艦艇除銹面面觀

文/壁千刃

早在“海上聯合—2014”中俄聯合軍事演習期間，就曾有網友在港口附近拍攝到了俄羅斯軍艦上的水兵在忙碌地為“潘捷列耶夫海軍上將”號大型反潛艦的部分設備武器刷涂防銹油漆，此事引來網上一片熱烈的討論。不久前，有媒體報道稱菲律賓當年擱淺在南海仁愛礁上的老舊登陸艦生銹非常嚴重，船體多處已被銹穿，直通大海。由此可見，艦艇總有“刮不完的鐵銹”。實際上，對全球海軍而言，艦艇除銹技術都是一個重要的課題。

銹對艦艇的影響

海水本身含有大量鹽分，海水中的電解質和電荷比淡水有更強的銹蝕/腐蝕效應，在惡劣的海洋環境下，船體鋼很容易發生腐蝕或生銹，會嚴重影響整體性能，導致船體強度下降、局部腐蝕破損、航行速度下降等后果。長期浸沒在海水水線以下的艦船殼體，不僅受到海水腐蝕，還可能受到各種海生物(如貝類、海藻類、海草等)和其他污物的附著，使船殼受到污損或生銹，導致艦船航行時的表面阻力增大、航速降低。對于戰斗艦船而言，直接影響到艦船的戰斗力。由于海洋艦船運行環境對船體的腐蝕程度嚴重，長時間航行的艦船表面會產生氧化銹蝕現象，銹層能有效地阻滯氧進入金屬表面，同時也能加速金屬的腐蝕口，因此，對其必須進行定期的除銹噴漆維護，以確保艦船航行安全。艦船除銹是為了去除船體鋼鐵表面的氧化層和銹蝕物以及舊漆層，徹底的除銹可為噴漆提供良好的接觸基底，從而確保噴漆的質量，以更好地保護船體。

由于船舶在航行期間船底無法保養維修，必須在船舶進塢或上排時才能進行修理，因此，要求船底涂料在經濟技術指標允許的范圍內盡可能地延長使用壽命，以提高經濟效益和減少維修和保養的費用。現各國都廣泛使用長效的船底防銹漆，同時使用自拋光型船底防污漆。這樣隨著船舶的航行，防污漆不斷釋放毒料并溶解，在船舶定期維修時，只需用高壓水沖掉殘存的防污漆和少量海生物附著，可大大減少維修費用和周期。美國等發達國家則擁有水下刮船器，可對大型艦艇和輔助船直接在水下刮除海生物以延長防污期效。

艦艇除銹全方位透視

目前，艦船常用的除銹方法有手工除銹、機械除銹、高壓水射流除銹、噴砂除銹、機器人爬壁除銹等。

（一）手工除銹

在中俄“海上聯合-2014”聯合軍事演習落下帷幕的第二天上午，中國海軍“鄭州”艦與俄羅斯海軍導彈巡洋艦“瓦良格”號對公眾開放。據登艦者所觀察，“瓦良格”號平時刷防銹漆工作很粗糙。經常航行的船舶出現掉漆生銹本是家常便飯，除銹補漆也是一門海軍的基本功夫。根據普通要求，對于船上的銹跡，應該用刮刀將銹斑全部刮除，然后反復涂刷3-4遍防銹漆后再涂上灰色底漆，這樣處理的艦艇表面雖然可能存在油漆新舊導致的色差，但基本不會有大的凹凸。而俄艦的狀態，很明顯是直接略過了刮銹這一“臟活”步驟，簡單涂漆了事。而從凹凸的厚度看，這種“處理”已經反復經歷了好幾次，絕不僅僅是此次出訪的應急面子工程，而是日常標準操作。這種掩耳盜鈴的刷漆除銹，非但不能保護艦艇表面，還會因為銹跡影響油漆的附著力，導致艦艇更快在海上掉漆和更大面積的生銹。

