一種船舶除銹清洗超高壓水機設計及優(yōu)化

陳遠剛，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)，特別是在完全敞開的船塢內(nèi)打砂，漫天沙塵飛揚，污染范圍大，不僅對空氣污染嚴重，對人體產(chǎn)生較大傷害，同時也對海洋產(chǎn)生嚴重污染。因此，修船廠需要全面升級除銹工藝，使用超高壓水除銹替代打砂除銹，達到綠色、環(huán)保、無污染效果。

船舶除銹清洗超高壓水機是先進的除銹設備，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，還能對超高壓除銹水及其廢渣進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)濟效益。

本文以原有超高壓水機為研究對象，簡述其在實際應用過程當中遇到的問題，并針對這些問題進行設計優(yōu)化，達到更加安全、可靠、實用、經(jīng)濟效果。

2 原超高壓水機裝置組成及原理

2.1 裝置組成

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

水機內(nèi)部基座安裝有超高壓泵、電機、彈性聯(lián)軸器及其保護罩，還安裝有空壓機、增壓泵及空氣過濾器。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)過高強螺栓與基座及集裝箱底板連接固定，達到減震效果。

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

2.2 裝置原理

超高壓水機的原理是利用船廠現(xiàn)有的工業(yè)淡水管網(wǎng)，通過軟管供水至超高壓水機；淡水經(jīng)過超高壓水機粗濾器進行過濾，去掉多余的大顆粒雜質；經(jīng)過濾后的水再進入水箱，水箱里的水到超高壓泵需要分成幾路。首先是主要進入超高壓泵的水，要經(jīng)過精濾器過濾，過濾合格的水經(jīng)過水質傳感器檢測合格后進入超高壓泵；水在進水超高壓泵之前，須經(jīng)過旁通閥及電磁閥啟動，再經(jīng)過空氣壓力傳感器帶動空壓機啟動，把多余的空氣抽掉，保證進去的水不含雜質及空氣；超高壓水機電機啟動，經(jīng)過聯(lián)軸器帶動超高壓泵轉動，使泵腔里的水達到3 000 bar 工作壓力值，經(jīng)過高壓軟管輸出到除銹執(zhí)行機構。與超高壓水軟管連接的執(zhí)行機構，在超高壓水的驅動下高速運轉、噴射，完成超高壓水除銹清洗等工作；另外，水箱里的水經(jīng)過另一條管路對超高壓泵液壓油進行冷卻，保證超高壓泵能更長久的工作。超高壓水機原理圖，見圖1。

圖1 超高壓水機原理圖

3 原超高壓水機缺陷

超高壓水機經(jīng)過幾年的除銹作業(yè)，發(fā)現(xiàn)其在實際應用中存在一些缺陷，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、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）結構方面：外型尺寸太大，底盤結構太小、太??；解決方案：優(yōu)化結構尺寸，增強底部結構，防止變形、腐蝕。

（3）應用方面：能耗過大，造成浪費；散熱不及時，影響設備性能穩(wěn)定，增加維修成本；不能有效防塵防水，影響內(nèi)部設備使壽命；多余功能達不到效果，反而增加設備負擔；解決方案：優(yōu)化設備及材料，去除冗雜功能，增加監(jiān)測功能，安全監(jiān)測，遠程協(xié)調(diào)。

4 原超高壓水機優(yōu)化

針對原超高壓水機上述缺陷，經(jīng)過不斷的修改及優(yōu)化，使超高壓水機更加滿足船廠使用要求，達到最大節(jié)能減排效果。圖2 為優(yōu)化后超高壓水機布置圖，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 超高壓水機優(yōu)化布置圖

4.1 布置優(yōu)化

（1）控制機柜及變頻器

原控制機柜是布置在設備基座上，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；控制機柜及變頻器布置在集裝箱艙壁，基座成撬在另一側，中間位置留有操作人員通道，對水機操作更加安全可靠，維修更加方便。

（2）水箱

原水機有部分水箱布置在設備上方或是在遠離基座布置，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，高度低于電氣設備及其電纜，并且遠離變頻電機，避免懸空漏水風險，極大的保護了設備；同時，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，簡潔美觀，維修保養(yǎng)方便。

4.2 結構優(yōu)化

（1）水機尺寸

為了方便集裝箱車運輸，參考標準集裝箱尺寸，保證底部角件位置能落于集裝箱車上鎖緊，可進行安全遠程運輸，優(yōu)化后高度也能夠保證運輸過程中不超過道路4.2 m 限高要求。

