陳遠(yuǎn)剛，劉 鶴，陳海江

（1.招商局重工（深圳）有限公司，深圳 518054；2.友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

傳統(tǒng)的船舶打砂除銹是高污染作業(yè)，特別是在完全敞開(kāi)的船塢內(nèi)打砂，漫天沙塵飛揚(yáng)，污染范圍大，不僅對(duì)空氣污染嚴(yán)重，對(duì)人體產(chǎn)生較大傷害，同時(shí)也對(duì)海洋產(chǎn)生嚴(yán)重污染。因此，修船廠需要全面升級(jí)除銹工藝，使用超高壓水除銹替代打砂除銹，達(dá)到綠色、環(huán)保、無(wú)污染效果。

船舶除銹清洗超高壓水機(jī)是先進(jìn)的除銹設(shè)備，能極大的改善船塢內(nèi)作業(yè)環(huán)境，不僅將空氣污染降至最低，還能對(duì)超高壓除銹水及其廢渣進(jìn)行回收處理及再利用，滿足綠色環(huán)保要求，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本文以原有超高壓水機(jī)為研究對(duì)象，簡(jiǎn)述其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中遇到的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，達(dá)到更加安全、可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)效果。

2 原超高壓水機(jī)裝置組成及原理

2.1 裝置組成

超高壓水機(jī)組成，主要包括：設(shè)備集裝箱、公共基座、超高壓泵、電機(jī)、控制機(jī)柜、空壓機(jī)、增壓泵、水箱及其他管路電氣附件。設(shè)備集裝箱采用鋼質(zhì)材料焊接而成，底部及頂部均布有角件，底部有叉車槽，方便遠(yuǎn)程運(yùn)輸及吊運(yùn)。

水機(jī)內(nèi)部基座安裝有超高壓泵、電機(jī)、彈性聯(lián)軸器及其保護(hù)罩，還安裝有空壓機(jī)、增壓泵及空氣過(guò)濾器。所有的這些零部件及其連接附件使基座成為整體，基座下方連接有橡膠減震墊，減震墊上下方分別經(jīng)過(guò)高強(qiáng)螺栓與基座及集裝箱底板連接固定，達(dá)到減震效果。

原水機(jī)主要設(shè)備參數(shù)：超高壓泵流量23 L/min、最大壓力3 200 bar、工作壓力3 000 bar；電機(jī)功率160 kW、轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

2.2 裝置原理

超高壓水機(jī)的原理是利用船廠現(xiàn)有的工業(yè)淡水管網(wǎng)，通過(guò)軟管供水至超高壓水機(jī)；淡水經(jīng)過(guò)超高壓水機(jī)粗濾器進(jìn)行過(guò)濾，去掉多余的大顆粒雜質(zhì)；經(jīng)過(guò)濾后的水再進(jìn)入水箱，水箱里的水到超高壓泵需要分成幾路。首先是主要進(jìn)入超高壓泵的水，要經(jīng)過(guò)精濾器過(guò)濾，過(guò)濾合格的水經(jīng)過(guò)水質(zhì)傳感器檢測(cè)合格后進(jìn)入超高壓泵；水在進(jìn)水超高壓泵之前，須經(jīng)過(guò)旁通閥及電磁閥啟動(dòng)，再經(jīng)過(guò)空氣壓力傳感器帶動(dòng)空壓機(jī)啟動(dòng)，把多余的空氣抽掉，保證進(jìn)去的水不含雜質(zhì)及空氣；超高壓水機(jī)電機(jī)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)超高壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，使泵腔里的水達(dá)到3 000 bar 工作壓力值，經(jīng)過(guò)高壓軟管輸出到除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與超高壓水軟管連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在超高壓水的驅(qū)動(dòng)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)、噴射，完成超高壓水除銹清洗等工作；另外，水箱里的水經(jīng)過(guò)另一條管路對(duì)超高壓泵液壓油進(jìn)行冷卻，保證超高壓泵能更長(zhǎng)久的工作。超高壓水機(jī)原理圖，見(jiàn)圖1。

圖1 超高壓水機(jī)原理圖

3 原超高壓水機(jī)缺陷

超高壓水機(jī)經(jīng)過(guò)幾年的除銹作業(yè)，發(fā)現(xiàn)其在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺陷，具體如下：

