船舶除锈技术的研究与发展综述

第8卷第11期中国水运Vol.8No.112008年11月ChinaWaterTransportNovember2008收稿日期：2008-09-23作者简介：王兴如（1965-），男，大连海事大学船舶机电装备研究所在读博士研究生。船舶除锈技术的研究与发展综述王兴如，衣正尧，弓永军，王祖温（大连海事大学船舶机电装备研究所，辽宁大连116026）摘要：介绍了超高压水射流技术的发展状况。对美国、欧洲和中国等国家船舶除锈技术的研究现状进行了综述。重点论述了国内外超高压水射流船舶除锈技术的工程应用、技术创新以及理论研究。结合世界修造船业的发展趋势和我国修造船业的发展需求，探讨了船舶除锈技术的发展方向及有待于解决的问题。关键词：船舶；除锈；超高压；水射流；爬壁机器人；修造船中图分类号：U672.7+2文献标识码：A文章编号：1006-7973（2008）11-0013-03一、引言船舶除锈是船舶涂装施工的第一步骤，只有对钢材进行良好的表面前处理，才能使涂层达到预期的保护效果。统计结果显示，影响涂层寿命有以下几点因素：钢铁表面除锈质量49.5%；涂装工艺条件26.5%，涂层厚度19.1%；涂料种类4.9%[1]。可见，涂装前钢材表面处理的质量是影响涂层保护性能的关键因素。目前，国外较先进的除锈工艺是利用高压水射流对金属表面进行除锈[2]，从而取代干喷砂工艺，取得了较好的应用效果。二、超高压水射流除锈技术应用与现状超高压水射流除锈具有成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点。其实质是由高压泵产生高压水经喷头喷射出高速水流，具有极高的能级密度，对除锈对象进行冲蚀、剥蚀、切除、打击以达到除锈的目的。它具有高效、节能、无污染、无腐蚀，设备通用性强，除锈成本低的优点[3]。日本、欧美等发达国家在70年代以前主要采用化学方法进行船舶除锈，自70年代末开始发展高压水射流除锈技术。到目前为止，超高压水射流除锈已经成为西方发达国家的主要除锈技术。新型射流如脉冲射流、空化射流和磨料射流的相继出现，增加了切割、剥离、破碎等能力，提高了水射流除锈质量[4]。高压水射流清洗技术自上世纪80年代中期传入我国以来，在90年代中期得到迅速普及。随着社会对船舶除锈行业提出的效率、洁净率及环保要求的提高，高压水射流船舶除锈技术在我国的应用日渐广泛。三、高压水射流船舶除锈设备研究现状随着社会环保力度的加大，及仿生学、微机电一体化、新型驱动器、高分子材料等新技术、新理论的应用，在先进的超高压水射流船舶除锈成套设备中，执行系统多采用环保、安全、高效的除锈爬壁机器人，超高压水射流船舶除锈爬壁机器人的研究和研制已经引起了国内外企业和专家的重视。高压水射流船舶除锈成套设备系统构成如图1所示。图1高压水射流船舶除锈系统构成1．美国美国国家航宇局喷气推进实验室研制出永磁吸附船舶除锈爬壁机器人M2000。在2001年到2002年的六个月里，M2000在不同码头累计除掉了30000m2的船体锈层[5]。该实验室的Cohen教授和XiaoqiBao博士在船舶除锈检测方面做了大量的研究和试验，对除锈机理进行了深入地分析，采用了锈层厚度检测技术，分别对涡流法传感器、磁性法传感器和超声波传感器进行了试验，并进行了对比，结果显示超声波传感器检测效果最佳，检测精度可达微米级，检测数据可时时采集。通过超声波传感器时时检测锈层厚度并及时反馈，除锈机器人及时地修正了超声波水射流除锈的能量，起到了较好的除锈节能效果。图2超声波发生器2000年，Cohen教授和XiaoqiBao博士提出超声波可以加强水射流的除锈能力，理由是：在水中应用超声波会产生多种破坏涂层锈层的力量。早在1965年，英国的Brown教授和Goodman教授就提出了超声波清洗能够在瞬间集中能量产生破坏性的气穴，并产生数百度高温来熔化掉被清洗的物质，同时，产生的高压水蒸气能够将被清洗物质表面的残渣清洗掉[6]。