激光除銹技術(shù)在海洋工程建造領(lǐng)域中的應(yīng)用

王彥濤

(中海油(天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

1 引言

在海洋工程建造范圍不斷擴(kuò)大的背景下，海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物銹蝕問(wèn)題得到了人們的大力關(guān)注。因長(zhǎng)時(shí)間在高腐蝕性環(huán)境內(nèi)服役，海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物對(duì)除銹技術(shù)具有較高的要求。高壓水清洗、打磨、噴砂等傳統(tǒng)除銹工藝具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、二次污染嚴(yán)重、處理效果不佳的問(wèn)題，且存在返銹風(fēng)險(xiǎn)。而激光除銹技術(shù)可以高效清潔除銹，確保海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面清潔度達(dá)到Sa1/2級(jí)，返銹概率較低。因此，分析激光除銹技術(shù)在海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 激光除銹技術(shù)原理

激光除銹主要是借助高峰值功率激光照射銹蝕位置，在銹蝕位置吸收激光能量后溫度會(huì)在短期內(nèi)上升到較高的水平，進(jìn)而在高溫下出現(xiàn)氣化、膨脹、松弛、熱振動(dòng)、熱沖擊、聲波震碎等物理反應(yīng)，最終致使銹蝕體、基體脫離，在去除銹蝕體的基礎(chǔ)上確保基體完整性。激光除銹過(guò)程本質(zhì)上是鋼質(zhì)構(gòu)筑物基材表面克服形狀異變的過(guò)程，作用過(guò)程如見(jiàn)表1。

表1 激光除銹作用過(guò)程

激光除銹技術(shù)又可稱之為環(huán)保除銹方法，可以在將激光能量輻射到金屬表面銹層的同時(shí)引發(fā)相關(guān)系數(shù)變化，配合高強(qiáng)度沖擊波直接擊碎銹層，確保基材無(wú)損傷。應(yīng)用激光除銹技術(shù)時(shí)，基本原理是借助并適當(dāng)控制腐蝕散斑、物體基體之間的差異化熱參數(shù)，如激光脈寬、激光頻率密度、激光能量、激光溫度等[1]，促使高強(qiáng)度光束、銹層、短脈沖激光之間發(fā)生光物理反應(yīng)。在光物理反應(yīng)中激光器發(fā)射的高強(qiáng)度光束可被銹層表面吸收，銹層因吸收過(guò)多能量而在短時(shí)間膨脹為高度電離的不穩(wěn)定氣體(等離子體），為沖擊波的產(chǎn)生提供依據(jù)。沖擊波則可以破碎銹層并促使銹層剝落，配合足夠短的光脈沖寬度，在達(dá)到短時(shí)間除銹目標(biāo)的同時(shí)，提高金屬材料表面的抗氧化性。

3 激光除銹技術(shù)概述及其在海洋工程中的應(yīng)用價(jià)值

3.1 激光除銹技術(shù)概述

激光除銹技術(shù)隸屬于激光清洗技術(shù)領(lǐng)域，首次出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，兼具發(fā)散角小、相干性好、能量高度集中的優(yōu)良特點(diǎn)。在脈沖激光技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，不同波長(zhǎng)、類型的激光器，逐步進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，如建筑材料、軌道交通、電子電器、五金工具、機(jī)械制造、船舶等。

相較于傳統(tǒng)高壓水清洗、打磨、噴砂等除銹工藝，激光除銹技術(shù)可以擺脫鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面形貌的干擾，精準(zhǔn)劃定銹跡位置，實(shí)現(xiàn)激光無(wú)阻礙輻射。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離除銹，對(duì)工件物理破壞較小。同時(shí)激光除銹技術(shù)可以與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，自動(dòng)執(zhí)行鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹跡去除作業(yè)，實(shí)現(xiàn)低強(qiáng)度、選擇性除銹，僅消耗電力能源，無(wú)二次污染，成本較低。而相較于化學(xué)腐蝕清洗、機(jī)械摩擦清洗、高頻超聲清洗、液固強(qiáng)沖擊清洗等傳統(tǒng)除銹方式來(lái)說(shuō)，激光除銹技術(shù)兼具安全可靠、多功能、無(wú)污染、自動(dòng)控制優(yōu)勢(shì)，可以促進(jìn)不同厚度與成分的涂層氧化鐵鱗片剝落，并將高價(jià)鐵氧化物還原為低價(jià)氧化物，加速全部銹層剝落。

