浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂技術的研究與應用

葉長林， 徐衛(wèi)華

(1.中船澄西華爾新特種涂裝(無錫)有限公司， 江蘇 無錫 214433；2.中船澄西船舶修造有限公司， 江蘇 江陰 214433)

0 引言

船舶外殼除銹涂裝是船舶修理工程中的關鍵工程。干式噴砂除銹作業(yè)易產生大量砂質粉塵，粉塵中的懸浮顆粒受風力作用后四處擴散，嚴重損害了大氣質量，同時危害了除銹涂裝施工人員、其他公司員工及船廠附近居民的身體健康。

隨著國家對環(huán)保重視程度的不斷提升及新規(guī)范、新要求的陸續(xù)提出，地方環(huán)保部門和巡查機構對船廠的粉塵、廢氣排放加大了督查力度，因此先進的綠色修船技術決定著船舶修造企業(yè)后續(xù)發(fā)展出路的高度。在此背景下，船舶除銹工藝持續(xù)改進優(yōu)化并取得重大突破，新型移動式水霧噴砂設備目前已廣泛應用于浮船塢常規(guī)噴砂項目、碼頭船舶貨艙噴砂項目，有效遏制住了干式噴砂粉塵擴散造成的環(huán)境污染。

新型移動式環(huán)保水霧噴砂設備在浮船塢船舶外殼除銹應用過程中也暴露出了諸多問題，如：浮船塢現(xiàn)有干式噴砂除銹生產資源閑置；移動式水霧噴砂除銹生產準備時間過長，每次噴砂前鏟運水霧噴砂機進出船塢需要4～5 h的準備時間，影響船塢內的施工效率；移動式水霧噴砂設備轉運成本過高、人力動能成本急劇上升；塢內放置移動水霧噴砂機后造成設備與船塢間的空間大幅縮小，高空車施工時存在比較大的安全隱患。因此，環(huán)保式水霧噴砂技術在浮船塢船舶外殼除銹作業(yè)中的應用有待進一步提高，有必要在充分利用原有浮船塢塢墻內置砂缸的基礎上，研發(fā)新型浮船塢固定水霧噴砂技術，以消除上述不利影響，滿足塢期提速的需求。

本文分析了浮船塢船舶外殼干噴砂除銹設備、設施的現(xiàn)狀，充分考慮施工安全、環(huán)境保護、塢期控制、除銹效率提升等多方面因素，融合環(huán)保水霧噴砂和智能控制兩大關鍵前沿技術，形成適用于浮船塢的固定式水霧噴砂可行性技術方案。

1 移動式水霧噴砂技術的局限性

移動式水霧噴砂技術的應用始于碼頭船舶貨艙除銹作業(yè)。由于碼頭空間較大且水霧噴砂作業(yè)時需使用的砂管、水管等管系及其他附件直接連接至船上貨艙，因此在排布大量移動式水霧噴砂設備后，不會對碼頭通行及其他作業(yè)造成影響。

繼碼頭船舶應用水霧噴砂技術后，浮船塢也開始應用該技術。浮船塢應用該技術一段時間后，發(fā)現(xiàn)該新型移動水霧噴砂設備在塢內噴砂除銹過程中存在較大的時間、空間、效率、成本等應用缺陷，直接導致了船舶塢期的延長，制約了寶貴的浮船塢資源的使用周轉效率，同時增加了船舶的修理成本。

1.1 施工效率

船舶進塢后，外殼除銹涂裝是一項基本工程，這也是船舶進塢的主要目的之一。移動式水霧噴砂設備在浮船塢應用之前，一直使用干式噴砂的方式進行船舶外殼除銹作業(yè)。由于干式噴砂設備內嵌在浮船塢的塢墻內，因此船舶外殼噴砂除銹作業(yè)前，只需將塢墻內置砂缸灌滿干砂即可。充滿干砂的內置砂缸容積較大，可持續(xù)使用很長時間。

