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)
“綠色發(fā)展”是我國在新時期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的行動先導(dǎo)和方向指引。黨的十八大以來,國家提出了良好生態(tài)環(huán)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(fā)展的重要引導(dǎo)。
我國修船業(yè)在國際上屬于傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),具備一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,但同時修船涂裝又是高污染產(chǎn)業(yè)。目前,國內(nèi)修船廠普遍采用常規(guī)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(qū)域(主要包括外殼、大艙、甲板和上建等)對大氣環(huán)境的污染非常嚴(yán)重?,F(xiàn)有修船涂裝嚴(yán)重污染環(huán)境的傳統(tǒng)工藝已不能適應(yīng)國家環(huán)保和推進(jìn)綠色制造的要求。
為推進(jìn)我國修船行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)各修船企業(yè)都在研究環(huán)保型表面清理新技術(shù)、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(lián)合研制的新型水霧無塵噴砂除銹裝置在修船涂裝等領(lǐng)域的應(yīng)用,為國內(nèi)其他修船企業(yè)和涂裝行業(yè)提供一定的參考和借鑒。
1.1.1 常規(guī)干噴砂抑塵方法
國內(nèi)部分修船企業(yè)在不改變現(xiàn)有傳統(tǒng)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(chǎn)生的粉塵。
(1)防塵網(wǎng)。在干船塢或浮船塢的外板與塢墻之間拉設(shè)透氣式防塵網(wǎng),以及在開口式貨艙拉設(shè)防塵網(wǎng),通過防塵網(wǎng)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(wǎng)機(jī)械收放裝置,以提高防塵網(wǎng)拉設(shè)速度并減少人工使用。
(2)霧炮機(jī)和水噴淋。采用移動送風(fēng)式霧炮機(jī)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(dǎo)流罩和霧化噴頭,將自有的軸流風(fēng)機(jī)改裝成霧炮機(jī)。水在霧炮機(jī)的作用下形成細(xì)微水霧,彌漫在空氣中的水霧能夠迅速與粉塵結(jié)合、沉降,對減少揚(yáng)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(shè)備,在塢墻上安裝固定式水噴淋噴嘴作為減少船塢內(nèi)外板干噴砂揚(yáng)塵的措施。
1.1.2 高壓水混合磨料清理技術(shù)
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(jī)噴射出的水射流的負(fù)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(dāng)標(biāo)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(shù)的噴嘴一般偏小,清理面積比較小。
由于該施工技術(shù)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(lǐng)域有少量使用,尚沒有在國內(nèi)修船廠應(yīng)用。
1.1.3 水霧無塵噴砂技術(shù)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(yīng)用,主要用于建筑物和鋼結(jié)構(gòu)防腐的局部清理(混凝土和鋼結(jié)構(gòu))。設(shè)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(zhì),通過小型罐體(一般不超過0.5 m3)將磨料與水預(yù)混合后進(jìn)行噴砂,耗水量1~3 L/min。由于采用了磨料與水的預(yù)混合技術(shù),抑塵效果非常好,較常規(guī)干噴砂可減少90%以上的粉塵。國外主要設(shè)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(nèi)僅有少數(shù)幾家修船廠購置了相關(guān)設(shè)備,但由于修船行業(yè)的特點(diǎn),最終試用效果都不佳,無法滿足國內(nèi)修船量大、節(jié)奏快的要求。目前幾家修船廠購置的國外設(shè)備均處于停用狀態(tài)。
1.1.4 超高壓水射流清理技術(shù)和裝備