2000年，Cohen教授和XiaoqiBao博士做了超声波射流理论实验。实验设备：口径10cm的超声波发生器；表面附1mm厚锈层的10mm厚钢板。超声波产生的强高温、14中国水运第08卷强拉剪应力，引起钢板表面1cm2的损坏。如图2、3所示[7]。图3钢板实验样本表面2．欧洲德国Hammelmann公司研制的船舶除锈设备有手持喷枪及清洗器、自动除锈车和除锈爬壁机器人。如图4所示[8]。（a）Hammelmann手持喷枪、清洗器及其除锈效果（b）Hammelmann自动除锈车及其除锈效果（c）Hammelmann爬壁机器人及其除锈效果图4Hammelmann船舶除锈成套设备Hammelmann自动除锈车如图4中（b）所示，该车除锈快、效率高、环保、除锈质量好、整车移动方便。该设备水射流压力工作在2800bar下，流量72L/min，工作高度在0.5m～28m之间。Hammelmann船舶除锈爬壁机器人真空吸附、轮式、电机驱动。机器人水射流工作压力为3000bar，水射流流量为50L/min，以清洗盘为框架，单清洗盘真空吸附，真空压力-0.8bar，两驱动轮电机驱动，能够在船舶壁面曲率复杂的情况下自如运动[9]。（a）EFTCoR框架（b）EFTCoR除锈试验（c）EFTCoR船体除锈（d）EFTCoR除锈结果图5EFTCoR船舶除锈成套设备西班牙卡塔赫纳科技大学著名的DSIE（DivisionofElectronicsEngineering&Systems）研究室Iborra教授等学者研制出了轨道式悬臂除锈爬壁机器人“EFTCoR家族”系列[10]。该系列机器人有对船舶竖直壁面、曲面以及底面全方位除锈的强大功能。轨道式船舶除锈设备采用了塔架框架支撑爬壁方式，机器人配有轨道式升降架，主要工作在船舶两侧广阔的竖直壁面。Iborra教授等学者对所研制的“EFTCoR家族”机器人进行了大量的现场实验，除锈效果如图5所示[11]。3．中国合肥通用机械研究院薛胜雄研究员研制了超高压水射流船舶除锈成套设备系统。系统由高压水泵组系统，真空回收系统和爬壁除锈机器人系统组成，结构如图6所示[12]。除锈爬壁机器人采用真空吸附。成套设备工作时，高压泵机组为除锈爬壁机器人提供超高压水，在射流自身反冲力作用下喷头旋转除锈，除锈后的水和锈渣从真空管回收。图6合肥通用船舶除锈机器人爬壁机器人包括步进电机驱动行走系统、真空腔与配管、超高压旋转喷头、控制柜与手控制盒。在机器人上拖带着电缆、真空管和超高压水管。机器人最大行进速度为46.3mm/s，真空腔直径为330mm，除锈宽度300mm，自重55kg，除锈等级可达Sa2.5[13]。图7合肥通用船舶除锈设备除锈效果返锈是影响船舶除锈技术效果的一个重要因素。图7为爬壁机器人除锈效果近景图片，钢板呈现出的均匀的“白金”本体，而且即除即干（此时钢板的表面温度为750C，射流温度为820C）。这一不返锈现象对表面预处理船舶除锈技术是至关重要的。大连海事大学船舶机电装备研究所开展了船舶除锈爬壁机器人系统研究，研制出超高压水射流船舶除锈爬壁机器人，如图8所示。爬壁机器人采用履带式行走机构，永磁吸附方式，重73kg，最大行进速度为50mm/s，超高压水射流工作压力为2500bar，最大射流流量23L/min。将进一步进行综合试验。第11期王兴如等：船舶除锈技术的研究与发展综述15图8大连海事大学船舶除锈爬壁机器人四、船舶除锈技术未来发展趋势（1）水射流除锈是主流。水射流不会造成二次污染，清洗过后无特殊要求不需进行清洁处理，无有害物质排放与环境污染问题。可以清洗形状和结构复杂的物件，能在空间狭窄、恶劣的场合进行作业，清洗快速、彻底。水射流技术环保、无污染、工作环境友好，是船舶除锈未来发展的主流。（2）开发高性能的除锈成套设备。对成套设备的空间要求、移动便捷要求、控制简单要求、及管件连接简易要求等，都将推动船舶除锈成套设备性能的提高。空间小、移动方便的移动汽车式船舶除锈成套设备和船舶除锈爬壁成套设备已经被欧美等大型企业研制，将进一步发展。