移動式水霧噴砂設備由上部砂缸和下部設備組成。船舶外殼除銹作業(yè)前需準備大量的移動式水霧噴砂設備及移動式砂缸，這些設備及砂缸需多輛鏟車多次鏟運至浮船塢內，船舶外殼除銹作業(yè)準備耗費了大量時間，影響了船塢內的船舶外殼除銹施工效率。

1.2 作業(yè)空間

船舶進塢后，外殼與浮船塢兩側的塢墻之間的通道一般有5～8 m。若船舶型寬較大，通道間距僅有3～4 m。在塢側通道放置大量的移動水霧噴砂機設備和移動砂缸，導致通道空間大幅縮小，高空作業(yè)車、車輛等作業(yè)通行空間受到嚴重限制甚至無法通行。

1.3 生產設備資源

船塢內使用大量的移動式水霧噴砂設備進行船舶外殼噴砂除銹作業(yè)，直接導致了船塢塢墻原有固定內置干式噴砂設備的閑置，造成了塢內生產設備資源的重大浪費。同時，移動式水霧噴砂設備在浮船塢內的大量使用，也牽制了碼頭船舶貨艙等其他部位水霧噴砂除銹的生產能力。

2 浮船塢除銹設備和設施現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)有浮船塢塢墻內置干式砂缸現(xiàn)狀

目前，某公司沿江岸線東西兩個區(qū)域分別布置有江山、金山、衡山3個浮船塢：東區(qū)江山塢南北塢墻內置干式砂缸艙室6處，每處各有0.75 t干式砂缸14臺，合計84臺；金山塢南北塢墻內置干式砂缸艙室6處，每處各有0.75 t干式砂缸12臺，合計72臺；西區(qū)衡山塢南北塢墻內置干式砂缸艙室4處，每處各有0.75 t干式砂缸12臺，合計48臺。浮船塢采用移動式水霧噴砂設備后，以上塢墻內置干式砂缸處于閑置狀態(tài)。

2.2 現(xiàn)有浮船塢供水管道狀況

衡山塢、金山塢抬船甲板塢墻外側保留有承載31.5 MPa的高壓水管道。金山塢塢內東北側門洞4組集水器及先導式高壓沖水閥已被拆除，西南側高壓水管道約15 m及金山駁艙室內管道約40 m已被截斷，以上項目需要重新恢復；江山塢抬船甲板上無多余供水管道，需重新布置約750 m供水管道；衡山塢2/3沖水閥已被拆除，分水包上仍保留有連接端口，約50 m管道需要重新恢復，系統(tǒng)其余部分管道保留完整?，F(xiàn)有浮船塢除江山塢外，供水管道保留較為完整，稍加改造后即可為塢內固定式水霧噴砂供水。

3 浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂技術原理

3.1 系統(tǒng)原理

經多次調研，確定了浮船塢固定式水霧噴砂系統(tǒng)技術原理(見圖1)：新增多級增壓泵，通過固定管道將壓力水輸送至集水器裝置，經阻滯板遲滯、消除渦流后的穩(wěn)定壓力水通過閥組、橋接管進入水霧銜接裝置，管內壓力水在泵推壓力的推動下經水霧噴射器裝置噴射霧化，與流經的磨料進行混合后形成水砂混合物，在壓縮氣體的作用下，砂管內的水砂不斷跳動翻滾混合，最終由噴砂槍噴出，作用于除銹作業(yè)面，完成系統(tǒng)的船舶外殼環(huán)保除銹作業(yè)。

圖1 浮船塢固定式水霧噴砂系統(tǒng)技術原理圖

3.2 主要技術指標

單位耗水量：單噴槍單位時間內耗水量≥3±0.3 L/min；

設計水壓:1.2 MPa；

工作水壓：0.8～0.9 MPa ；

未端出口壓力：(衡定)1 MPa；

表面處理效率：膜厚為1 200 μm(以環(huán)氧底漆為例)，在SA2.0表面處理標準下，表面處理效率設定為4.8～5.0 m/h，約為干噴砂表面處理效率(7.0 m/h)的70%，表面處理效率≥移動式水霧噴砂設備的表面處理效率。

3.3 主要技術參數(shù)

浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂系統(tǒng)主要技術參數(shù)見表1。

表1 浮船塢固定式水霧噴砂系統(tǒng)主要技術參數(shù)

3.4 性能要求

浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂技術應具備通用性強、易操作、故障率低、作業(yè)安全等特點，應滿足與現(xiàn)用高壓水系統(tǒng)使用互不干擾的基本要求，系統(tǒng)不得與其他設備搶占塢內通道。

水霧銜接裝置設計時應充分考慮塢墻內置砂缸所處位置與銜接裝置端口之間的合理間距，便于連接砂管。水霧銜接裝置應具備擴展、調整、互換、便于接拆等特性，連接端口應統(tǒng)一技術規(guī)格，便于連接移動式水霧大砂缸，從而實現(xiàn)2種水霧噴砂裝置同步使用的目標。

4 可行性技術方案研究

東區(qū)金山塢與江山塢相距較近，擬共用泵站設備及控制系統(tǒng)，衡山塢使用獨立設置的系統(tǒng)。

4.1 變頻多級增壓泵站設計

東區(qū)兩塢由兩用一備3套多級增壓泵組成泵站(見圖2)，單泵排量200 L/min、末端壓力1 MPa、電壓380 V，具有PLC智能化變頻、手機遙控開關旁通閥、實時監(jiān)控電壓、電流、水壓及旁通閥開閉狀態(tài)的能力。西區(qū)衡山塢由一用一備2套多級增壓泵組成泵站，單臺泵排量150 L/min、末端壓力1 MPa、電壓380 V，具備智能化變頻控制能力，但不具備實時遙控監(jiān)測的能力，其余各類安全保護裝置齊全，能滿足環(huán)保及職業(yè)健康要求。

圖2 變頻多級增壓泵站

4.2 供水系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要利用原有供水管系，新增從船塢至駁船內泵站部分管系，其中：金山塢、衡山塢利用原有高壓水管道進行修復，少量管道為新裝；江山塢新增供水管系。

4.3 集水分配器設計

三塢增設集水分配器(見圖3)，其中：金山塢8套，江山塢12套，衡山塢8套。

圖3 集水分配器

液態(tài)射流進入集水器，在作用力與反作用力條件下形成漩渦，液體經出口處不斷擠出進入水霧銜接裝置內，水霧噴射器持續(xù)將液體霧化。經測試，單位時間內液體輸出量與霧化量比例失調，主要原因為射流產生的漩渦未得以消除。為此，在集水器內腔加裝三層阻滯板。液體射流漩渦經阻滯板，層層衰減，最終消除。

4.4 水霧銜接裝置設計

水霧銜接裝置在整個系統(tǒng)中起到了紐帶作用，是系統(tǒng)的關鍵部件。根據(jù)需要，水霧銜接裝置與集水分配器對應布置，見圖4。

圖4 水霧銜接裝置

系統(tǒng)由塢墻內延伸的沖砂管連接至銜接裝置的進口端，壓縮空氣、磨料與水霧在此交匯并初次混合，形成水砂混合磨料。在壓縮空氣的推動下，水砂混合磨料經軟管流至噴砂槍出口端。

由于水砂混合物的沖刷效應，普通金屬材料制成的高壓噴嘴磨損速率較快。當噴嘴孔徑為2 mm時，噴嘴工作僅能維持32 h。采用不銹鋼鈦合金后，噴嘴工作時間增加了10倍以上，其耐磨性能得到了大幅提升。同時在噴嘴內腔增加導流片，使聚集在泄放口的液體流速加快霧化更加充分。

4.5 水霧噴射器裝置設計

水霧噴射器裝置由壓蓋、連接基座、高壓噴嘴等零件組成。整套噴射器系統(tǒng)與DN50/Y型鑄鐵三通45°的端口連接，系統(tǒng)衡定的壓力水流經高壓噴嘴進入三通內腔形成水霧。

4.6 電器控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)電器控制采用自動化控制，具備靈敏感知能力、正確思維能力、準確判斷和有效執(zhí)行能力，根據(jù)設定的參數(shù)實現(xiàn)全程智能化控制。