3.2 激光除銹技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用價(jià)值

3.2.1 確保海洋工程安全

金屬材料銹蝕問(wèn)題是海洋工程開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨的重要風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題之一。由金屬材料銹蝕引發(fā)的安全事故給整個(gè)海洋工程造成了極大的打擊，如鉆井平臺(tái)樁腿焊縫在海水波浪荷載反復(fù)作用下銹蝕傾倒致人員死亡； 鉆井平臺(tái)海底閥門(mén)銹蝕致原油溢出危害環(huán)境； 輸油管道與排水暗渠交匯位置管道銹蝕減薄致人員傷亡等。而通過(guò)激光除銹技術(shù)的合理應(yīng)用，可以預(yù)先去除鉆井平臺(tái)樁腿、鉆井平臺(tái)海底閥門(mén)、輸油管道與排水暗渠交匯位置管道銹蝕，降低海洋銹蝕引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 提升海洋工程經(jīng)濟(jì)效益

我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)達(dá)1.8×104km，擁有管轄海域3.0×106km2，海洋資源開(kāi)發(fā)成為決定我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要因素之一。在海洋工程開(kāi)發(fā)中需要大量應(yīng)用金屬材料，而金屬材料的固有屬性決定了其在海洋環(huán)境中的銹蝕現(xiàn)象高發(fā)。在海洋工程中恰當(dāng)應(yīng)用激光除銹技術(shù)，可以降低海洋工程中金屬材料因銹蝕而損耗的概率，進(jìn)而確保海洋工程中有限礦產(chǎn)資源的高效應(yīng)用，為廣闊富饒海洋資源開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益提升提供充足支持。

3.2.3 確保海洋工程工期進(jìn)度

海洋環(huán)境是銹蝕性風(fēng)險(xiǎn)因子較多的自然環(huán)境，作為強(qiáng)腐蝕性電解質(zhì)溶液的海水 (氯化鈉+ 氯化鉀+ 溴+ 碘+ 氧氣+氮?dú)? 二氧化碳）、海洋生物共同影響著海洋工程內(nèi)金屬材料表面完整性、光滑性，對(duì)海洋工程整體進(jìn)程也造成了較大干擾。而通過(guò)在海洋工程建造中應(yīng)用激光除銹技術(shù)，可以抑制海洋工程建設(shè)用金屬材料在海洋環(huán)境中的腐蝕速度，避免海洋工程進(jìn)度因金屬材料腐蝕而受阻，確保海洋工程工期進(jìn)度與預(yù)期要求相符。

4 激光除銹技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用

4.1 裝置準(zhǔn)備

在海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面激光除銹操作前，應(yīng)準(zhǔn)備由二維直線移動(dòng)工作臺(tái)、光纖脈沖激光器、氣體保護(hù)系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、激光加工頭組成的光纖激光除銹機(jī)，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面激光除銹裝置發(fā)出的激光光斑尺寸可調(diào)節(jié)，經(jīng)工業(yè)控制機(jī)、限制器可以完成激光器、二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。除上述裝置外，還可選擇中紅外波段的二氧化碳激光器、近紅外波段的YAG 激光器、紫外波段的準(zhǔn)分子激光器等。需要注意的是，在選擇海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面激光除銹機(jī)時(shí)，應(yīng)選擇光脈沖寬度較短的設(shè)備，避免被處理海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹層遭到破壞性更強(qiáng)的熱積累。同時(shí)，因等離子體僅在激光能量密度超出閾值的情況下出現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹層選擇適宜的閾值，以便在實(shí)現(xiàn)有效除銹目標(biāo)的同時(shí)降低基底材料被破壞風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行激光參數(shù)的調(diào)整，確保光脈沖能量密度處于等離子體的第一個(gè)閾值與第二個(gè)閾值之間[2]。在光脈沖能量密度超出等離子體的第一個(gè)閾值時(shí)，可以持續(xù)剔除銹層雜物直到基地層，在光脈沖能量密度小于等離子體的第一個(gè)閾值時(shí)，無(wú)法產(chǎn)生有效除銹效果。

