水霧無塵噴砂表面清理技術分析與應用

許朝清,沈 平,劉金平,吳泰峰

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

0 引 言

“綠色發展”是我國在新時期經濟社會發展的行動先導和方向指引。黨的十八大以來，國家提出了良好生態環境是普惠民生的福祉——“綠水青山就是金山銀山”的理念，未來“綠色”將成為我國發展的重要引導。

我國修船業在國際上屬于傳統優勢產業，具備一定的產業規模，但同時修船涂裝又是高污染產業。目前，國內修船廠普遍采用常規干噴砂涂裝工藝。特別是修船露天開放和半開放式噴砂除銹涂裝區域(主要包括外殼、大艙、甲板和上建等)對大氣環境的污染非常嚴重。現有修船涂裝嚴重污染環境的傳統工藝已不能適應國家環保和推進綠色制造的要求。

為推進我國修船行業的可持續發展，國內各修船企業都在研究環保型表面清理新技術、新工藝。本文主要介紹中船澄西船舶修造有限公司(后文簡稱中船澄西)及其子公司江陰華爾新特種涂裝有限公司聯合研制的新型水霧無塵噴砂除銹裝置在修船涂裝等領域的應用，為國內其他修船企業和涂裝行業提供一定的參考和借鑒。

1 修船企業環保型表面清理技術發展現狀

1.1 目前修船企業環保型表面清理工藝、技術

1.1.1 常規干噴砂抑塵方法

國內部分修船企業在不改變現有傳統干噴砂工藝的條件下，采取了一些比較簡單的抑塵措施，能夠在一定程度上減少干噴砂產生的粉塵。

(1)防塵網。在干船塢或浮船塢的外板與塢墻之間拉設透氣式防塵網，以及在開口式貨艙拉設防塵網，通過防塵網遮蓋的方式減少粉塵在空氣中的彌漫、飄散。有些船企在船塢安裝固定式防塵網機械收放裝置，以提高防塵網拉設速度并減少人工使用。

(2)霧炮機和水噴淋。采用移動送風式霧炮機作為開口式大艙和外板干噴砂的抑塵措施之一。船企通過加裝導流罩和霧化噴頭，將自有的軸流風機改裝成霧炮機。水在霧炮機的作用下形成細微水霧，彌漫在空氣中的水霧能夠迅速與粉塵結合、沉降，對減少揚塵有一定的效果。利用干船塢或浮船塢自備消防泵或高壓水設備，在塢墻上安裝固定式水噴淋噴嘴作為減少船塢內外板干噴砂揚塵的措施。

1.1.2 高壓水混合磨料清理技術

高壓水混合濕噴砂的工作原理是利用工作壓力在30～50 MPa、流量為20～40 L/min的高壓水清洗機噴射出的水射流的負壓虹吸作用，采用噴槍后混合的方式，在高壓水射流中加入適當標號的固體磨料，利用固液混合流體的射流沖擊、剪切等作用，清除附著在鋼板表面的銹蝕、油漆和其他附著物。采用該技術的噴嘴一般偏小，清理面積比較小。

由于該施工技術效率相對較低、耗水量較大且附件磨損率較高，目前僅在石化儲罐等陸地防腐領域有少量使用，尚沒有在國內修船廠應用。

1.1.3 水霧無塵噴砂技術和裝備

近幾年水霧無塵噴砂工藝在國外有一定的小范圍應用，主要用于建筑物和鋼結構防腐的局部清理(混凝土和鋼結構)。設備為單缸單槍，以壓縮空氣為動力源，使用顆粒度很小(180～250 μm)的非金屬磨料為介質，通過小型罐體(一般不超過0.5 m3)將磨料與水預混合后進行噴砂，耗水量1～3 L/min。由于采用了磨料與水的預混合技術，抑塵效果非常好，較常規干噴砂可減少90%以上的粉塵。國外主要設備品牌有美國GRACO、美國VAPOR-ABRASIVE、美國GBT、德國TORBO和荷蘭AIRBLASTER等。

目前國內僅有少數幾家修船廠購置了相關設備，但由于修船行業的特點，最終試用效果都不佳，無法滿足國內修船量大、節奏快的要求。目前幾家修船廠購置的國外設備均處于停用狀態。

