激光清洗技術在汽輪機葉片除銹中的應用

張金星

（寶宇（武漢）激光技術有限公司，湖北武漢 430024）

0 引言

噴砂除銹技術是通過空氣壓縮壓力沖擊鋼鐵表面，將鋼材表面銹蝕、氧化皮、底漆等雜志清除的一種技術，其在使用過程中會產生大量封塵，不僅會污染環境，對操作人員的身體健康還具有一定危害。激光除銹技術作為一種綠色清洗技術，其能耗低、污染小，配備機器人或機器手可實現智能化、自動化操作，有利于進一步提高銹蝕清除作業的質量和效率。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選取3 個銹蝕狀態相似的汽輪機葉片，其中實驗樣板a 粗糙度為70～80 μm，葉片底漆厚度為50 μm；樣板b 和c 粗糙度為20～30 μm，葉片底漆厚度為30 μm。這3 種實驗樣板中，樣板a 表面保護漆完好，樣板b 表面漆部分被破壞、葉片表面呈現部分銹蝕狀態，樣板c 表面漆全部被破壞、葉片表面呈現完全銹蝕狀態[1]。

1.2 實驗裝置

激光清洗技術利用高能高頻激光脈沖設備照射對設備表面進行除銹，此時設備銹層將吸收激光能量，以此來使設備表面銹蝕剝離或蒸發。

本實驗設備為脈沖光纖激光器，主要由傳輸光纖、控制系統、激光器和導光頭組成（表1）。利用設備去除葉片銹蝕時，激光器將脈沖激光傳導至振鏡，然后通過傳輸光纖將激光傳導至槍頭發出光線，此時設備冷風機啟動對激光設備進行降溫，以此來穩定設備溫度[2]。

表1 激光清洗設備參數

2 實驗結果與分析

2.1 實驗過程

實驗1：選擇焦距為330 mm 的激光聚焦鏡，同時設置激光設備光斑直徑為0.1 mm，掃描面積為50 mm×50 mm，線間距為0.07 mm，光斑速度為6000 mm/s，除銹時間設置為120 s。實驗過程中由實驗人員持激光設備在銹蝕區域從上至下、從左至右對實驗樣本進行清洗[3]。

實驗2：利用相同激光設備，選擇焦距為254 mm 的激光聚焦鏡，設置激光設備光斑直徑為0.07 mm，激光掃描面積為50 mm×50 mm，線間距為0.046 mm，光斑速度為6000 mm/s。減小激光焦距可以增激光能量密集性，進而提高除銹效果。

2.2 實驗分析

2.2.1 除銹效果對比分析

利用實驗方案1 對對樣板a 和樣板b 進行處理后，葉片表面呈現金屬光澤且表面平滑，與噴砂除銹技術效果基本一致。由于樣板c 底部存在少量Fe3O4氧化層，而激光設備功率較小，在規定時間內無法有效去除氧化層，并且增加了葉片表面粗糙度，因此該實驗數據不具備參考價值[4]。實驗測試數據如表2 所示，方案1 和方案2 激光能量密度數據如表3 所示。

表2 激光清洗實驗結果

表3 激光能量密度數據

從表2、表3 可以看出，方案1 的除銹結果與傳統噴砂除銹效果基本一致，同時樣板a 和樣板b 除銹效率為0.6 m2/h，而傳統噴砂除銹效率為17.0 m2/h，可見激光清洗技術在清洗效率方面優于噴砂除銹技術[5]；方案2 的激光能量密度高于方案1，其除銹效果明顯改善，經過處理后的葉片表面粗糙度基本達到最小值，葉片表面粗糙度較方案1 下降了3～8 μm；在相同時間下，方案2 除銹效果有一定提升，實驗樣板a 和除銹效率均提高了0.2，而樣板c 在規定時間內可以有效去除Fe3O4氧化層。由此可見，減小激光能量密度可以有效提高激光清洗效果[6]。

另外，在不破壞葉片底漆的情況下，兩種方案的除銹效果均可以達到良好的級別，尤其是在葉片存在局部銹蝕、葉片底漆并未被破壞的情況下，兩種除銹技術均能有效去除銹蝕。從表3 還可以看出，在激光設備效率相同的情況下，提高激光能量密度可以改善除銹效果。