4.2 激光除銹

首先，確保電源插座接觸良好且地線可靠接地，查看激光除銹頭確定激光除銹頭鏡片內(nèi)層、外側(cè)均無(wú)塵土污垢。同時(shí)，查看激光除銹機(jī)整體按鈕與開(kāi)關(guān)狀態(tài)，確認(rèn)無(wú)誤后，經(jīng)外部電源線將電力資源輸送給激光除銹機(jī)。先后打開(kāi)電源插座(電源濾波、保險(xiǎn)絲、開(kāi)關(guān)三合一插座）上開(kāi)關(guān)、激光除銹機(jī)上開(kāi)關(guān)，打開(kāi)后綠色指示燈亮起，且系統(tǒng)通電開(kāi)始初始化。在激光除銹系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，任意點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入第一界面——待機(jī)界面。

其次，根據(jù)海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面激光除銹需求，經(jīng)激光除銹機(jī)上激光功率按鈕、激光頻率旋鈕調(diào)節(jié)激光除銹機(jī)參數(shù)，并在激光除銹機(jī)顯示屏上顯示。一般可設(shè)定激光峰值功率為1 550 W，保護(hù)氣體壓力為0.5 MPa，脈沖寬度為0.2 ms，光斑直徑為1.4 mm，依據(jù)20 mm/s 的速度掃描，掃描脈沖頻率為190～530 Hz(雙軸連續(xù)可調(diào)）?；蛘咴诩{秒級(jí)脈沖激光模式下，調(diào)整最大單脈沖能量為1.5 mJ，峰值功率為20 kW，光束質(zhì)量小于或等于1.8，重復(fù)頻率為2 kHz，光纖長(zhǎng)度為5 m，場(chǎng)景焦距為200 mm，焦深為20 mm。

再次，參數(shù)調(diào)節(jié)完畢后，點(diǎn)擊待機(jī)，進(jìn)入準(zhǔn)備界面。進(jìn)入準(zhǔn)備界面后，確定手持激光除銹頭手柄上按鈕開(kāi)關(guān)處于松弛狀態(tài)，按下激光除銹機(jī)上激光使能按鈕啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)后紅色指示燈亮起，準(zhǔn)備正式除銹。

最后，戴上激光防護(hù)眼鏡，手持除銹槍對(duì)準(zhǔn)海洋工程鋼質(zhì)金屬件銹層，手動(dòng)按下手持激光除銹頭手柄上按鈕，經(jīng)激光除銹槍頭出光進(jìn)行除銹工作。根據(jù)激光除銹效果多道除銹。一般在點(diǎn)激光進(jìn)行第一道海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物除銹加工時(shí)，可以去除表面銹蝕、局部基體金屬。此時(shí)，為了獲取不間斷的銹跡去除效果，需要在一定偏移量下進(jìn)行第一道海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物除銹，掃描范圍大于或等于120 mm×60 mm(利用激光除銹頭上旋鈕調(diào)節(jié)），重復(fù)多次，完全清除海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹跡。一般在激光能量密度超過(guò)2.1 J/mm2時(shí)，海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹跡、油污會(huì)被完全清除，且可顯露金屬光澤，清潔度等級(jí)為Sa1/2級(jí)，粗糙度為30 μm。使用完畢后，逐次關(guān)閉激光除銹機(jī)上除銹頭旋鈕、主機(jī)開(kāi)關(guān)、側(cè)面電源開(kāi)關(guān)，并將激光除銹槍頭插回主機(jī)放置盒內(nèi)，拔出電源開(kāi)關(guān)。