1.1.4 超高壓水射流清理技術和裝備

超高壓水射流清理工藝是利用超高壓水泵設備，從噴嘴中射出(壓力為180 MPa或更高)標準噴射水處理涂裝或檢查表面的一種方法。水噴射使用的高壓水流離開噴嘴口時，最大速度高于340 m/s。根據行業的廣泛認識，水噴射不會造成表面粗糙，更準確地說是只能暴露原先磨料噴砂清理過的表面粗糙。

超高壓水射流工藝在歐美發達國家修船涂裝領域的成熟應用已有大約20年，該施工工藝大概在2 000年左右引入我國，廣東地區修船廠的應用較為成熟，國內其他地區修船廠也有少量應用。引入該施工工藝的初期，主要在包括主甲板、艙蓋、壓載艙等區域應用，使用設備主要是人工手持式溢流超高壓水槍。近年來，舟山萬邦永躍船舶修造有限公司(后文簡稱舟山萬邦)率先將該施工工藝應用于修船外板涂裝，采用高空作業車+大流量真空吸盤式組合噴頭，工作壓力更高(大于250 MPa)、單槍流量更大(大于26 L/min)、施工效率更高，同時采用真空吸附方式將廢水同步過濾。此應用實例為其他國內修船企業提供了良好的示范。

目前修船企業在用的超高壓水成套設備主要品牌有德國HAMMELMANN、德國WOMA、美國NLB、美國JETSTREAM、天津通潔等。舟山萬邦采用的是德國HAMMELMANN成套設備。

1.1.5 激光表面清理技術

激光清理工藝是近年較為前沿的技術。激光表面清理技術主要是利用金屬和非金屬表面涂覆層吸收聚焦的激光能量，使涂覆層升華而瞬間脫落。目前該工藝主要應用于一些精密零部件的表面清理，還不適用于船舶涂裝。

1.2 目前環保型表面清理設備、技術優缺點分析

從國內修船企業比較關心的幾個方面將修船企業環保型表面清理工藝、技術與常規干噴砂工藝進行對比、分析。

1.2.1 投資費用

(1)防塵網、霧炮機和水噴淋的投資費用很少，1個船塢一般在5 萬～10萬元。

(2)高壓水混合磨料清理設備單槍整臺/套在5萬元左右，也可利用修船企業自有高壓水清洗機改造。

(3)國外水霧噴砂設備為整機進口，價格昂貴，單槍整機價格在40萬元以上。

(4)超高壓水射流清理設備核心泵組分為國產、合資組裝和整機進口，雙槍整臺/套價格為50萬～100萬元不等。

1.2.2 抑塵效果

(1)防塵網、霧炮機和水噴淋作為被動式抑塵措施，抑塵效果不良，根據實際安裝情況，預估粉塵抑制率在20%～30%。

(2)高壓水混合磨料清理工藝可減少95%以上的粉塵。

(3)國外水霧噴砂設備可減少92%以上的粉塵。

(4)超高壓水射流清理設備清理介質為水，無磨料，不產生粉塵。

1.2.3 施工效率

對比標準：按照常規修船鋼板表面同等原始狀況，處理標準等效于噴砂Sa2級。與常規干噴砂工藝施工效率比較：國內一般修船企業普涂噴砂Sa2級的平均施工效率為10～12 m2/h。

(1)高壓水混合磨料清理最大施工效率僅為常規干噴砂的50%，為5～6 m2/h。

(2)國外水霧噴砂設備施工效率僅為常規干噴砂的30%～40%，為3～5 m2/h。

(3)手持式單槍超高壓水的清理效率為3～5 m2/h。舟山萬邦外板施工效率為12～16 m2/h。

1.2.4 運行成本

(1)防塵網、霧炮機和水噴淋增加了少量的人工拉設成本。

(2)高壓水混合磨料清理工藝運行成本增加30%以上。

(3)國外水霧噴砂設備綜合運行成本是常規干噴砂的2～3倍。

(4)超高壓水射流清理設備工藝沒有磨料的消耗成本，主要運行成本是設備投資折舊、動能、備品備件的消耗以及人工工時的增加。單槍手持式運行成本是常規干噴砂的1.5倍左右。據了解，舟山萬邦外板清理的運行成本較常規干噴砂增加20%～35%。