東西兩區(qū)設置相同，分別布置有1組電氣控制柜，主要參數(shù)為電壓380 V，工作頻率50 Hz，單臺電機功率15 kW。

5 固定式水霧噴砂技術的優(yōu)勢

目前，浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂技術方案已得到成功應用。經對設備運行的數(shù)據(jù)采集驗證和實效測試，現(xiàn)場設備運行狀況良好，符合塢內現(xiàn)場使用要求，擬定設備參數(shù)達到預期目標。與移動式水霧噴砂機相比，優(yōu)勢及效益主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)環(huán)保：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂工藝解決了修船企業(yè)常規(guī)普涂粉塵污染問題，較常規(guī)干噴砂，能夠減少90%以上的粉塵污染。

(2)施工效率：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂裝置施工效率能夠滿足修船企業(yè)規(guī)?；a的需要。施工效率可達常規(guī)干噴砂的85%以上，較工作壓力為270 MPa的手持式超高壓水及國外進口同類設備均高出30%左右。

(3)施工質量：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂表面處理質量優(yōu)于超高壓水清理工藝，表面更均勻，粗糙度適中，連接坡口平緩，無翹皮現(xiàn)象。國外進口同類設備因使用的磨料顆粒度過小，表面粗糙度偏小，表面油漆結合力不如新型水霧噴砂工藝。因產生閃銹，表面處理質量低于常規(guī)干噴砂工藝，但新型水霧噴砂工藝不會在鋼板表面產生夾砂現(xiàn)象。

(4)設備投資成本：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂裝置系統(tǒng)造價較低。系統(tǒng)設備投資成本僅為進口單套雙槍超高壓設備的1/3左右。國外同類設備單套只配置1把噴砂槍，固定式環(huán)保水霧噴砂系統(tǒng)可以同時使用塢墻內固定砂缸，單槍投資費用僅為移動式水霧噴砂機50%左右。

(5)磨料成本：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂裝置可以適用顆粒度范圍更廣的非金屬磨料。對磨料鹽分含量的要求更低。通過銅礦砂篩選處理設備，可以最大限度地重復利用銅礦砂磨料，大幅降低修船企業(yè)的銅礦砂消耗成本，其中小顆粒的銅礦砂是新型水霧噴砂工藝理想的磨料。國外進口同類設備須選用顆粒度非常細小、且均勻的非金屬磨料，其磨料價格遠高于常規(guī)銅礦砂磨料。

(6)水消耗成本：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂裝置系統(tǒng)可以使用鹽分含量小于350 ms/cm各類淡水，經過簡單過濾的江河水也可以使用。

(7)設備維護成本：浮船塢固定式環(huán)保水霧噴砂裝置系統(tǒng)結構簡單易維護，可靠耐用，設備日常維護費用較低。目前大部分超高壓設備配件都需要進口，因此運行維護成本都比較昂貴，其日常維護費用也是施工的主要成本之一。

6 結論

(1)固定式環(huán)保水霧噴砂技術成功融合了環(huán)保水霧噴砂和智能控制技術，整體提升了浮船塢內船舶外殼除銹的生產效率，壓縮了塢內水霧噴砂的成本，滿足了當前的修船環(huán)保需求，為縮短修船塢期、提速增效提供了強有力的保障。

(2)可將固定式環(huán)保水霧噴砂技術作為修船塢內船舶主要的環(huán)保清理除銹技術，但水霧噴砂存在廢砂回收清理困難較大，廢砂后續(xù)處置較為棘手，新砂產量不足導致供應短缺等問題。

(3)根據(jù)當前超高壓水處理工藝、裝備的不斷成熟與改進優(yōu)化，按照分步、分批的原則，逐步推進超高壓水處理工藝、裝備在修船涂裝的應用，彌補目前固定式環(huán)保水霧噴砂工藝和施工能力的不足問題。同時，需要不斷優(yōu)化改進固定式環(huán)保水霧噴砂的配套設備、設施，爭取不斷提升其施工效率和塢內廢水處理能力，以滿足修船環(huán)保生產需要。