo)準(zhǔn)材料強(qiáng)度的分級。

表1 材料強(qiáng)度分級

根據(jù)相應(yīng)的計算對材料進(jìn)行針對性的選型，對于超高強(qiáng)度鋼，必須經(jīng)過特殊的熱處理工藝后(固溶和時效)，才能達(dá)到最大的抗拉強(qiáng)度及表面硬度。根據(jù)零件的工作狀況，確定合適的熱處理方法和工藝參數(shù)，以保證部件的可靠性并延長使用壽命[2]。

對于熱處理方法，可引入激光淬火技術(shù)，通過對激光功率、激光束掃描方式與速度、光束尺寸與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件/密封件表面耐磨性提升的相關(guān)性的分析；通過激光合金化改性技術(shù)，開展合金化材料與基體材料的匹配、基體與組元的選擇、合金化程度的控制、合金化層裂紋的控制、改性層不平整度控制和表面波紋的控制等方面的攻關(guān)，使材料實(shí)現(xiàn)高性能表層改性，達(dá)到零件成本與工件性能的最佳結(jié)合，實(shí)現(xiàn)延長承壓部件的使用壽命。

2.5 超高壓泵的往復(fù)密封技術(shù)

超高壓泵可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一是超高壓往復(fù)動密封。針對300 MPa超高壓往復(fù)密封，以一級浮動套筒間隙密封和二級填料密封相結(jié)合的往復(fù)動密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使高壓流體經(jīng)過套筒間隙節(jié)流降壓，利用套筒內(nèi)外部壓差使得套筒彈性變形，以形成“難以加工的間隙”，使得柱塞與套筒間處于水膜狀態(tài)，形成穩(wěn)態(tài)壓力降，否則會使密封副相互抱死。進(jìn)而對降壓后的流量利用填料阻止密封泄露。

采用整體硬質(zhì)合金制造的柱塞，優(yōu)點(diǎn)是整體硬度高，材料均勻密實(shí)等，但是材料脆硬，加工困難，故需要采取模擬計算和試驗相結(jié)合的方法，確定浮動套筒的材料、結(jié)構(gòu)、變形量及所受超高壓工況等因素與形成液膜之間的關(guān)系，找出柱塞的硬化與韌性、對中與浮動、調(diào)節(jié)與偏差等矛盾關(guān)系，分析填料往復(fù)密封尺寸、高壓柱塞往復(fù)線速度等參數(shù)對往復(fù)密封效果的影響。

柱塞速度過高，密封副摩擦生熱，形成不流動的水膜，很快就會抱死；速度過低，液力端行程長、尺寸大，而且排出端的壓力脈也大。

(4)

式中：Vm為活塞(柱塞)平均速度，m/s；S為活塞(柱塞)行程長度,m；n為泵速，r/min。

經(jīng)驗表明，Vm取值范圍為0.2～0.25 m/s，這樣泵速n最好在130～150 r/min，且以小值為好[3]。

2.6 超高壓泵進(jìn)排液閥組的設(shè)計與制造

根據(jù)進(jìn)排液閥的受力及升程等技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮進(jìn)排液閥的結(jié)構(gòu)及自重，解決與閥芯導(dǎo)向配合的閥簧直徑、壓縮長度及有效圈數(shù)等參數(shù)與進(jìn)排液閥啟閉靈敏性的影響問題，開展閥簧的材料選型及制造工藝探索，確保閥芯及閥簧的靈敏動作和降低出現(xiàn)閥芯卡澀的情況。針對每套進(jìn)排液閥組中的閥芯與閥座，材質(zhì)選用具有高強(qiáng)度、良好韌性及耐蝕性的硬化不銹鋼，采用配對制造和配合使用，應(yīng)用特殊處理工藝實(shí)現(xiàn)閥芯、閥座密封面適當(dāng)硬度差，保證進(jìn)排液閥組的可靠密封。

2.7 無級控制超高壓泵機(jī)組的全程作業(yè)

超高壓泵機(jī)組控制系統(tǒng)的技術(shù)路線有恒速控制和恒壓控制兩種方式。恒速控制方式下，通過人機(jī)界面設(shè)定或更改變頻器輸出頻率，使超高壓泵在一定的頻率下恒速運(yùn)行，保持恒定的流量和壓力。恒壓控制方式下，通過人機(jī)界面設(shè)定和更改高壓泵輸出壓力，由控制軟件調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值，并使超高壓泵自動保持在設(shè)定壓力下運(yùn)行。恒速控制為開環(huán)控制，而恒壓控制為閉環(huán)控制。以變頻調(diào)速控制為核心，控制系統(tǒng)通過在泵機(jī)組的各監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置的壓力變送器、溫度變送器、壓差開關(guān)、液位開關(guān)等檢測元件監(jiān)控泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時進(jìn)行故障報警和保護(hù)。

2.8 超高壓泵機(jī)組長周期安全運(yùn)行

針對提升超高壓泵機(jī)組安全性的技術(shù)要求，確定超高壓泵的輸出水壓、吸入水壓、往復(fù)密封潤滑、動力端油壓及油溫等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的特征安全參量合理范圍，設(shè)計關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)檢測接口和完成相應(yīng)的傳感器選型，研發(fā)超高壓控制閥等超高壓泵機(jī)組的安全保護(hù)裝置，確定關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)報警條件下超高壓泵機(jī)組安全保護(hù)裝置的響應(yīng)機(jī)制，制定超高壓泵機(jī)組關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的檢測監(jiān)測、信號輸送，以及反饋保護(hù)的控制邏輯。

3 結(jié)論

如何降低修船過程中對環(huán)境的影響，淘汰落后的打砂工藝，技術(shù)變革勢在必行，設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)則是實(shí)現(xiàn)綠色修船的有力技術(shù)保障。幾種除銹方式相比較而言，超高壓水射流除銹更適合修船企業(yè)，而超高壓水射流除銹設(shè)備主體部件-超壓泵體中的承壓部件壽命、柱速與密封是關(guān)鍵工藝難點(diǎn)，基于對部件的可靠性及使用壽命考量，對于材料的選型、材料工藝處理方法的選擇都提出了更高的要求。本文的設(shè)計思路和方法，為相關(guān)設(shè)計提供參考。