手工除銹的工具有敲銹錘、除銹鏟、刮銹刀、鋼絲刷等，一般厚的銹斑用榔頭敲松再用鏟刀鏟除。手工除銹，工具簡單，方法易行，幾乎不受作業場所的限制。目前，各國艦艇進行日常除銹作業，仍經常采用手工除銹的，手工除銹工具主要有：敲銹錘用來清除鋼鐵面上較厚的鐵銹、疏松的氧化皮及舊涂膜。使用敲銹錘時，刃端不可磨得過于鋒利，否則會在鋼板表面造成深痕。清除鋁、銅及木質表面的舊涂膜，不得使用敲銹錘，以免損傷物面。刮銹刀用來刮除舊涂膜和薄鐵銹的工具，端部成三角形。除銹鏟形似鍋鏟的除銹工具，帶有較長的木柄，主要用來清除船底的銹污。鋁刮刀用于鏟除鋁質、銅質物面的舊涂膜和海生物，不易損傷物面，但鋁刮刀由于硬度不夠不適于處理鋼鐵表面的銹。鋼絲刷是板刷狀的除銹工具，用來刷凈經敲擊和刮除后留在鋼鐵物面的殘跡。不平滑的鋼鐵表面經敲擊和刮除后，必須用鋼絲刷刷凈；用銅絲制成的板刷狀除銹工具，用于清除鋁合金、銅質表面經刮除后留下的殘跡。噴燈用來燒熔木器上較牢固的舊漆，使之焦軟起泡，然后用刮銹刀除掉。清除質厚的鋼鐵物面上大面積貼除牢固的舊涂膜，也可以用噴燈。

然而，手工除銹由于工人操作時勞動強度大、工作條件差，因而除銹效率低，一般速率為2m2/h一5m2/h，難以去氧化皮等污物，除銹效果不佳，難以達到規定的清潔度和粗糙度。因此，隨著艦艇除銹行業的快速發展，手工除銹已變得落后，滿足不了實際生產的需要。但在修船過程中，特別是對局部缺陷的修補，仍常采用此力法。對于機械除銹難以達到的部位，如狹小艙室、型鋼反面角隅邊緣等作業困難區域也多用手工除銹。

（二）機械除銹

小型風動或電動除銹主要以電或壓縮空氣為動力，裝配適當的除銹裝置，進行往復運動或旋轉運動，以適應各種場合的除銹要求。如角向磨光機、電動鋼絲刷、風動針束除銹器、風動敲銹錘、齒型旋轉除銹器等，屬于半機械化設備，工具輕巧、機動性大，能較徹底地去除銹、涂層等能對涂層進行打毛處理，效率比手工除銹大大提高，可在任何部位使用特別在修船過程中得到廣泛應用。一般配備于涂裝站，艦艇廠修時可借用。外國艦艇常用的小型風動除銹工具有：風動砂輪機結構和一般砂輪機差不多，為手持式，主要用于清除鑄件毛刺，修光焊縫，修磨大型機械表面。風動敲銹鏟由手柄、開關、套筒、汽缸、鏟頭等組成。壓縮空氣驅動汽缸活塞運動，連于活塞的敲銹鏟即可除銹，適用于狹窄處。針束除銹機由錘體和手柄組成，壓縮空氣驅使錘體作往復運動，于是針束隨之反復撞擊工作面，使其表面的銹蝕脫落。其特點是：針束可隨作業面曲面的形狀而自行調節針束往復的幅度，以徹底清潔銹蝕。針束除銹器主要用于彎曲、狹窄、凹凸不平處及角縫處，其壓縮空氣耗量少，操作簡便。便攜式吸塵除銹機由除銹機和吸塵裝置兩部分組成，除銹機的風動馬達上裝有三爪刀盤，刀片為硬質合金制成，刀盤上裝有護罩，可起到強化局部吸塵和安全防護的作用。分離式電動除銹機電機轉動時，通過軟軸帶動刀盤轉動，刀片在隨刀盤運動中以高速敲擊和刮削金屬面，使銹蝕脫落。銹蝕較輕或用刀片清理過的表面，可以把刀盤卸下，換成鋼絲刷，對作業面作進一步的處理。分離式電動除銹機操作靈便，適用于焊縫、鉚釘、邊角、縫隙的除銹。然而，不能去除氧化皮，表面粗糙度較小，不能達到優質的表面處理質量工效較低。