（1）布置方面：布置雜亂，存在安全隱患，造成材料浪費(fèi)、成本增加；解決方案：將功能分區(qū)，合理布置內(nèi)部空間，方便操作及維修。

（2）結(jié)構(gòu)方面：外型尺寸太大，底盤結(jié)構(gòu)太小、太?。唤鉀Q方案：優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，增強(qiáng)底部結(jié)構(gòu)，防止變形、腐蝕。

（3）應(yīng)用方面：能耗過(guò)大，造成浪費(fèi)；散熱不及時(shí)，影響設(shè)備性能穩(wěn)定，增加維修成本；不能有效防塵防水，影響內(nèi)部設(shè)備使壽命；多余功能達(dá)不到效果，反而增加設(shè)備負(fù)擔(dān)；解決方案：優(yōu)化設(shè)備及材料，去除冗雜功能，增加監(jiān)測(cè)功能，安全監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)。

4 原超高壓水機(jī)優(yōu)化

針對(duì)原超高壓水機(jī)上述缺陷，經(jīng)過(guò)不斷的修改及優(yōu)化，使超高壓水機(jī)更加滿足船廠使用要求，達(dá)到最大節(jié)能減排效果。圖2 為優(yōu)化后超高壓水機(jī)布置圖，從圖2中可知，內(nèi)部空間得到了很大的改善，布置合理，安全可靠。

圖2 超高壓水機(jī)優(yōu)化布置圖

4.1 布置優(yōu)化

（1）控制機(jī)柜及變頻器

原控制機(jī)柜是布置在設(shè)備基座上，基座上有超高壓泵、連接水管，再加上水箱倒掛在半空，水、電不分開(kāi)存在安全隱患；優(yōu)化后，變頻器及控制柜都布置在槽型艙壁上，遠(yuǎn)離水箱，并且都懸空高于水箱，電纜沿著艙壁布置，不僅布局合理，還安全可靠；控制機(jī)柜及變頻器布置在集裝箱艙壁，基座成撬在另一側(cè)，中間位置留有操作人員通道，對(duì)水機(jī)操作更加安全可靠，維修更加方便。

（2）水箱

原水機(jī)有部分水箱布置在設(shè)備上方或是在遠(yuǎn)離基座布置，從布置管線及安全角度考慮都不是最優(yōu)方案。為此將水箱布置在基座上，高度低于電氣設(shè)備及其電纜，并且遠(yuǎn)離變頻電機(jī)，避免懸空漏水風(fēng)險(xiǎn)，極大的保護(hù)了設(shè)備；同時(shí)，水箱與超高壓泵相鄰布置，縮短連接距離，減少管附件材料，空間布置更加合理，簡(jiǎn)潔美觀，維修保養(yǎng)方便。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）水機(jī)尺寸

為了方便集裝箱車運(yùn)輸，參考標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸，保證底部角件位置能落于集裝箱車上鎖緊，可進(jìn)行安全遠(yuǎn)程運(yùn)輸，優(yōu)化后高度也能夠保證運(yùn)輸過(guò)程中不超過(guò)道路4.2 m 限高要求。

（2）水機(jī)底盤結(jié)構(gòu)

由于水機(jī)箱體內(nèi)部安裝了成撬基座及變頻器、控制柜等，超高壓水機(jī)在使用過(guò)程中變頻電機(jī)及超高壓泵高速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)；并且超高壓水機(jī)在作業(yè)前會(huì)使用叉車叉到船塢塢邊，作業(yè)結(jié)束后又要叉車轉(zhuǎn)運(yùn)回車間保養(yǎng)維修，頻繁使用叉車轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)底盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，因此在水機(jī)組裝過(guò)程中，對(duì)超高壓水機(jī)底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其強(qiáng)度能滿足要求；同時(shí)，加大底盤結(jié)構(gòu)也起到了耐腐蝕作用，延長(zhǎng)水機(jī)底盤的使用壽命；加高底部的強(qiáng)框架橫截面積，同時(shí)也將其板厚增厚約4 mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求。

4.3 應(yīng)用優(yōu)化

（1）變頻電機(jī)

將電機(jī)優(yōu)化為變頻電機(jī)，并增加變頻器，主要作用是：

① 節(jié)能：當(dāng)遠(yuǎn)端的除銹執(zhí)行機(jī)構(gòu)在除銹過(guò)程中，由于離開(kāi)船殼或是空轉(zhuǎn)移位等非接觸船殼表面作業(yè)時(shí)，變頻能夠自動(dòng)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，減少功耗；

② 實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)及快速制動(dòng)：可在低速低電壓?jiǎn)?dòng)，能更好的保護(hù)電機(jī)；

