新型反沖式水下船體表面清洗刷設計方案研究

于靖博 楊君德 尚振國 董麗娜

（1.大連海事大學 輪機工程學院 大連116026；2.大連海洋大學 機械與動力工程學院 大連116023）

0 引 言

隨著世界經濟的快速發展和遠洋運輸事業不斷壯大，全球船舶數量激增同燃油經濟性以及環境保護之間的矛盾日漸引起人們關注。據統計，截至2009年1月底，全世界已有集裝箱運輸船3 779艘，運輸能力為528.2萬TEU，這表明全世界集裝箱運輸船隊的承運能力首次突破500萬TEU大關。以日本輸出組合（JESA）統計的數據為依據，去年全球新船成交量接近5 000萬DWT；若再加上油輪以及軍艦等其他類型的艦船，那全世界的船舶數量將是一個不小的數目。然而，當今原油資源的日益匱乏已成為制約現有航海業發展的一個最大瓶頸，因此，如何在“節能和環保”的前提下發展航運事業，已成為當今世界航運業發展的一個熱門話題。

目前，世界上大部分船舶仍然依靠燃油提供動力。船舶在航行過程中遇到的阻力越大，航速及經濟效益會顯著下降，而燃油消耗量和二氧化碳的排放量則會明顯上升。船舶航行受到的阻力主要有摩擦阻力、形狀阻力、興波阻力以及空氣阻力等，其中海洋浮游生物附著對船體表面摩擦阻力的影響較大。因此，在本領域積極探索研究一種新型環保的清洗技術是具有重要意義的。

1 主要船體清洗技術對比

目前，國內外在船舶表面清洗領域有很多技術措施，許多遠洋運輸公司在船體表面涂刷揮發性較慢的毒性油漆，通過防止浮游生物的附著以達到降低燃油消耗量的效果。但由于該油漆毒性太強，對沿航線的其他生物也造成了不同程度的傷害，破壞了局部海洋生態環境。因此，國際上已經嚴令禁止使用各種毒性油漆。此外，還有一些運輸公司在船體表面粘貼保護膜，在一定時間內將保護膜撕起以達到清除浮游生物的目的。不過，該方法更換頻率較大，代價也高，所以也漸漸地被市場所淘汰。由此，近年來，船舶表面清洗技術的研發越來越被人們所重視。

首先，從清洗環境上來看，船體表面清洗可分為陸上作業和水下作業兩種。為了延長船舶的使用壽命、保證船舶的經濟性及安全運行，船舶必須定期進塢檢修。船舶在脫離水面的狀態下，可對其表面使用噴砂處理或者高壓水射流清洗技術進行清洗、維護，以清除一些較頑固的海洋附著物。這兩種方法都需要船舶占用船塢，因此使用頻率不宜過高，否則會增加船舶的停航損失，影響船舶運營經濟性。

在我國，船體表面清洗主要采用人工噴砂處理，效果明顯但工人勞動強度大，效率低下，且對人體及環境有相當大的污染；高壓水射流技術則是近30年發展起來的新技術，它以水射流為主，集合泵、閥、密封、液壓、材料、自動化控制等多門學科。其利用高壓泵打出高壓水，經管道到噴嘴，噴嘴則把高壓低流速的水轉化成低壓高流速、高能量密度的水射流，正向或切向沖擊被清洗表面，從而將結垢物剝離，完成清洗作業。該技術能耗低，操作者作業環境和勞動強度均有所改善。不過，由于在高溫、高濕天氣會快速生成二次浮銹，因此也阻礙了該技術的推廣應用。而且，該系統對水質要求非常嚴格，淡水消耗量巨大；并且清洗后的大量污水夾雜著銹皮、漆皮流入江海，容易造成附近水域的嚴重污染。目前，我國就有個別企業因解決不了二次浮銹的技術難題，不得不將購買的高壓射流除白設備長期閑置［1］。

開展水下清洗作業由于可以在船舶錨泊或停靠碼頭時直接進行，這樣就為在惡劣的海洋環境下開展作業提供了保障，既減少了船舶的停航損失，又使得船舶的燃油消耗大大降低，提高了經濟效益；同時還緩解了船塢不足的問題，所以水下清洗對于海洋工程結構的維修及軍事方面應用亦有廣闊前景。在國外，日本、美國、法國等國家的水下清洗作業裝置已經日趨成熟并走向實用化［2-3］。