在粗糙度方面，方案2 與優于方案1，可見提升激光能量密度也可以在一定程度上提高除銹后的粗糙度[7]。

2.2.2 作業環境

激光清洗技術為一種綠色、環保的清洗技術，在除銹過程中不會產生油污，并且設備配備的吸塵器可以在除銹的同時收集激光剝離的鐵屑、氧化皮等物質，對環境污染較小。而噴砂除銹技術不適用于復雜鋼構件，尤其是不規則或存在死角的鋼構件，除銹難度較大。另外，噴砂設備主要通過壓縮空氣的方式、用鐵砂或石英砂沖擊鋼鐵表面，達到清除銹蝕的目的，在除銹過程中會產生大量粉塵污染環境，甚至會危害操作人員的健康。因此，從環保角度來看，激光清洗技術環保效果優于噴砂除銹技術[8]。

2.2.3 運營成本

以單個除銹車間為例，除銹車間尺寸為42 m×36 m×16 m，噴砂面積為4000 m2/d，采用噴砂除銹作業時的設備配置和能耗如表4 所示。

表4 噴砂除銹設備配置和能耗

從表4 可以看出，噴砂設備日耗電量較大，除銹車間所有設備日耗電量總計為18 506 kW·h，按照0.488 元/（kW·h）的電價計算，該車間日電費成本為0.903 萬元，年時基礎按照250 d計算，年電費成本約為225.773 萬元[9]。

通常情況下，1 臺功率為100 W 的激光清洗設備除銹效率為2 m2/h，大功率激光清洗設備除銹效率為小功率除銹設備的10倍，因此按照1 臺500 W 功率激光清洗設備除銹效率為20 m2/h，設備工作時間為8 h/d 為標準進行計算，一臺功率為500 W 的激光清洗設備尺寸為1130 mm×830 mm×1300 mm，按照噴砂車間實際尺寸，激光清洗設備可以配置35 臺，車間全室通風設備耗電量按照噴砂設備2640 kW·h 計算，激光清洗設備日耗電量為2844 kW·h，日電費成本為0.23 萬元。按照年時基數250 d 計算，激光清洗設備年均電費成本為57.50 萬元，電費成本僅為噴砂除銹的15%。可見，激光清洗設備雖然在購置設備方面成本較高，但是電費成本較少，因此總體經濟性優于噴砂除銹技術[10]。

另外，激光清洗設備的使用壽命與激光器的壽命有直接關系，假設一臺激光器使用壽命為10～12 萬小時，考慮到激光清洗設備工作時間較長，會增加設備損壞的概率，因此激光器使用壽命按照6 萬小時，激光清洗設備工作時間按照8 h 計算，激光清洗設備使用壽命約為20 年。而噴砂除銹設備使用壽命與噴砂缸、磨料回收設備、真空吸砂設備、局部除塵設備和空壓機等設備有關，平均使用壽命為10 年。可見，激光清洗設備使用壽命高于噴砂除銹設備。

整體上激光清洗設備前期投資成本較高、高于噴砂除銹設備，但是其耗電成本、使用壽命和除銹效果等方面均優于后者。

3 結束語

本文針對汽輪機葉片表面銹蝕問題進行了清洗實驗，分別設置了兩種激光清洗方案，利用激光清洗技術對3 種不同銹蝕狀態的汽輪機葉片表面銹蝕進行清洗，并對清洗效果進行比較。

（1）兩種激光清洗方案均可以有效清除表面保護漆未完全破壞或存在部分銹蝕的汽輪器葉片上的銹蝕，并且銹蝕清除效率較高。方案1 中樣板a 和樣板b 的銹蝕清除效率為0.6 m2/h，方案2 的銹蝕清除效率為0.8 m2/h。

（2）提高激光清洗設備聚焦能量密度有利于提高銹蝕清除效率，在相同作業時間下，方案2 銹蝕清除效率提升了0.2 m2/h，且能在規定時間內去除Fe3O4氧化層。此外，減小激光聚焦鏡焦距可以降低葉片表面粗糙度，利用實驗方案2 處理后的汽輪機葉片表面粗糙度均有一定程度下降。

（3）與噴砂除銹技術相比，激光清洗技術前期投資成本較高，但是其在耗電成本、使用壽命、除銹效果和環境保護方面均優于噴砂除銹技術。