（三）噴砂除銹

干噴砂設備是利用壓縮空氣將砂粒經噴咀以高速作用于艦體而清除銹污的裝置。輸送砂粒有壓力、吸入、重力等不同方式，砂粒通過噴咀的砂旋塞進人噴砂管，在3-6個大氣壓的作用下，噴向作業面。砂子一般用一定直徑的石英砂或河砂。濕噴砂設備是一種砂加水的噴砂除銹裝置，優點是環境污染小，缺點是效率低。其工作過程是：砂和水分貯于砂罐和水罐，砂在7千克力/厘米2的氣壓作用下，水分別進入噴咀以高速噴出。為防止作業面再次生銹，在水中加人0.5-2.5%防銹劑，可保持8-16晝夜不生銹。噴丸設備與干噴砂設備相似，是用金屬彈丸代替砂粒，因而效率更高。其彈丸氣壓為1-8個大氣壓，噴咀用高硬度鋼制成，每個噴咀使用壽命13-25天。 噴丸設備的操作人員與作業面、設備等是隔開的，工作間的墻壁為避免噴丸影響，覆以5毫米橡皮。拋丸設備是向高速旋轉的葉輪裝入鋼丸，鋼丸隨即高速拋向作業面的封閉式除銹裝置，使用較多丸的材質是除銹效果的關鍵，常用材料有海砂、河砂、鋼渣、鋼丸、鐵丸、鋼絲段等。船底拋丸除銹機是船塢專用設備。載于車上的船底拋丸除銹機，其鐵丸的出口由液壓系統控制升降，外面罩以密封柜。作業時升降裝置將拋丸出口對準作業面，密封柜與船體緊貼，鐵丸以高速沖擊船底后又彈回貯丸缸內。

（四）超高壓水射流除銹

隨著超高壓水射流技術的發展，上個世紀末，超高壓水射流達到200 MPa,可以實現無磨料的純水除銹。為了防止水射流除銹返銹,采取了真空技術，將幾個除銹噴嘴安裝在1個真空腔內，實現真空水及廢料回收，起到良好的防止返銹的效果。高壓水射流除銹通常是選用超高壓純水射流或者是較低壓力的脈沖射流。另外，也可使用帶磨料的高壓水射流來實現除銹、剝除舊漆層的目的。水射流磨料除銹是在高壓水射流中摻有石英砂，磨料剝削能力強，實驗效果好，然而船塢很大，磨料的輸送需要腳手架輸送起來不容易，且船塢環境潮濕，保證磨料干燥較困難。但是，目前這種技術還不夠成熟，且由于除銹過程中要求盡量保持干燥的操作環境，而純高壓水射流除銹方式存在被除銹后船體表面的輕微返銹問題，對于這種現象，通常是選擇恰當的化學涂料或在水中加入定量的化學緩蝕劑來抑制返銹，這樣卻會造成環境污染問題，并且在施工過程中難以定性定量操作。到目前為止，超高壓水射流除銹已經成為西方發達國家的主要除銹技術。新射流如脈沖射流、空化射流和磨料射流的相繼出現，增加了切割、剝離、破碎等能力，提高了水射流除銹質量。隨著社會對艦船除銹行業提出了更高的效率、潔凈率及環保要求，高壓水射流艦船除銹技術在各國的應用日漸廣泛。這一不返銹現象對表面預處理艦船除銹技術是至關重要的。相對于干噴砂除銹工藝，超高壓水射流除銹工藝不但有除銹效率高、除銹效果好的優點，尤其是該工藝僅使用水作為除銹介質，水射流不會造成二次污染，清洗過后無特殊要求不需進行清潔處理，無有害物質排放與環境污染問題，可以清洗形狀和結構復雜的物件，能在空間狹窄、條件惡劣的場合進行作業，清洗快速、徹底。水射流技術環保、無污染、工作環境友好。可以預見，該技術今后在艦船除銹方面有很廣闊的應用前景。

