鋼結(jié)構(gòu)半封閉空間噴砂用設(shè)備

楊鋒

（南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226001）

噴砂是一種常用的表面處理技術(shù)，它采用壓縮空氣為動(dòng)力，將磨料從噴砂槍內(nèi)高速噴射到待處理的鋼結(jié)構(gòu)表面，有效果好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但一些狹小的半封閉鋼結(jié)構(gòu)空間的噴砂很成問(wèn)題。如果僅為半封閉空間但不狹小，其噴砂是很容易的，例如船舶的艙室，因?yàn)槿藛T可以進(jìn)入操作，磨料也很容易清除。但狹小的半封閉空間的噴砂就極為困難，一是沒(méi)有太多回旋余地而施展不開(kāi)，二是難以清砂。鋼結(jié)構(gòu)半封閉空間的形式多種多樣，典型的有3種：第一種類似于船用起重機(jī)的伸縮臂內(nèi)壁的箱體結(jié)構(gòu)，第二種是工程機(jī)械的小型液壓油箱，第三種為鋼制管道或者內(nèi)部形狀與之類似的圓形或矩形管狀物。

1 鋼結(jié)構(gòu)半封閉空間的常規(guī)噴砂

在上述3種典型的半封閉鋼結(jié)構(gòu)空間中，鋼制管道是最常見(jiàn)的，在石油化工、市政建設(shè)等工程中有廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)每年因管道腐蝕造成大量的經(jīng)濟(jì)損失[2]。故專用于管道內(nèi)壁的噴砂裝置早已得到研究和開(kāi)發(fā)。如圖1所示，管道內(nèi)壁噴砂裝置由主體部分、行走機(jī)構(gòu)和噴砂部分所組成。

圖1 管道內(nèi)壁噴砂裝置Figure 1 Sketch of a sandblasting equipment for internal walls of pipeline

管道內(nèi)壁噴砂裝置的中心被稱為主體結(jié)構(gòu)，它連接其他各個(gè)部分。噴砂管從主體結(jié)構(gòu)中間穿過(guò)，是輸送磨料以及驅(qū)動(dòng)磨料用壓縮空氣的管道，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)磨料經(jīng)過(guò)噴砂管并從管口噴出。行走機(jī)構(gòu)由滾輪和支撐組成，令裝置能在管道內(nèi)壁行走。噴砂管的最前端有一個(gè)錐形頭，磨料噴出后會(huì)噴射到錐形頭上，并通過(guò)錐形頭向周圍散射，從而均勻地打在管道內(nèi)壁。但這款裝置是專門針對(duì)鋼制管道設(shè)計(jì)的，它很難作用于非鋼制管道的半封閉空間。

對(duì)于非鋼制管道(類)半封閉鋼結(jié)構(gòu)空間，通常需要噴砂與打磨等其他工藝相結(jié)合。半封閉空間不是全封閉的，通常都有一個(gè)小孔能夠讓噴砂槍深入其中進(jìn)行噴砂，難以噴砂的地方主要是反口和側(cè)面，尤其是反口。船舶分段T型鋼強(qiáng)肋骨以及一些舾裝件、工程機(jī)械的液壓油箱是較為典型的結(jié)構(gòu)。船舶分段強(qiáng)肋骨的反口噴砂處理難度雖然不大，但這種結(jié)構(gòu)幾乎在所有的船舶分段都存在；而液壓油箱的數(shù)量在鋼結(jié)構(gòu)中所占的比重雖不大，但它的反口很難進(jìn)行有效的噴砂，并且液壓油箱的涂裝極為重要。相關(guān)調(diào)查顯示，由液壓系統(tǒng)所引發(fā)的機(jī)械故障率達(dá)70%～80%[3]，液壓油污染是主要原因之一[4]。液壓油受到污染的一個(gè)重要原因是液壓油箱的表面處理和涂裝缺陷導(dǎo)致的涂層剝落和銹蝕，雖然液壓油本身有防腐的作用，但液壓油內(nèi)混入水分(尤其是在潮濕的作業(yè)環(huán)境中)就會(huì)加速銹蝕[5]。液壓油箱本身對(duì)涂層厚度的要求不高，一般只涂裝一道底漆，膜厚不超過(guò)100 μm，但對(duì)表面處理和涂裝質(zhì)量要求很高[6]。液壓油箱表面處理和涂裝的難點(diǎn)主要在于空間狹小、密閉。