2 新型水霧無塵噴砂裝置的研制

中船澄西聯合下屬涂裝專業子公司江陰華爾新特種涂裝有限公司，結合修船涂裝實際，通過消化吸收國內常規干噴砂機和國外先進水霧噴砂的設備技術，并把這兩種技術的優點糅合到一起，成功研制出經濟、高效的新型通用雙槍水霧噴砂機，應用該技術也可將現有干噴砂機改造為雙槍水霧噴砂機。目前已初步實現新型通用雙槍水霧噴砂機從原理樣機到工程化應用的轉化，為國內修船企業從修船普涂向環境友好型施工工藝過渡提供解決方案。

2.1 研制路線和目標

在現有環保清理工藝技術中，業界普遍認為超高壓水射流清理技術代表了今后修船涂裝表面除銹清理的方向，但目前受設備投資成本高、運行維護成本高、手持式施工效率偏低、大流量半自動化設備僅能用于外板等因素的制約，綜合使用成本仍偏高，短時間內還很難在國內修船企業中大范圍推廣應用。因此，在現有的成熟噴砂工藝的基礎上，在修船企業配套設備、設施不改變的前提下，研制投資費用不高、運行成本較低、適用于修船企業的水霧無塵噴砂清理設備，能夠在一段時間內解決修船企業普涂干噴砂粉塵污染的問題。

2.2 關鍵技術解決途徑

水霧無塵噴砂工藝的關鍵技術是混合磨料、水與壓縮空氣混合比例，以及高精度壓差控制。

在噴砂除銹過程中，必須保證噴砂槍產生連續穩定的噴射力，這就需要混合磨料均勻流動并能夠形成細小噴砂霧粒。因此，混合磨料、水與壓縮空氣混合比例，以及高精度壓差控制技術至關重要。通過突破關鍵技術，實現磨料缸內壓力的穩定、可調節，實現噴砂、清洗、干燥清潔等多項使用功能。

該關鍵技術的解決途徑如下：

(1)通過壓縮空氣、水和混合磨料的流向控制、流量控制以及混合控制，設計并選擇可靠的模塊化安裝控制元件及管路，實現無塵噴砂除銹裝置的多項功能。

(2)調節-壓縮空氣的工作壓力，控制磨料缸與壓縮空氣的壓力差，選用不同顆粒度配比的非金屬磨料，同時通過氣動磨料閥調節混合磨料的流量，調節工作噴射力的大小，滿足不同表面粗糙度的要求。

(3)根據技術設計、選型，研制先進的低壓縮比、高精度、可調流量的機械換向式柱塞輸送泵，通過高精度、大流量氣壓調節器，優化控制柱塞式輸送泵的進氣量和氣壓，使磨料缸內的水壓與壓縮空氣的壓力形成穩定的壓力差，確保混合磨料出料順暢并均勻流動。

2.3 新型通用雙槍水霧噴砂機主要技術性能

中船澄西聯合子公司江陰華爾新特種涂裝有限公司于2018年上半年初步研制成功新型通用雙槍水霧無塵噴砂機原理樣機，并于2018年7月完成第一批18臺的批量制造并交付使用。新型噴砂機操作功能圖解如圖1所示。

圖1 新型噴砂機操作功能圖解

2.3.1 主要技術參數

表1是新型通用雙槍水霧無塵噴砂機的主要技術參數。

2.3.2 設備性能特點

(1)突破性的一機單缸雙槍:單缸雙槍同時作業，工效更高;更適用于規模化應用;滿足遠距離、高處作業需要。

表1 新型通用雙槍水霧無塵噴砂機主要技術參數

(2)功能齊全、操作便捷：集噴砂、清洗、吹風功能于一體；手動、氣動、無線遙控操作可自由切換；磨料流量、清洗流量、噴砂壓力可調；水加熱裝置，滿足低溫作業需求。

(3)更低的磨料使用成本：適合任何密度大于水的磨料；磨料粒徑范圍為0.1～2.4 mm；磨料可重復使用，適用銅礦砂磨料；對磨料鹽分含量的要求不高，電導率小于550 ms/cm。