（五）爬壁機器人除銹

隨著社會環保力度的加大，及仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術，新理論的應用，在先進的艦艇除銹成套設備中，執行系統多采用環保、安全、高效的除銹爬壁機器人。例如德國Hammelmann公司研制的艦船除銹設備就有手持噴槍及清洗器、自動除銹車和除銹爬壁機器人等。美國研制了用于搭載艦船除銹清洗器的M系列爬壁機器人。M系列爬壁機器人采用永磁吸附，兩塊大吸附力的永磁鐵分別安置于機器人的前軸和后軸的下面，強大吸附力的永磁鐵能夠承受機器人216千克的重量以及近百米長的真空回收管路和超高壓水射流管路負載重量，并且能夠透過船壁6.3 毫米厚的涂料層將機器人牢牢地吸附在豎直船體表面，永磁鐵與艦船壁面之間存在一定的間隙，避免了機器人轉彎時永磁鐵與艦船壁面之間的滑動干摩擦，機器人能夠靈活地行走和轉向。機器人傳感器、電機等電器元件完全被密封，有效地防止了超高壓水管路泄漏、水射流噴濺或雨水等因素對電子元器件的影響。該機器人搭載質量大、負載能力強、除銹速度快、除銹效率高,采用兩臺電機進行驅動，除銹速度可達500 毫米/秒，除銹寬度達到380 毫米。然而，難以在非結構化壁面工作。M系列爬壁機器人適用于壁面近似豎直、平坦的廣闊船壁兩側，但是不適合在船頭、船尾、艦船腹底等大曲面非結構化壁面上作業，結構需要進一步小型簡單化，制造和維護成本較高，重量需進一步減輕。不能在艦船的非結構化壁面上實現附壁。

存在問題

艦船除銹是艦船表面鋼質材料的預處理，是艦船涂裝前的首要任務，是修船和造船的關鍵步驟。隨著社會對艦船除銹行業提出了更高的效率、潔凈率及環保要求，機器人除銹技術在各國艦船除銹的應用日漸廣泛。可以預見，機器人除銹技術在今后有很廣闊的應用前景。然而，艦艇除銹對除銹機器人的要求高，主要表現在以下幾個方面：(1)具有在鋼質船體豎直或者近似豎直的壁而上可靠的吸附能力。 (2)具有良好的沿艦船壁面上爬和轉彎的驅動能力。(3)具有良好的承載較大的清洗器重量、負載管路重量和機器人本體重量的負載能力。(4)具有良好的艦船壁面移動行走性能，包括越障能力、抗傾覆能力。機器人負載大、本體重、負載大則要求機器人吸附力大、驅動轉矩大。然而，機器人吸附力大會造成機器人行走和轉彎困難，也會導致吸附元件重量加大。同時，驅動轉矩大則會導致所選的驅動元件重量加大。因此，除銹機器人可能出現的問題如下：

(1)由于在除銹上作過程中存在艦船壁面法向的射流反沖力，較大的射流反沖力將影響機器人的附壁能力，對機器人吸附不利，可能造成機器人后翻。

(2)主要工作在船體兩側較為垂直的鋼質表面，由于大型艦船兩側很高，因此，機器人拖帶的負載管路會更長、更重，超出一定船壁高度，機器人仍然可能存在驅動和附壁性能不足的問題。

(3)艦船船頭和船尾結構復雜，非結構化囚素較多，因此，除銹機器人尚不具備在艦船船頭和船尾工作的能力。

(4)為滿足修船效率要求，以艦船除銹時間短為目標，需要加大除銹清洗器尺寸，這就對除銹機器人的負載能力有了更高的要求。此外，在搭載一定型號的清洗器、保證除銹質量的前提下，提高機器人移動速度有助于提高除銹效率。

結語

迄今為止，艦船除銹工藝經歷了磨料射流技術、超高壓純水射流技術和爬壁機器人真空超高壓水射流成套技術三個發展階段。第一階段，磨料射流除銹將水可以除銹變為現實，除有磨料飛濺污染外，水加砂型的磨料水射流濕式除銹基本消除了環境污染，但是，磨料射流除銹中難以連續均勻地輸送磨料，在船廠船塢的現場應用效果不佳。第二階段，超高壓純水射流可以解決磨料的連續輸送問題，但是，人工手持噴槍除銹作業是比較危險的，而且船壁進行射流除銹后有一些水分積累，很快會重新生銹，即返銹。第三階段，采用爬壁機器人搭載除銹清洗器作業，將超高壓水射流除銹、真空系統抽干并排渣、爬壁機器人執行除銹作業三者成套設計于一體，采用水射流除銹，然后真空抽干水分并回收銹渣來防止返銹，應用大型爬壁機器人搭載除銹清洗器遙控作業可以保證操作安全，使得除銹質量和效率明顯提高。