對(duì)于上述較難噴砂的鋼結(jié)構(gòu)反口部位，處理的方法主要是利用反彈磨料進(jìn)行清理，在這種鋼結(jié)構(gòu)中，噴砂槍可對(duì)著正前方直接噴砂，而對(duì)于噴砂槍側(cè)面的區(qū)域，噴砂槍進(jìn)入小孔后可盡量斜著，讓磨料以一定的角度射向鋼材；至于反口區(qū)域，噴砂槍對(duì)著正面噴砂，讓噴砂的磨料反彈到反口區(qū)域，但此時(shí)的動(dòng)能會(huì)有明顯的損失。噴砂后磨料的清理常用刷子掃或以吸塵器、電磁鐵吸?？紤]到磨料的影響，半封閉空間的噴砂應(yīng)先噴底部，再噴側(cè)面，最后噴頂部。因?yàn)閲娚斑^(guò)程中，磨料會(huì)在半封閉空間沉積，如果先噴頂部的話，磨料在底部沉積后會(huì)影響底部和側(cè)面的噴砂，增加清理磨料的次數(shù)，可能還會(huì)有很多區(qū)域噴砂不合格，就算再用打磨等方式對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行表面處理，效率和效果都較噴砂差。對(duì)于這些反口的區(qū)域，需要涂裝對(duì)表面處理要求比較低的涂料，在造船業(yè)比較常用的兩種涂料為國(guó)際油漆的Intergard 251環(huán)氧磷酸鋅底漆和Intergard 269環(huán)氧連接漆。

在考察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有企業(yè)嘗試過(guò)對(duì)噴砂槍進(jìn)行改造，但效果不理想，并且沒(méi)有找到更好的解決辦法，故沒(méi)有采用。主要辦法是把噴砂頭做成彎的，這樣就能夠?qū)?cè)面和反口進(jìn)行更好的處理。不同場(chǎng)合下，噴砂頭的彎曲程度也可以不同。通過(guò)在噴砂槍口設(shè)置螺紋，再利用螺紋連接一段有長(zhǎng)柄且彎曲的噴砂頭(長(zhǎng)柄與噴砂頭為一體)，根據(jù)不同的需要來(lái)連接彎曲程度不同的噴砂頭。

按實(shí)際需要來(lái)選擇不同規(guī)格的噴口和握把，這樣就有很多種產(chǎn)品組合，會(huì)給企業(yè)增加很大的負(fù)擔(dān)。筆者對(duì)握把及噴頭進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，企業(yè)只要買不同長(zhǎng)度、不同規(guī)格的握把，再選購(gòu)不同彎度的噴頭，通過(guò)螺紋連接即可。圖2a所示的噴砂頭彎度小，用于側(cè)面部分的噴砂；圖2b所示的噴砂頭彎度大，用于反口部分的噴砂。這種改造的弊端在于對(duì)側(cè)面噴涂時(shí)，彎度過(guò)小就起不到很好的效果，因?yàn)榧词箛娍跊](méi)有彎度，斜著對(duì)側(cè)面進(jìn)行噴砂也能起到不錯(cuò)的效果，而對(duì)反口噴涂時(shí)如果彎度過(guò)大，噴砂過(guò)程中動(dòng)能的損失就太大，達(dá)不到應(yīng)有的噴砂效果。

圖2 對(duì)噴砂槍的簡(jiǎn)單改造Figure 2 Simple transformation of sandblasting gun

針對(duì)彎管噴砂頭的噴砂動(dòng)能損失，研究了一種與拋丸器相結(jié)合的新型噴砂槍；針對(duì)類似伸縮臂結(jié)構(gòu)的半封閉空間的噴砂困難，研究了一種半封閉空間輔助噴砂機(jī)器人；針對(duì)磨料清理的困難，研究了一種磨料清理裝置。以上3項(xiàng)技術(shù)全部申報(bào)了發(fā)明專利，并均進(jìn)入了實(shí)質(zhì)審查階段[7-9]。

