艦船裝備涂層高效去除與清洗技術概述

何磊，況陽，羅雯軍

（1.海軍駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129；2.海軍裝備項目管理中心，北京 100071；3.中國艦船研究設計中心，上海 201108）

涂料與涂裝一直是海軍艦船防腐防污領域應用最為廣泛的技術。艦船涂料按照應用區(qū)域主要分為下船體防腐防污涂料、干舷與上層建筑涂料、甲板涂料、艙室涂料等，另外還包括其他特種功能涂料，如防火涂料、防滑涂料、阻尼涂料、耐高溫涂料、抗燒蝕涂料等。對新造艦船來說，涂裝前處理相對簡單，只需按照相應涂料的施工工藝，噴砂或打磨金屬基體至指定的前處理等級即可。然而對處于修理階段的艦船來說，涂層修復或重新涂裝前往往需要首先去除舊涂層或進行涂層清潔，保證達到涂料施工要求的前處理等級后才能進行施工。這樣，僅舊涂層去除和清潔工作就要耗費大量的人工時，使裝備入塢維修時間和維修成本相應增加，制約了艦隊快速反應能力的提升。由此，如何采用高效的涂層去除和清洗技術來提升入塢維修艦船裝備的涂裝效率，降低裝備維修成本，成為世界海軍強國關注的重點問題[1-2]。

1 激光燒蝕去除涂層技術

20世紀90年代以來，隨著美軍艦船基地級維修工作量的日益增加，艙室、干舷及上層建筑等部位無損檢測(NDT)或重新涂裝前的涂層和銹蝕物去除問題逐漸浮出水面。傳統(tǒng)的化學和機械去除涂層方法(包括脫漆劑、砂紙打磨、手動敲擊/刮削等)不僅效率低、成本高，而且會產(chǎn)生二次污染。尤其是焊縫等關鍵部位，每隔1 ~ 4年就要進行無損檢測，這些部位的涂層去除非常麻煩，并且不允許進行轉拋、噴砂、敲擊等操作。如何快速有效地去除原有涂層及銹蝕物，成為美國海軍艦船維護過程中迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

1997年，CTC公司率先研發(fā)出激光去除涂層系統(tǒng)，然而該設備由于在便攜性和可靠性上仍需大幅改進，以及存在過于昂貴、效率低下、操作維護麻煩、功能單一等問題，因此在艦船維修領域并沒有得到推廣應用，但不啻為涂層去除開辟了一條新思路。

從2005年開始，CTC公司會同美國海軍研究局、海軍金屬加工中心(NMC)、諾斯羅普·格魯曼船廠(Northrop Grumman)等聯(lián)合研發(fā)并推出了一整套激光燒蝕去除涂層的設備，主要包括2006年推出的針對狹小區(qū)域涂層/閃銹去除、表面粗化等用途的20 W背包式超級便攜設備，以及2009年推出的1 000 W手持式大功率涂層去除設備[2]。

激光燒蝕去除涂層技術(Laser Ablation Coating Cleaning Process)的原理是利用釔鋁石榴石(YAG)激光器激發(fā)脈沖激光束，通過光纖和手持式終端發(fā)射在涂層或銹蝕物表面，所產(chǎn)生的集中能量使涂層表面形成等離子體，導致涂層龜裂并形成包含氨、氮氧化物、臭氧、一氧化碳、水以及涂層碎片的氣霧，被含有活性炭的真空過濾裝置吸收。該過程的持續(xù)進行令涂層和銹蝕物從金屬基體表面剝離，從而達到將其去除的目的。由于工作過程中激光產(chǎn)生的能量大部分被金屬基體反射，因而不會對金屬基體造成燒蝕。

目前，美軍采用的激光去除涂層設備的功率范圍是20 ~ 1 000 W，供電電源從24 V電池到480 V三相電都有，脈沖激光頻率為15 ~ 40 kHz。其中，Clean Laser CL1000型1 kW手持式大功率激光去除涂層設備(見圖1)可產(chǎn)生800 kW的峰值脈沖功率。

圖1 激光燒蝕去除涂層的過程[7]Figure 1 Laser ablation coating cleaning process [7]

以去除254 μm厚的環(huán)氧聚酰胺體系艙室涂層為例，氣槍沖擊去除效率為21 min/ft2(約226 min/m2)，激光燒蝕去除效率為5 min/ft2(約54 min/m2)，是傳統(tǒng)手工去除的4倍(人工成本為65美元/h)。激光燒蝕去除涂層設備采購價格為55萬美元，租金為1.2萬美元/周。若每周工作量超過780 ft2(約72.5 m2)，激光燒蝕去除技術的性價比遠高于氣槍沖擊。如果保持6 300 ft2/a(約585.3 m2/a)的工作量，那么5年內(nèi)就可收回成本。以無損檢測前去除焊縫涂層為例，每年可節(jié)約人工成本44.3 ~ 154萬美元，節(jié)約廢棄物排放成本6.75萬美元，共計每年可節(jié)約成本51 ~ 161萬美元。