(4)更廣的水源選擇：配置易維護的通用進水過濾器；適用簡單過濾后的江河淡水；自動補水，液位可見；對水的鹽分含量要求不高，電導率小于350 ms/cm。

(5)專利磨料混合缸：更大容量(1.5 m3)提供更長時間連續作業保障，雙槍連續作業時間超過2 h；缸體有效容積大，磨料使用更徹底；精巧設計的加料頂閥，實現一鍵開關，磨料添加更方便、更快捷；內部特涂標準涂裝，耐磨涂層，內部附件采用不銹鋼，經久耐用。

3 水霧無塵噴砂工藝磨料的選擇與來源

3.1 水霧無塵噴砂適用磨料

水霧無塵噴砂工藝可使用所有密度大于水，不易在水中氧化的各種磨料。中船澄西研制的新型水霧無塵噴砂裝置與國外同類型設備相比，適用的磨料顆粒度范圍更廣，不僅能夠使用目前常規干噴砂的普通銅礦砂，也能夠使用相對較細的磨料且噴砂效果更佳。對于陸地鋼結構、橋梁涂裝修復和石化儲罐、海工鋼結構涂裝修復工程，都可以選用包括銅礦砂在內的多種顆粒度范圍的各種非金屬磨料，其他適用的非金屬磨料還有石榴石、鐵礦砂、棕剛玉、玻璃渣、煤渣等。

3.2 配套非金屬磨料分類處理線

在基本相同的物理和化學性質下，銅礦砂及其他非金屬磨料在修船涂裝中的利用價值主要取決于它的顆粒度情況，重復使用后顆粒度會越來越小，一般按照顆粒度大小分為3類：第一類是顆粒度尺寸較大的磨料，此類磨料可再重復用于常規噴砂清理；第二類是顆粒度相對較小的磨料，此類磨料如再次用于常規清理，清理效率較低，產生的粉塵很多；第三類是顆粒度很小的粉塵，此類銅礦砂對于噴砂清理工藝沒有利用價值，只能作為生產水泥和其他建筑材料的原材料使用。銅礦砂成品及重復利用后顆 料度大致分布對比如表2所示。

表2 成品和使用過多次后銅礦砂顆粒度大致分布對比

從表2的顆粒度分布情況可以看出：使用1次后較大顆粒的銅礦砂還有60%左右，較小顆粒在30%左右；使用2次后較大顆粒大約剩余35%，而較小顆粒的比例達到40%左右。

從銅礦砂非金屬磨料二次重復使用后的顆粒度分布情況可以看出，較大和較小顆粒的兩類磨料占80%左右，如果能將這兩類磨料繼續重復利用，可以大幅減少修船銅礦砂非金屬磨料的消耗量。

為提供與水霧無塵噴砂新工藝配套的磨料及降低運行成本，同時為減少銅礦砂磨料的消耗量，中船澄西自行設計制造了一條滿足當前及今后環保要求、自動化程度高、節能高效無污染的非金屬磨料分類處理流水線，能夠實現銅礦砂等非金屬磨料重復利用的最大化，使現有普通銅礦砂二次重復利用率達85%以上，三次重復利用率達70%以上。

4 水霧無塵噴砂清理工藝的應用

4.1 水霧噴砂工藝驗證

4.1.1 抑塵效果

經過專業的第三方檢測機構檢測，新型水霧無塵噴砂工藝與傳統干噴砂工藝相比，在非近距離反射區域可減少92%以上的粉塵污染。

4.1.2 表面處理質量

鋼板表面會產生不同程度的閃銹。水霧噴砂工藝的表面處理更均勻、粗糙度適中，并且與老涂層的坡口過渡平緩。與干噴砂采用相對較細的磨料相比，處理后的鋼板表面粗糙度在70～80 μm。

4.1.3 表面鹽分含量

水霧噴砂采用普通淡水(包括經簡單過濾的江河水)，電導率為350 μs/cm左右。另外，水霧噴砂測試用磨料為重復利用的銅礦砂，鹽分含量較高，電導率一般都超過450 μs/cm。經測試，原鋼板表面鹽分含量超過350 mg/m2，水霧噴砂后的鋼板表面鹽分都小于40 mg/m2。