2 一種帶有拋丸頭的噴砂槍

為了解決噴砂槍槍口磨料噴出的動(dòng)能衰減問(wèn)題，可以在噴砂槍端口位置增加一個(gè)類似于拋丸機(jī)拋丸頭的拋丸裝置，圖3就是這種裝有拋丸裝置的噴砂槍。該噴砂槍將噴砂槍與拋丸機(jī)的拋頭相結(jié)合，相當(dāng)于把拋丸機(jī)的拋丸頭安裝在噴砂槍上。拋丸機(jī)的拋丸原理是用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪體旋轉(zhuǎn)，靠離心力的作用將鋼丸拋向工件的表面，拋丸機(jī)內(nèi)部安裝有多個(gè)拋丸頭。噴砂槍下部裝有一個(gè)小型拋丸頭(比拋丸機(jī)用的拋丸頭小得多)，也可以理解成由拋丸頭來(lái)代替噴砂頭，起到噴砂頭的作用。拋丸頭由外殼、葉輪、電機(jī)等組成，磨料通過(guò)握把內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)被送進(jìn)拋丸頭，輸送的過(guò)程同噴砂過(guò)程一樣利用了壓縮空氣，再通過(guò)拋丸頭內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將磨料拋出。磨料同時(shí)受到壓縮空氣的噴射作用以及葉輪的拋射作用，所以這是一種噴砂和拋丸相結(jié)合的裝置，通過(guò)拋丸頭的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)磨料增添動(dòng)能來(lái)抵消噴砂頭彎曲帶來(lái)的動(dòng)能損失。

圖3 帶有拋丸頭的噴砂槍Figure 3 Sketch of a sandblasting gun with an impeller head

因?yàn)閲娍诒容^朝上，所以方便對(duì)反口進(jìn)行噴砂處理，但也有個(gè)弊端，就是如果操作不當(dāng)，磨料容易打到人身上。故為了安全起見(jiàn)，在握把上安裝一塊擋板(如圖3所示)，用來(lái)阻擋磨料。上述噴砂槍在噴砂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的后坐力。為了抵消或者減少后坐力的影響，可以在下部安裝支撐，使用時(shí)將支撐頂在鋼結(jié)構(gòu)上，就像槍托一樣。

3 半封閉空間輔助噴砂機(jī)器人

從圖4的上部可以看出，伸縮臂內(nèi)壁上部在完成涂裝工作一段時(shí)間后出現(xiàn)了銹蝕。出現(xiàn)這種情況有的是因?yàn)樯炜s臂內(nèi)壁沒(méi)有進(jìn)行有效的涂裝，甚至有大面積漏噴，銹蝕部位周圍的涂層厚度不達(dá)標(biāo)；有的則是因?yàn)樯炜s臂內(nèi)壁沒(méi)有進(jìn)行有效的噴砂，導(dǎo)致涂層剝落，這種情況下銹蝕部位周圍的涂層厚度通常達(dá)標(biāo)，在箱體內(nèi)能夠看到脫落的涂層。對(duì)于因涂裝問(wèn)題造成的銹蝕，筆者之前研究過(guò)針對(duì)半封閉空間的涂裝設(shè)備和方法，開(kāi)發(fā)了一款輔助噴涂支架和輔助噴涂機(jī)器人[10-11]。于是采用與之類似的方法，制作了一種輔助噴砂支架和輔助噴砂機(jī)器人。它們的結(jié)構(gòu)類似，噴砂機(jī)器人是在噴涂支架的基礎(chǔ)上增加了相應(yīng)的設(shè)備，該組件與管道內(nèi)壁噴砂裝置結(jié)合，使之能用于鋼結(jié)構(gòu)半封閉空間的噴砂。

圖4 伸縮臂副吊臂內(nèi)壁的涂裝缺陷Figure 4 Defect of the coating on internal walls of an auxiliary telescopic jib