除上述用途外，通過不同結構的終端執(zhí)行器設計，激光燒蝕去除涂層技術還可用于去除金屬表面氯鹽、去除復合材料、去除甲板防滑涂層、切割前預劃線、粘結預處理，或者噴砂等傳統(tǒng)工藝不可達的邊角和微小區(qū)域的施工。目前，激光燒蝕去除涂層技術設備已通過了健康與安全性評估(周圍空氣質量、噪音水平)、可燃性評估(機油、二硫化鉬滑油、JP-5航空燃油等)。然而該技術仍存在一些問題。激光燒蝕去除涂層技術研發(fā)的初衷是為了解決HY-80鋼、HSLA-65鋼、鎳鉬合金鋼等結構材料的無損檢測和涂裝預處理問題。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，該技術會稍稍降低材料的抗拉強度、表面粗糙度和疲勞壽命。但是激光燒蝕去除涂層的過程中僅會使鋼板表面產(chǎn)生3 μm的熔化薄層(見圖2)，不足以降低材料的抗拉強度和疲勞壽命。因此，關于上述激光燒蝕去除涂層技術應用后的材料性能降低問題目前尚無定論。

圖2 激光燒蝕去除涂層后的鋼板表面金相組織[7]Figure 2 Metallographic structure of steel plate surface after laser ablation coating cleaning [7]

綜上所述，激光燒蝕去除涂層技術在艦船艙室、甲板、上層建筑等部位的無損檢測和涂裝預處理等諸多方面已展現(xiàn)出良好的應用前景，并逐漸趨于成熟與完善。

2 感應加熱去除涂層技術

涂層去除是艦船再涂裝維護過程中費用最高的工藝流程。例如，2006年美國海軍在對CVN-75號航母進行基地級維修的過程中，干舷(包括上層建筑)涂層維護費用為1 159萬美元，光涂層去除和前處理費用就高達480萬美元，占總費用的41.4%。

其中一個很重要的原因是，美軍使用的遺留涂層體系存在一系列問題，此前并沒有充分論證過涂層檢查評估手段和工藝規(guī)程，因而導致干舷和上層建筑重涂工作量巨大。美國海軍在2010年6月進行的尼米茲級航母維護調查研究中發(fā)現(xiàn)，額外重涂涂層厚度平均為584 μm，即額外涂覆的涂層重達14 t。這樣就產(chǎn)生了如何在中修和大修過程中去除大量過度涂裝的干舷/上層建筑涂層的新問題。對此，2004財年美國海軍小企業(yè)創(chuàng)新研究計劃率先啟動了感應加熱去除涂層技術研究項目，由RPR公司負責進行相關設備的研制工作。示范驗證由美國海軍海上系統(tǒng)司令部系統(tǒng)工程分部主持，共分兩步進行。第一步于2006年6月開始，在樸茨茅斯海軍船廠進行取代潛艇消聲瓦等特殊船體處理中的涂層去除方法的驗證，結果表明感應加熱技術在單片消聲瓦去除上效率較高。第二步驗證于2009年開始在尼米茲級航母飛行甲板防滑涂層上進行，并將涂層去除感應頭加裝在甲板爬行器上，以提高工作效率。結果表明，感應加熱技術與超高壓水噴射去除涂層技術具有同等效率，但不會產(chǎn)生大量廢水。驗證過程中發(fā)現(xiàn)，此前研制的感應頭在飛行甲板防滑涂層去除過程中表現(xiàn)出耐磨性差的缺點，需要不斷更換，美國海軍研究實驗室的后續(xù)工作是提高感應頭的耐久性和實現(xiàn)自動控制功能。

感應加熱涂層去除技術的原理是令交流電通過與被加熱金屬基體相接近的感應線圈，金屬基體表面因電磁感應而產(chǎn)生渦流；同時，由于金屬導體存在阻抗，因此電能轉化為熱能。這樣，利用電流的趨膚效應，金屬基體表面溫度瞬間便可達到數(shù)百度，涂層快速達到脫粘溫度而從金屬基體表面剝離(見圖3)。

圖3 船舶甲板和內(nèi)艙涂層去除[7]Figure 3 Removal of coating on ship deck and inner cabin [7]

感應加熱去除涂層技術具有以下優(yōu)點[2-5]：

(1) 效率高、工藝簡單。雖然該技術的研制初衷并非要取代噴砂處理，但其在可操作區(qū)域內(nèi)的簡單快速施工卻可以大幅減少涂層去除的工作量、工作時間和經(jīng)費。例如，50 kW功率的感應加熱涂層去除設備用于300 ~ 500 μm厚度的涂層時，去除速率可達50 ~ 200 m2/h，而常規(guī)設備僅為5 ~ 15 m2/h。這樣可使每艘潛艇的基地級維修費用節(jié)省65.5萬美元，每艘航母的基地級維修費用節(jié)省262萬美元。