超高壓水射流清理工藝是利用超高壓水泵設(shè)備,從噴嘴中射出(壓力為180 MPa或更高)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)行業(yè)的廣泛認(rèn)識,水噴射不會造成表面粗糙,更準(zhǔn)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(fā)達(dá)國家修船涂裝領(lǐng)域的成熟應(yīng)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(qū)修船廠的應(yīng)用較為成熟,國內(nèi)其他地區(qū)修船廠也有少量應(yīng)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(qū)域應(yīng)用,使用設(shè)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(yīng)用于修船外板涂裝,采用高空作業(yè)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(yīng)用實(shí)例為其他國內(nèi)修船企業(yè)提供了良好的示范。
目前修船企業(yè)在用的超高壓水成套設(shè)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(shè)備。
1.1.5 激光表面清理技術(shù)
激光清理工藝是近年較為前沿的技術(shù)。激光表面清理技術(shù)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(yīng)用于一些精密零部件的表面清理,還不適用于船舶涂裝。
從國內(nèi)修船企業(yè)比較關(guān)心的幾個方面將修船企業(yè)環(huán)保型表面清理工藝、技術(shù)與常規(guī)干噴砂工藝進(jìn)行對比、分析。
1.2.1 投資費(fèi)用
(1)防塵網(wǎng)、霧炮機(jī)和水噴淋的投資費(fèi)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(shè)備單槍整臺/套在5萬元左右,也可利用修船企業(yè)自有高壓水清洗機(jī)改造。
(3)國外水霧噴砂設(shè)備為整機(jī)進(jìn)口,價格昂貴,單槍整機(jī)價格在40萬元以上。
(4)超高壓水射流清理設(shè)備核心泵組分為國產(chǎn)、合資組裝和整機(jī)進(jìn)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(wǎng)、霧炮機(jī)和水噴淋作為被動式抑塵措施,抑塵效果不良,根據(jù)實(shí)際安裝情況,預(yù)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(shè)備可減少92%以上的粉塵。
(4)超高壓水射流清理設(shè)備清理介質(zhì)為水,無磨料,不產(chǎn)生粉塵。
1.2.3 施工效率
對比標(biāo)準(zhǔn):按照常規(guī)修船鋼板表面同等原始狀況,處理標(biāo)準(zhǔn)等效于噴砂Sa2級。與常規(guī)干噴砂工藝施工效率比較:國內(nèi)一般修船企業(yè)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(guī)干噴砂的50%,為5~6 m2/h。
(2)國外水霧噴砂設(shè)備施工效率僅為常規(guī)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(yùn)行成本
(1)防塵網(wǎng)、霧炮機(jī)和水噴淋增加了少量的人工拉設(shè)成本。
(2)高壓水混合磨料清理工藝運(yùn)行成本增加30%以上。
(3)國外水霧噴砂設(shè)備綜合運(yùn)行成本是常規(guī)干噴砂的2~3倍。
(4)超高壓水射流清理設(shè)備工藝沒有磨料的消耗成本,主要運(yùn)行成本是設(shè)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(yùn)行成本是常規(guī)干噴砂的1.5倍左右。據(jù)了解,舟山萬邦外板清理的運(yùn)行成本較常規(guī)干噴砂增加20%~35%。
中船澄西聯(lián)合下屬涂裝專業(yè)子公司江陰華爾新特種涂裝有限公司,結(jié)合修船涂裝實(shí)際,通過消化吸收國內(nèi)常規(guī)干噴砂機(jī)和國外先進(jìn)水霧噴砂的設(shè)備技術(shù),并把這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)糅合到一起,成功研制出經(jīng)濟(jì)、高效的新型通用雙槍水霧噴砂機(jī),應(yīng)用該技術(shù)也可將現(xiàn)有干噴砂機(jī)改造為雙槍水霧噴砂機(jī)。目前已初步實(shí)現(xiàn)新型通用雙槍水霧噴砂機(jī)從原理樣機(jī)到工程化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,為國內(nèi)修船企業(yè)從修船普涂向環(huán)境友好型施工工藝過渡提供解決方案。
在現(xiàn)有環(huán)保清理工藝技術(shù)中,業(yè)界普遍認(rèn)為超高壓水射流清理技術(shù)代表了今后修船涂裝表面除銹清理的方向,但目前受設(shè)備投資成本高、運(yùn)行維護(hù)成本高、手持式施工效率偏低、大流量半自動化設(shè)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(nèi)還很難在國內(nèi)修船企業(yè)中大范圍推廣應(yīng)用。因此,在現(xiàn)有的成熟噴砂工藝的基礎(chǔ)上,在修船企業(yè)配套設(shè)備、設(shè)施不改變的前提下,研制投資費(fèi)用不高、運(yùn)行成本較低、適用于修船企業(yè)的水霧無塵噴砂清理設(shè)備,能夠在一段時間內(nèi)解決修船企業(yè)普涂干噴砂粉塵污染的問題。