首先要對(duì)管道內(nèi)壁噴砂裝置進(jìn)行改造，拆除其行走機(jī)構(gòu)，再將管道內(nèi)壁噴砂裝置與連接桿相連，通過(guò)連接桿將管道內(nèi)壁噴砂裝置伸入鋼結(jié)構(gòu)的半封閉空間之中，最后打開(kāi)噴砂泵進(jìn)行噴砂作業(yè)。這種方法對(duì)半封閉空間內(nèi)壁的噴砂非常方便，但其缺點(diǎn)是噴砂時(shí)后坐力較大，不容易保持穩(wěn)定，且時(shí)間長(zhǎng)了操作人員會(huì)感到疲勞，較適用于以石榴石對(duì)鍍鋅件的掃砂，因?yàn)榇藭r(shí)需要的氣壓很低，主要是為了在鋅層上產(chǎn)生粗糙度。如果是正常的噴砂，就需要使用如圖5所示的支架。該支架底座帶有4個(gè)滾輪用來(lái)移動(dòng)，支架就位后滾輪可以向上收齊，支架上設(shè)有2根伸縮桿，伸縮桿可通過(guò)插銷調(diào)節(jié)高矮(不需要太過(guò)精確)，伸縮桿副桿上有圓環(huán)可讓連接桿插入。在連接桿后面連一根繩子，噴砂時(shí)將連接桿伸入伸縮桿副桿上的圓環(huán)中，一邊噴砂一邊拉動(dòng)繩子就可以了，操作極為方便。因?yàn)閲娚斑^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的后坐力，所以輔助噴砂支架的底板上需要放置一些重物作為配重，以防止支架在后坐力作用下發(fā)生移動(dòng)。

圖5 半封閉空間輔助噴砂支架Figure 5 Sketch of an auxiliary support for sandblasting the semi-closed space

如果要自動(dòng)化操作，只需如圖6所示，加入自動(dòng)化控制的絞車系統(tǒng)，組成半封閉空間輔助噴砂機(jī)器人即可。其原理就是設(shè)置一個(gè)根據(jù)程序自動(dòng)控制拖動(dòng)的絞車，絞車由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)由PLC(可編程控制器)自動(dòng)控制，絞車平臺(tái)上也連有連接桿，同樣可以通過(guò)連接桿上的插銷調(diào)整高度，絞車系統(tǒng)的底盤和支架一樣，由4個(gè)可以收起的輪子組成。這種機(jī)器人系統(tǒng)造價(jià)非常便宜，鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)基本都能承受。

圖6 半封閉空間輔助噴砂機(jī)器人Figure 6 Sketch of an auxiliary robot for sandblasting the semi-closed space

4 半封閉空間的磨料清理

除了鋼制管道以外，半封閉空間內(nèi)的磨料清理是一大問(wèn)題。液壓油箱還好一點(diǎn)，用刷子、電磁鐵之類操作的話，工作量并不大。但對(duì)于類似于伸縮臂的半封閉箱體空間，因?yàn)橥ǔ?nèi)部會(huì)存在很多筋板，磨料會(huì)被截留，非常難清理。這正是目前鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)遇到的主要困難。為此，特研究了這款半封閉空間吸砂機(jī)器人，如圖7所示。目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)所用的磨料基本都是鐵質(zhì)磨料，故可以通過(guò)電磁鐵來(lái)進(jìn)行磨料的清理。

圖7 半封閉空間吸砂用設(shè)備Figure 7 Sketch of a sand collecting equipment for semi-enclosed space

該機(jī)器人的核心部件是中間的箱體，箱體上方設(shè)有一個(gè)開(kāi)口，開(kāi)口內(nèi)設(shè)置帶有一定傾斜的滑道，滑道末端與一收集桶相連，磨料進(jìn)入滑道后沿著它滑落至收集桶內(nèi)。箱體通過(guò)一套能夠上下、前后伸縮的伸縮桿固定于帶有滾輪的底座上，通過(guò)調(diào)節(jié)底座和伸縮桿來(lái)將箱體伸入半封閉空間內(nèi)。箱體的前端裝有一個(gè)能夠360°旋轉(zhuǎn)的曲柄，電磁鐵安裝在曲柄頂端，電磁鐵與曲柄的連接部位可設(shè)置伸縮桿，一邊能夠伸到半封閉空間的任意位置，這一過(guò)程可通過(guò)測(cè)距儀或程序編寫來(lái)控制。電磁鐵在360°沿箱體旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中吸附磨料，電磁鐵除了位于正上方時(shí)之外全程通電，位于正上方時(shí)電磁鐵斷電而失去磁性，磨料脫落后掉進(jìn)滑道。操作時(shí)需要注意不要讓曲柄打到筋板上，同時(shí)確保曲柄在伸縮桿收縮后能通過(guò)筋板。

5 結(jié)語(yǔ)

具有不規(guī)則半封閉空間的鋼結(jié)構(gòu)雖然較少，但對(duì)其進(jìn)行有效噴砂也是必要的。本文涉及的相關(guān)技術(shù)能夠提高鋼結(jié)構(gòu)半封閉空間內(nèi)噴砂的質(zhì)量和效率。