目前水下清洗主要有如下幾種方式：

（1）水下人工清洗：由潛水員手持清洗轉刷，利用轉刷產生的負壓使之緊貼船體，人工推動刷體在船體表面運動；

（2）水下噴射清洗裝置：原理是將高壓水用于水下清洗作業；

（3）水下清洗機器人：它主要由吸附和移動機構、清洗裝置以及控制系統三部分組成，靠永磁吸附履帶實現吸附船體表面并移動的功能；

（4）遙控水下清洗器：由遙控器或計算機來控制水下清掃機器人完成清刷作業。

上述幾種方法各有利弊：人工清洗工作強度大且危險系數高；有些設備則需要在水溫較高且海水能見度較高的港口才可以使用，具有很大的局限性；依靠磁性吸附的清洗機器人不僅對船舶的導航系統有一定影響，而且在弧度較大的船體表面很難吸附，容易掉落，并且其造價也較高。因此，開展水下船體表面清洗作業的技術研究，對促進該領域的技術進步具有重要意義［4］。

2 總體設計方案

基于簡化結構、低成本易維修且便于推廣的設計思路，本設計方案參考沖擊式水輪機的原理：首先利用潛水泵抽取海水并加壓來沖擊葉輪；進而帶動清洗刷轉動來清洗船體表面，同時利用排出海水的反沖作用力和潛水泵進水口的吸力將刷體壓在船體表面；最后再利用傳動裝置帶動刷體沿船體表面移動，從而達到整船外表面清洗的目的。另外，考慮到海洋生物的繁殖期多在春秋兩季，在此期間其附著力相對最為薄弱，所以建議在每年的春秋兩季縮短對船體表面的清洗周期，這樣可以大大減少附著物的數量，提高清洗效率，進而達到較為理想的清洗效果。

本設計由動力潛水泵、可替換式刷體和傳動裝置三部分組成，動力潛水泵主要為刷體提供動力及反沖力。清洗刷的刷體結構如圖1所示，其上端連接潛水泵，刷頭部件可以根據實際情況隨時選換，具體選換標準請參考表1。

圖1 清洗刷刷體結構圖

表1 可選刷頭類型及適用范圍

傳動裝置由一個放置于甲板上并可移動的卷揚機構成，用于控制刷體爬上或者爬下船體表面，克服由于水泵及刷體本身重力及摩擦力所帶來運動的不便，同時起到移動刷體的作用，卷揚裝置隨著刷體的上下移動及時地收放保護纜繩，為作業刷體提供安全保障條件，并為潛水泵提供動力和控制電纜，這樣刷體邊移動邊清洗，如此往復即可完成清洗任務。

只要正確選擇刷頭并合適控制清洗方法和時間，就能輕松清除船體表面的海洋附著物，并且不會損傷到船體表面的涂層。這樣，我們可以在船舶不靠碼頭和不進船塢的情況下，隨時對船舶水線以下部位所附著的海生物實施清除，既節省大量人力，又節約很多寶貴時間。這既能提高船舶航速、降低燃料消耗，又能提高船舶在航率、節省維修經費，具有較高的經濟效益，從而達到節能環保的理想效果。

3 結 論

該清洗方案能延長船舶進塢修理時間、提高船舶運行效能、減少燃料成本，對船舶的節能環保將發揮積極作用。

（1）本新型反沖式清洗刷可以在甲板工作人員的操控下，較方便地清洗船體水線以下表面的海洋附著物，且不損傷船體表面油漆；清洗速度可以通過調節卷揚設備上的步進電機來控制。

（2）與傳統的清洗方法相比具有明顯優勢，其能夠克服永磁式水下清刷機器人干擾船舶導航設備的弊端，并具有結構簡單、制造方便、價格便宜等特點。

（3）考慮到實際最佳清洗效果，建議在春秋兩季使用，并且可在刷體上加裝水下可視裝置，以進一步增加對船體水線以下表面清刷效果的檢測功能。

［1］全玉臣.船舶清洗市場趨勢［J］. 清洗世界，2007，23（1）：52-54.

［2］袁夫彩，孟慶鑫，王麗慧，等.水下船體表面清刷機器人方案研究［J］.船舶工程，2002（1）：44-46.

［3］孟慶鑫，王義文.水下船體表面清刷機器人吸附及移動性能分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2006，27（2）：272-275.

［4］張玉蓮，陳勝，章海.船舶水下液壓清洗設備研究［J］.漁業現代化，2009，36（3）：52-55.