水霧無塵噴砂工藝的關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的噴射力,這就需要混合磨料均勻流動并能夠形成細(xì)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(shù)至關(guān)重要。通過突破關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)磨料缸內(nèi)壓力的穩(wěn)定、可調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)噴砂、清洗、干燥清潔等多項使用功能。
該關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計并選擇可靠的模塊化安裝控制元件及管路,實(shí)現(xiàn)無塵噴砂除銹裝置的多項功能。
(2)調(diào)節(jié)-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(diào)節(jié)混合磨料的流量,調(diào)節(jié)工作噴射力的大小,滿足不同表面粗糙度的要求。
(3)根據(jù)技術(shù)設(shè)計、選型,研制先進(jìn)的低壓縮比、高精度、可調(diào)流量的機(jī)械換向式柱塞輸送泵,通過高精度、大流量氣壓調(diào)節(jié)器,優(yōu)化控制柱塞式輸送泵的進(jìn)氣量和氣壓,使磨料缸內(nèi)的水壓與壓縮空氣的壓力形成穩(wěn)定的壓力差,確保混合磨料出料順暢并均勻流動。
中船澄西聯(lián)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(jī)原理樣機(jī),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(jī)操作功能圖解如圖1所示。
圖1 新型噴砂機(jī)操作功能圖解
2.3.1 主要技術(shù)參數(shù)
表1是新型通用雙槍水霧無塵噴砂機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。
2.3.2 設(shè)備性能特點(diǎn)
(1)突破性的一機(jī)單缸雙槍:單缸雙槍同時作業(yè),工效更高;更適用于規(guī)?;瘧?yīng)用;滿足遠(yuǎn)距離、高處作業(yè)需要。
表1 新型通用雙槍水霧無塵噴砂機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
(2)功能齊全、操作便捷:集噴砂、清洗、吹風(fēng)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(diào);水加熱裝置,滿足低溫作業(yè)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(fù)使用,適用銅礦砂磨料;對磨料鹽分含量的要求不高,電導(dǎo)率小于550 ms/cm。
(4)更廣的水源選擇:配置易維護(hù)的通用進(jìn)水過濾器;適用簡單過濾后的江河淡水;自動補(bǔ)水,液位可見;對水的鹽分含量要求不高,電導(dǎo)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(xù)作業(yè)保障,雙槍連續(xù)作業(yè)時間超過2 h;缸體有效容積大,磨料使用更徹底;精巧設(shè)計的加料頂閥,實(shí)現(xiàn)一鍵開關(guān),磨料添加更方便、更快捷;內(nèi)部特涂標(biāo)準(zhǔn)涂裝,耐磨涂層,內(nèi)部附件采用不銹鋼,經(jīng)久耐用。
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(shè)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(guī)干噴砂的普通銅礦砂,也能夠使用相對較細(xì)的磨料且噴砂效果更佳。對于陸地鋼結(jié)構(gòu)、橋梁涂裝修復(fù)和石化儲罐、海工鋼結(jié)構(gòu)涂裝修復(fù)工程,都可以選用包括銅礦砂在內(nèi)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。
在基本相同的物理和化學(xué)性質(zhì)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(fù)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(fù)用于常規(guī)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(guī)清理,清理效率較低,產(chǎn)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(chǎn)水泥和其他建筑材料的原材料使用。銅礦砂成品及重復(fù)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(dá)到40%左右。
從銅礦砂非金屬磨料二次重復(fù)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(xù)重復(fù)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(yùn)行成本,同時為減少銅礦砂磨料的消耗量,中船澄西自行設(shè)計制造了一條滿足當(dāng)前及今后環(huán)保要求、自動化程度高、節(jié)能高效無污染的非金屬磨料分類處理流水線,能夠?qū)崿F(xiàn)銅礦砂等非金屬磨料重復(fù)利用的最大化,使現(xiàn)有普通銅礦砂二次重復(fù)利用率達(dá)85%以上,三次重復(fù)利用率達(dá)70%以上。