4.1.4 水霧噴砂和傳統干噴砂施工效率測試

水與磨料的物理性質很不相同：水為液態、密度還不到銅礦砂磨料的三分之一；水具有一定的張力，能夠包裹住磨料。在同等條件下，與常規干噴砂相比，水霧混合磨料以壓縮空氣為輸送動力，從噴槍噴出的時候，對被處理表面的打擊力會有所減弱，因此施工效率較常規干噴砂要低一些。

經過優化改進，在同等條件下，新研制的水霧噴砂除銹設備施工效率是國外同類水霧噴砂設備的1.5倍，可達常規干噴砂的80%左右。對比測試結果如表3所示。

表3 新型水霧無塵噴砂與傳統干噴砂、國外水霧無塵噴砂施工效率對比測試

4.2 涂裝工程應用

水霧無塵噴砂工藝應用領域比較廣泛，可應用于修船開放式涂裝、陸地鋼結構和橋梁涂裝修復、石化儲罐和海工鋼結構涂裝修復工程，另外也可用于非金屬建筑表面的清理等。

4.2.1 船舶涂裝

中船澄西于2018年8月開始,陸續在修船涂裝實船和陸地鋼結構防腐領域應用水霧無塵噴砂工藝，截至2018年10月，共完成水霧噴砂面積超過5萬m2，施工區域包括外板、主甲板、上層建筑和艙口蓋等，施工船型有散貨船、集裝箱船、LPG船和化學品船等。

4.2.2 陸地防腐涂裝

水霧無塵噴砂同樣適用于陸地防腐涂裝。水霧無塵噴砂在調整到一定的運行參數范圍內后，能消除噴砂過程中產生的火花，滿足陸地防腐中一些危化品液體、氣體儲罐不清罐即可進行噴砂處理的要求，節省清理費用并能縮短維護時間。

5 修船企業批量應用水霧噴砂工藝投資運行成本預測

5.1 設備投資成本

按照水霧噴砂工藝在某骨干修船企業對現有普涂干噴砂工藝替代率40%～50%計算，需要配置約50～60把噴砂槍。如全部購置新設備，設備總投資在600萬～800萬元左右，如對原有噴砂缸進行改造升級，設備投資成本在500萬～650萬元左右。

5.2 配置非金屬磨料分類處理流水線的運行成本

5.2.1 非金屬磨料分類處理流水線產能

按照1條處理線15 t/h的產量，每天生產8 h，每年工作245天計算，全年可生產再生利用銅礦砂非金屬磨料約28 000 t。磨料價值按照200元/t、扣除生產成本和設備折舊費用約70元/t計算，每條處理線全年可節省成本約350萬元。

5.2.2 水霧噴砂工藝與傳統干噴砂工藝對比

水霧噴砂工藝使用分類處理流水線生產的銅礦砂磨料，能夠大幅降低修船企業涂裝成本，發揮水霧噴砂工藝優勢。

從表4分析可知，水霧噴砂工藝較傳統干噴砂工藝單位面積可以降低50%消耗成本(約10元/m2)，按照水霧噴砂工藝在某骨干修船企業普涂噴砂40%的替代率(100萬m2/年×0.4=40萬m2)計算，全年可節省成品磨料消耗成本約400萬元。

按照60把槍的配置，水霧噴砂設備投資費用兩年左右即可收回。

表4 單位面積水霧無塵噴砂工藝與傳統干噴砂工藝消耗成本對比

6 結 語

本文通過分析對比現有主要環保清理工藝的優缺點和運行成本,介紹新型水霧無塵噴砂除銹裝置的開發，以及在國內某骨干船廠的初步應用。同時，根據新型水霧工藝磨料選用要求，配套設計非金屬磨料分類處理流水線，實現磨料重復利用的最大化和水霧噴砂工藝的低成本運行。這為國內修船企業在修船涂裝和其他防腐涂裝修復領域探索了環保清理新工藝，為包括修船涂裝等防腐領域在我國的可持續發展提供一些思路和參考。