(2) 環(huán)保性能良好，不會產(chǎn)生震動、煙霧、廢水、電磁干擾等危害。γ射線檢測未發(fā)現(xiàn)無線電頻率干擾，磁通量檢測小于2 Gs。

(3) 節(jié)能情況良好，能量轉換效率可達90%，與噴砂和超高壓水噴射相比僅需25%的能耗(0.75 kW·h/m2)。

(4) 表層局部加熱，只要按照標準指導施工，就不會使鋼鐵基體過熱而導致不良組織轉變。例如：25 kHz下50 kW功率可使254 μm厚的涂層下鋼板表面溫度在0.3 s內(nèi)達到200 °C，而距表面2.5 mm以下的鋼板溫度僅為50 ~ 60 °C，距鋼板背面5 mm以內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溫度上升。

需要注意的是，感應加熱技術由于可使鋁合金發(fā)生低溫退火而降低其強度，因此目前不適用于鋁合金基體上涂層的去除。

3 高壓水射流與防閃銹聯(lián)用去除涂層技術

高壓水射流清洗技術(Ultra High Pressure Water Jetting, 簡稱UHPWJ)是利用高壓水發(fā)生設備產(chǎn)生高壓水，通過噴嘴將壓力轉變?yōu)楦叨染奂乃淞鲃幽軄硗瓿汕逑?、切割、破碎等各種工作。它適用于冶金、石油、化工、電力、交通、國防、市政環(huán)衛(wèi)、礦山等多個行業(yè)中各類管線、熱交換器、容器、船舶、車輛及大型設備的內(nèi)外清洗。高壓水射流清洗技術具有高效、環(huán)保、低成本等諸多優(yōu)勢，在發(fā)達國家中應用廣泛，最普遍的是美國、德國和日本，他們的熱交換器、工業(yè)鍋爐、大型容器和罐體、物料輸送管道、設備表面等的清洗作業(yè)幾乎全部使用高壓水射流技術。在很多特種清洗作業(yè)中，諸如船體的除污損，飛機跑道的除漆除膠，核電反應堆的除垢除污，特殊鋼廠的鑄件清砂、軋件除磷等，也多采用高壓水射流技術[6-7]。

然而，對于甲板防滑涂層的去除而言，該技術的一個潛在弊端就是在涂層去除后，鋼板接觸水而容易產(chǎn)生閃銹，對后續(xù)再涂裝產(chǎn)生不良影響。對此，2005年Preservation Sciences公司提出了在高壓水射流清洗涂層后迅速在鋼板表面噴灑緩蝕劑來防止閃銹問題的技術方法(如圖4所示)。這種緩蝕劑可使裸露鋼板在24 ~ 48 h內(nèi)都不會出現(xiàn)閃銹，給后續(xù)涂裝提供了很大的便利，成本僅為3美分/ft2(約0.32美元/m2)，涂層與鋼板的結合力非但不會降低，有時甚至有所提高，因此該技術具有良好的應用價值。

圖4 高壓水射流清洗技術用于艦船清洗及涂層去除[8]Figure 4 UHPWJ technology for ship cleaning and coating removal [8]

4 干冰爆炸清洗涂層技術

干冰爆炸清洗技術(Dry Ice Blasting Process)是一種先進、高效的工業(yè)清洗技術，它是將液體二氧化碳通過干冰造粒機制成一定規(guī)格的干冰顆粒，然后放到干冰箱中備用。將壓縮空氣通入干冰噴射清洗機，干冰顆粒隨高速運動的氣流經(jīng)過噴嘴后噴射到被清洗物表面，高速運動的干冰顆粒對污染物有磨削和沖擊作用。同時，吸熱能力強的干冰顆粒可以使被清洗表面降溫，導致污染物脆化，減弱污染物在材料表面的粘附力。綜合作用之下，被清洗表面的污損得以被去除[8]。

因此，通過調控工藝參數(shù)，利用干冰清洗技術可實現(xiàn)航母飛行甲板表面防滑涂層的清洗(如圖5所示)，以便于涂層狀態(tài)檢查及后續(xù)維護。自2010年以來，美國海軍對其開展了相關應用研究。試驗結果表明，干冰爆炸清洗可行，而且快速、環(huán)保。該技術可為每艘航母節(jié)約10 ~ 15萬美元的維護費用，因此具有良好的推廣應用價值。

圖5 干冰爆炸清洗用于飛行甲板防滑涂層的清洗[8]Figure 5 Dry ice blasting for non-skid coating on flight deck [8]

5 結語

近10年來，國外海軍艦船通過研發(fā)應用激光燒蝕、感應加熱、高壓水射流與防閃銹聯(lián)用、干冰爆炸等新型高效涂層去除和清洗技術，大幅提升了艦船維修過程中的重涂效率，極大降低了艦船裝備的維修工作強度和人工時，縮短了入塢維修時間，對全壽命周期總體成本控制起到了積極作用，并且促進了艦船裝備維護保障技術水平、裝備戰(zhàn)斗力以及快速機動能力的大幅提升，可為我國同領域技術水平的進步提供良好的借鑒。