③ 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化：運(yùn)行速度隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同工況進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，安全可靠；

④ 減少機(jī)械磨損：在變頻調(diào)速中，停止方式可以受控，并可根據(jù)需求選擇，減少變頻電機(jī)軸等的沖擊磨損，使整個(gè)系統(tǒng)，壽命相應(yīng)增加，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；

⑤ 可調(diào)轉(zhuǎn)矩極限：通過(guò)變頻調(diào)速后，可設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩極限來(lái)保護(hù)機(jī)械不受損壞，保證除銹過(guò)程的連續(xù)性和可靠性，可控制除銹精度。

（2）水箱材料

塑料水箱散熱慢，對(duì)冷卻后的回流水不能及時(shí)降溫，導(dǎo)致水箱中的水溫變高，再次進(jìn)入超高壓泵會(huì)影響泵頭的精密零部件受損，比如密封橡膠等；長(zhǎng)時(shí)間的高溫也會(huì)導(dǎo)致泵頭結(jié)垢，結(jié)垢后的泵頭在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易磨損，同時(shí)，長(zhǎng)期高溫也會(huì)影響泵頭疲勞強(qiáng)度，縮短其使用壽命。因此將超高壓水機(jī)的水箱改為不銹鋼，水溫散熱快，性能及效果得到了很大的改善。

（3）百葉窗

百葉窗優(yōu)化為可關(guān)閉式的，操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)控，作業(yè)時(shí)，打開(kāi)百葉窗進(jìn)行通風(fēng)散熱；非作業(yè)時(shí)，關(guān)閉百葉窗，防止超高壓水機(jī)進(jìn)灰，進(jìn)而保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。

（4）加料裝置

原設(shè)備為了凈化工業(yè)淡水，在不銹鋼水箱前端安裝了加料裝置，若進(jìn)入水箱的水含鹽量達(dá)到需求值，提高電導(dǎo)率；但加料后的水隨溫度變化容易結(jié)晶，在泵頭位置隨著使用時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)垢就會(huì)越多，柱塞結(jié)垢需要經(jīng)常拆解維修，耗費(fèi)人力物力，影響生產(chǎn)進(jìn)度。經(jīng)多次對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)，得知水的含鹽量滿足超高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)需求，不用額外補(bǔ)充。因此，去掉加料裝置，不但改善了超高壓泵的功能，還節(jié)省了成本且更簡(jiǎn)潔可靠。

（5）增加智能監(jiān)控系統(tǒng)

利用設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)，可在車間集控室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有水機(jī)的位置分布及狀態(tài)，包括水機(jī)運(yùn)行、待機(jī)、離線、報(bào)警、維保，也包括流量、壓力、油壓、油溫、冷卻液溫度信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可針對(duì)相關(guān)狀態(tài)作出遠(yuǎn)程應(yīng)急處理操作，同時(shí)也能統(tǒng)籌協(xié)調(diào)所有水機(jī)，方便統(tǒng)計(jì)水機(jī)使用情況，達(dá)到最優(yōu)化使用。

4.4 優(yōu)化效果

優(yōu)化后的水機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，性能得到很大的提升；我司水機(jī)應(yīng)用變頻電機(jī)后，預(yù)計(jì)可節(jié)省電約142 萬(wàn)度電/年，節(jié)省維修工時(shí)約1 500 小時(shí)/年，取得了較大經(jīng)濟(jì)效益，并全面推進(jìn)升級(jí)了超高壓水除銹工藝。圖3 為優(yōu)化后的超高壓水機(jī)圖。

圖3 優(yōu)化后超高壓水機(jī)

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)原超高壓水機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，徹底改變了傳統(tǒng)高污染的船舶打砂除銹工藝。使用超高壓水除銹新工藝。通過(guò)超高壓泵產(chǎn)生超高壓水射流，連接高壓管傳送到噴盤或噴槍等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)于船體表面除銹，消除了揚(yáng)塵污染，極大的改善了作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了綠色、環(huán)保效果。

同時(shí)，在超高壓水機(jī)應(yīng)用優(yōu)化過(guò)程中，結(jié)合船廠實(shí)際作業(yè)情況，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)工作原理及布置，使超高壓水機(jī)性能完全滿足船廠需求，并達(dá)到降本節(jié)能、安全效果。

積極推進(jìn)發(fā)展超高壓水除銹工藝，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境理念，踐行綠色修船的行業(yè)戰(zhàn)略和美麗中國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。