船舶除锈设备将向更大功率、更高压力、更完善成套功能等方向发展。（3）完善爬壁除锈执行机构。研制高安全性、高可靠性、高灵活性的爬壁除锈设备仍然是世界各国研究船舶除锈技术的主要目标。当前，世界各国将船舶除锈研究的关键技术逐渐转移到爬壁除锈设备上来，老牌欧美发达水液压大型企业和著名科研院所在船舶除锈爬壁执行机构方面成果显著，然而，设备的工作安全性、吸附可靠性驱动灵活性以及经济性将成为船舶除锈爬壁设备发展的瓶颈。（4）引入混合除锈理论。单纯的超高压水射流除锈，除锈压力高，达到2000bar以上，这对于高压泵要求高，泵的成本随之增加，且降低了泵组系统安全性。采用超声波、脉冲自激射流等水射流混合除锈，将降低除锈压力，降低泵组成本，提高安全性能。（5）深入水射流除锈机理研究。超高压水射流的流场数学模型复杂，参数之间的关系紊乱，不利于计算，难以取舍，针对超高压水射流的破锈机理，建立可信可靠的数学模型的方法需要深入研究。另外，超高压流场的规律性、间隙密封理论、系统的能量损失、管路及泵组材料受超高压的弹性变形等问题都需要进一步研究。（6）提高除锈质量检测手段。除锈质量检测方法和检测手段是正确评价除锈成套系统性能优劣的关键。先进的除锈质量检测技术和反馈技术应用于除锈成套系统，在除锈机器人本体上实现除锈程度在线时时检测，对提高成套系统的除锈性能有着深远的意义。（7）优化喷头等关键部件。喷头是超高压水射流除锈成套系统的除锈核心元件，喷头的结构直接影响系统除锈效果。喷嘴处产生的射流空化现象，在射流除锈中很重要，因此，需要不断对喷头和喷嘴的设计进行优化，确立高标准的优化目标，得到效果好的优化参数，设计出高质量的喷头。（8）探讨预防返锈的方法。由于超高压水射流的作用介质是纯水，除锈后船壁钢材表面容易返锈，因此，需要进行快速干燥处理。目前，船厂和船坞多采用用干布擦干水分、风干暴晒、或高压空气吹干等方法。这些方法工作效率低，影响了除锈的效果。因此，预防船壁表面除锈后返锈也将成为一个重要的研究课题。六、结论目前，随着世界经济格局的变化，世界修造船中心逐渐东移，我国修造船业发展的空间很大。船舶除锈是造船的关键环节，是修船的重要组成部分，造船和修船业的迅猛发展必然带动船舶除锈技术的快速发展，对船舶除锈技术的要求也越来越高。通过对国内外船舶除锈方法和船舶除锈设备的分析，可以预见，超高压水射流除锈是未来船舶除锈的主流，超高压水射流船舶除锈成套设备有着广阔的应用前景。参考文献[1]佐藤靖.防锈、防蚀涂装技术[M].陈桂富，黄世督，译.化学工业出版社，1987.[2]RehbinderG.SomeAspectsoftheMechanicsofErosionofRodswithaHighSpeedWaterJet[C]//SymposiumOnJetCuttingTechnology.Chocago：May1976.[3]杨林，唐川林，张凤华.高压水射流技术的发展及应用[J].洗净技术，2004，2（1）：9-13.[4]廖振方，陈德淑，邓晓刚.脉冲空化射流清洗船壳[J].清洗世界，2003，19（12）：21-23.[5]COHENBY，BAOXQ，DOLGINB，etal.ResidueDetectionforReal-timeRemovalofPaintfromMetallicSurfaces[OL].[2008-06-26].http：//ndea.jpl.nasa.gov.[6]BROWNB，GOODMANJE.High-IntensityUltrasonics[M].London：IndustrialApplicationsBooksLtd，1965.[7]COHENBY，BAOXQ，MARZWELLN.UltrasonicPaintLooseningandReal-timeThicknessGaugingSystemforEnhancementofWaterjetPaintStripping[P].