（2）水機底盤結構

由于水機箱體內(nèi)部安裝了成撬基座及變頻器、控制柜等，超高壓水機在使用過程中變頻電機及超高壓泵高速轉動會產(chǎn)生振動；并且超高壓水機在作業(yè)前會使用叉車叉到船塢塢邊，作業(yè)結束后又要叉車轉運回車間保養(yǎng)維修，頻繁使用叉車轉運對底盤結構強度影響較大，因此在水機組裝過程中，對超高壓水機底盤結構進行優(yōu)化，使其強度能滿足要求；同時，加大底盤結構也起到了耐腐蝕作用，延長水機底盤的使用壽命；加高底部的強框架橫截面積，同時也將其板厚增厚約4 mm，經(jīng)過計算分析，底部結構強度完全滿足使用要求。

4.3 應用優(yōu)化

（1）變頻電機

將電機優(yōu)化為變頻電機，并增加變頻器，主要作用是：

① 節(jié)能：當遠端的除銹執(zhí)行機構在除銹過程中，由于離開船殼或是空轉移位等非接觸船殼表面作業(yè)時，變頻能夠自動將電機轉速降低，減少功耗；

② 實現(xiàn)軟啟動及快速制動：可在低速低電壓啟動，能更好的保護電機；

③ 控制系統(tǒng)簡化：運行速度隨時進行調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同工況進行遠程調(diào)控，安全可靠；

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

⑤ 可調(diào)轉矩極限：通過變頻調(diào)速后，可設置相應的轉矩極限來保護機械不受損壞，保證除銹過程的連續(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，對冷卻后的回流水不能及時降溫，導致水箱中的水溫變高，再次進入超高壓泵會影響泵頭的精密零部件受損，比如密封橡膠等；長時間的高溫也會導致泵頭結垢，結垢后的泵頭在高速運轉過程中容易磨損，同時，長期高溫也會影響泵頭疲勞強度，縮短其使用壽命。因此將超高壓水機的水箱改為不銹鋼，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)化為可關閉式的，操作簡單，可根據(jù)需求進行調(diào)控，作業(yè)時，打開百葉窗進行通風散熱；非作業(yè)時，關閉百葉窗，防止超高壓水機進灰，進而保護內(nèi)部設備。

（4）加料裝置

原設備為了凈化工業(yè)淡水，在不銹鋼水箱前端安裝了加料裝置，若進入水箱的水含鹽量達到需求值，提高電導率；但加料后的水隨溫度變化容易結晶，在泵頭位置隨著使用時間越長結垢就會越多，柱塞結垢需要經(jīng)常拆解維修，耗費人力物力，影響生產(chǎn)進度。經(jīng)多次對水質的檢測，得知水的含鹽量滿足超高壓泵運轉需求，不用額外補充。因此，去掉加料裝置，不但改善了超高壓泵的功能，還節(jié)省了成本且更簡潔可靠。

（5）增加智能監(jiān)控系統(tǒng)

利用設備智能監(jiān)控系統(tǒng)，可在車間集控室實時監(jiān)測所有水機的位置分布及狀態(tài)，包括水機運行、待機、離線、報警、維保，也包括流量、壓力、油壓、油溫、冷卻液溫度信息實時監(jiān)測，可針對相關狀態(tài)作出遠程應急處理操作，同時也能統(tǒng)籌協(xié)調(diào)所有水機，方便統(tǒng)計水機使用情況，達到最優(yōu)化使用。

4.4 優(yōu)化效果

優(yōu)化后的水機運行穩(wěn)定，性能得到很大的提升；我司水機應用變頻電機后，預計可節(jié)省電約142 萬度電/年，節(jié)省維修工時約1 500 小時/年，取得了較大經(jīng)濟效益，并全面推進升級了超高壓水除銹工藝。圖3 為優(yōu)化后的超高壓水機圖。

圖3 優(yōu)化后超高壓水機

4 結論

本文通過對原超高壓水機設計優(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)行機構作業(yè)于船體表面除銹，消除了揚塵污染，極大的改善了作業(yè)環(huán)境，達到了綠色、環(huán)保效果。

同時，在超高壓水機應用優(yōu)化過程中，結合船廠實際作業(yè)情況，不斷總結經(jīng)驗，改進工作原理及布置，使超高壓水機性能完全滿足船廠需求，并達到降本節(jié)能、安全效果。

積極推進發(fā)展超高壓水除銹工藝，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境理念，踐行綠色修船的行業(yè)戰(zhàn)略和美麗中國的國家戰(zhàn)略。