4.1.1 抑塵效果
經(jīng)過專業(yè)的第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測,新型水霧無塵噴砂工藝與傳統(tǒng)干噴砂工藝相比,在非近距離反射區(qū)域可減少92%以上的粉塵污染。
4.1.2 表面處理質(zhì)量
鋼板表面會產(chǎn)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(xì)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(jīng)簡單過濾的江河水),電導(dǎo)率為350 μs/cm左右。另外,水霧噴砂測試用磨料為重復(fù)利用的銅礦砂,鹽分含量較高,電導(dǎo)率一般都超過450 μs/cm。經(jīng)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(tǒng)干噴砂施工效率測試
水與磨料的物理性質(zhì)很不相同:水為液態(tài)、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(guī)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(guī)干噴砂要低一些。
經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn),在同等條件下,新研制的水霧噴砂除銹設(shè)備施工效率是國外同類水霧噴砂設(shè)備的1.5倍,可達(dá)常規(guī)干噴砂的80%左右。對比測試結(jié)果如表3所示。
表3 新型水霧無塵噴砂與傳統(tǒng)干噴砂、國外水霧無塵噴砂施工效率對比測試
水霧無塵噴砂工藝應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛,可應(yīng)用于修船開放式涂裝、陸地鋼結(jié)構(gòu)和橋梁涂裝修復(fù)、石化儲罐和海工鋼結(jié)構(gòu)涂裝修復(fù)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(xù)在修船涂裝實(shí)船和陸地鋼結(jié)構(gòu)防腐領(lǐng)域應(yīng)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(qū)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(xué)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(diào)整到一定的運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)后,能消除噴砂過程中產(chǎn)生的火花,滿足陸地防腐中一些?;芬后w、氣體儲罐不清罐即可進(jìn)行噴砂處理的要求,節(jié)省清理費(fèi)用并能縮短維護(hù)時間。
按照水霧噴砂工藝在某骨干修船企業(yè)對現(xiàn)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(shè)備,設(shè)備總投資在600萬~800萬元左右,如對原有噴砂缸進(jìn)行改造升級,設(shè)備投資成本在500萬~650萬元左右。
5.2.1 非金屬磨料分類處理流水線產(chǎn)能
按照1條處理線15 t/h的產(chǎn)量,每天生產(chǎn)8 h,每年工作245天計算,全年可生產(chǎn)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(chǎn)成本和設(shè)備折舊費(fèi)用約70元/t計算,每條處理線全年可節(jié)省成本約350萬元。
5.2.2 水霧噴砂工藝與傳統(tǒng)干噴砂工藝對比
水霧噴砂工藝使用分類處理流水線生產(chǎn)的銅礦砂磨料,能夠大幅降低修船企業(yè)涂裝成本,發(fā)揮水霧噴砂工藝優(yōu)勢。
從表4分析可知,水霧噴砂工藝較傳統(tǒng)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(yè)普涂噴砂40%的替代率(100萬m2/年×0.4=40萬m2)計算,全年可節(jié)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(shè)備投資費(fèi)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(tǒng)干噴砂工藝消耗成本對比
本文通過分析對比現(xiàn)有主要環(huán)保清理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)和運(yùn)行成本,介紹新型水霧無塵噴砂除銹裝置的開發(fā),以及在國內(nèi)某骨干船廠的初步應(yīng)用。同時,根據(jù)新型水霧工藝磨料選用要求,配套設(shè)計非金屬磨料分類處理流水線,實(shí)現(xiàn)磨料重復(fù)利用的最大化和水霧噴砂工藝的低成本運(yùn)行。這為國內(nèi)修船企業(yè)在修船涂裝和其他防腐涂裝修復(fù)領(lǐng)域探索了環(huán)保清理新工藝,為包括修船涂裝等防腐領(lǐng)域在我國的可持續(xù)發(fā)展提供一些思路和參考。