需要注意的是，若在激光除銹過(guò)程中需要進(jìn)行脈沖寬度、保護(hù)氣體壓力、激光峰值功率等相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，應(yīng)點(diǎn)擊準(zhǔn)備鍵返回待機(jī)界面，在待機(jī)界面點(diǎn)擊左上角設(shè)置工具，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面后，重新調(diào)整參數(shù)，調(diào)整完畢后點(diǎn)擊返回鍵進(jìn)入待機(jī)界面，在待機(jī)界面點(diǎn)擊待機(jī)，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，開(kāi)始除銹作業(yè)。整個(gè)除銹作業(yè)開(kāi)始進(jìn)程中，激光除銹頭可以固定位置除銹，也可手持式除銹，具體需要根據(jù)待除銹物品而靈活選擇。

4.3 設(shè)備維護(hù)

在激光除銹機(jī)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)調(diào)整運(yùn)行環(huán)境一定，控制供電電壓在單相220(1±10%）V 左右，且為50 Hz 或60 Hz 交流電。同時(shí)，調(diào)整激光除銹機(jī)在工作環(huán)境溫度在5 ℃以上、40 ℃以內(nèi)，而激光除銹機(jī)工作環(huán)境相對(duì)濕度則小于或等于80%。

在日常使用前后，需要利用棉布清理海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面與激光除銹機(jī)的軸、輪與軌上的灰塵和異物。進(jìn)而將適量潤(rùn)滑油添加到激光除銹機(jī)內(nèi)，進(jìn)行空行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)向激光除銹機(jī)支座、第一反射鏡螺絲上加注少量潤(rùn)滑油，便于激光除銹機(jī)維護(hù)時(shí)拆裝操作，但應(yīng)避免將潤(rùn)滑油加注到激光除銹機(jī)電機(jī)、傳感器、鏡片、氣管位置。在激光除銹機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，運(yùn)動(dòng)連接位置螺絲與聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)情況較為常見(jiàn)，對(duì)激光除銹機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性造成了較大的不利影響，因此，應(yīng)在激光除銹機(jī)運(yùn)行階段嚴(yán)密觀測(cè)傳動(dòng)件異常聲響或其他不正?，F(xiàn)象，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后第一時(shí)間進(jìn)行維護(hù)，并定期利用工具逐一緊固激光除銹機(jī)連接件[3]。

激光除銹機(jī)使用完畢后，工作者應(yīng)及時(shí)清理除銹廢料，清掃海洋工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與相關(guān)設(shè)備，確保海洋工程環(huán)境整齊、干凈且設(shè)備各部分無(wú)污痕雜物。對(duì)于個(gè)別精密度較高的工件，工作者應(yīng)在清洗前用洗潔精或肥皂清潔雙手，戴上白色、輕薄、潔凈的手套，從側(cè)面拿去后平穩(wěn)操作，避免磕碰。特別是激光除銹機(jī)光學(xué)鏡片，應(yīng)在穿戴整齊的情況下，借助潔凈空氣噴槍清理鏡座內(nèi)灰塵、污物，避免鏡片形狀異變影響光束質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面激光除銹本質(zhì)上是利用激光對(duì)工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面進(jìn)行一次加工。在激光能量密度達(dá)到2.1 J/mm2時(shí)，可以完全去除海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面的銹跡，并獲得Sa1/2級(jí)的清潔度。因此，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物表面銹跡的特點(diǎn)，選擇適宜的激光除銹裝置，規(guī)范開(kāi)展多道激光除銹操作，充分發(fā)揮激光除銹技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)海洋工程鋼質(zhì)構(gòu)筑物的運(yùn)行年限。