張麗婷，張瑩，徐棟，蘇婕

(國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033)

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空化水射流技術(shù)在海洋污損生物清除領(lǐng)域的應(yīng)用研究

張麗婷，張瑩，徐棟，蘇婕

(國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033)

文章從海洋污損生物的危害分析入手，首先概述海洋污損生物的清除方法，并結(jié)合空化水射流技術(shù)的原理與優(yōu)勢(shì)開展實(shí)例應(yīng)用研究，指出空化射流清洗技術(shù)是一種切實(shí)可行的新型清洗技術(shù)，可以在不破壞設(shè)施表面完整防腐層的基礎(chǔ)上，高效、安全地清洗水下設(shè)施表面附著的海洋生物污垢層；最后對(duì)空化水射流技術(shù)進(jìn)行展望，指出其關(guān)鍵技術(shù)在于空化射流噴嘴的設(shè)計(jì)和ROV自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制。

海洋工程技術(shù)；水下機(jī)器人；污損清洗；自動(dòng)化；海洋科技

1 海洋污損生物的危害

海洋污損生物也稱海洋附著生物，是附著叢生在水下人工設(shè)施及船舶等海洋結(jié)構(gòu)物表面并導(dǎo)致其損壞或產(chǎn)生不良影響的動(dòng)物、植物和微生物的總稱[1]。一直以來，海洋污損都是困擾航運(yùn)和水下設(shè)施的難題。

海洋污損生物造成的危害主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，容易造成養(yǎng)殖網(wǎng)箱和捕撈網(wǎng)衣等網(wǎng)孔堵塞、與養(yǎng)殖貝類爭(zhēng)奪附著基和餌料、影響牡蠣等養(yǎng)殖貝類生長(zhǎng)及產(chǎn)量等。②對(duì)于海洋石油平臺(tái)，會(huì)增加平臺(tái)支架體積和粗糙度，加大外載荷，增加平臺(tái)自重并提高平臺(tái)重心，增加平臺(tái)發(fā)生傾斜或倒塌的可能性。③對(duì)于海洋儀器，會(huì)導(dǎo)致海水中儀器儀表傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈、信號(hào)收發(fā)受到影響、信號(hào)失真、性能降低等。④對(duì)于船舶的影響受到廣泛關(guān)注[2]，一方面會(huì)增加船舶的阻力，造成燃料消耗增加、船速下降；另一方面還會(huì)增加管道內(nèi)壁的粗糙面，縮小管道的管徑甚至造成完全堵塞，使船舶進(jìn)塢維修次數(shù)增多；此外，還會(huì)加快金屬的電化學(xué)腐蝕過程和速度。由此可見，海洋污損生物的危害性不容小覷。

2 海洋污損生物清除方法概述

目前海洋污損生物的防治方法多種多樣，按防污技術(shù)原理可將其分為物理防污法、化學(xué)防污法和生物防污法[1]。其中，物理防污法主要采用物理手段，如提高流速、過濾、超聲波等來達(dá)到防污除污的目的；化學(xué)防污法主要采用化學(xué)物質(zhì)對(duì)海洋污損生物進(jìn)行毒殺，阻止其附著，是目前使用最廣的方法；生物防污法則是采用生物活性物質(zhì)作為防污劑來減少海洋污損生物的不良影響。

具體來說，物理防污法包括人工或機(jī)械清除法、空化水噴射流除污法、低表面能涂料防污法、過濾法、加熱法、超聲波防污法等，屬于傳統(tǒng)防污方法，操作簡(jiǎn)單方便、時(shí)效性較強(qiáng)、無毒環(huán)保，但清除效率較低、易損壞船體構(gòu)件、清除成本較高；化學(xué)防污法包括直接加入法、電解法、化學(xué)防污涂料法等，是目前最成熟的防污方法，已被廣泛應(yīng)用，與涂料技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的防污效果，但對(duì)已產(chǎn)生的污損難以去除，其采用的有毒物質(zhì)會(huì)污染海洋環(huán)境，對(duì)人類本身也有較大危害；生物防污法包括生物防污劑涂料、仿生涂料等，屬于新興的防污方法，防污周期較長(zhǎng)、效果明顯、無毒無公害，但尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，與實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

3 空化水射流技術(shù)的原理與優(yōu)勢(shì)

3.1 技術(shù)原理

空化水射流技術(shù)屬于物理防污法的范疇，是近年來備受廣泛關(guān)注的防污方法之一，是在高壓水射流的研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高清污效率而引申出來的一種新型技術(shù)。利用空化原理的射流稱為空化射流，在噴嘴出來的水射流中誘發(fā)空泡，適當(dāng)?shù)乜刂茋娮斐隹诮孛媾c靶材表面之間的距離，使空泡在運(yùn)動(dòng)過程中長(zhǎng)大并在射流沖擊的靶材表面上潰滅，進(jìn)而達(dá)到?jīng)_洗甚至破碎靶材的目的[3]。

研究表明，若射流速度一定，即水泵壓力一定時(shí)，空化射流的沖擊壓力可為相同流量的普通連續(xù)射流沖擊壓力的8.6～124倍，即如果普通連續(xù)射流的沖擊壓力為10 MPa，則相同條件下空化射流的沖擊壓力可高達(dá)86～1 240 MPa[4]。如此高的沖擊壓力足以清洗、切割甚至破壞巖石、金屬之類的堅(jiān)硬材料。換言之，空化射流可以將普通連續(xù)射流的壓力等級(jí)提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

空化水射流技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)約能源，利用廉價(jià)的自來水或工業(yè)用水為介質(zhì)，從而節(jié)省大量的清洗劑或噴沙，使清洗成本大為降低；②無環(huán)境污染，對(duì)人體沒有傷害，屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品；③清污效率高，經(jīng)一次清洗后，銹蝕、油漆、防腐涂層即可去除，無需二次處理；④對(duì)設(shè)備、工件等具有一定保護(hù)性，不改變工件表面物理機(jī)械性能；⑤便于清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種設(shè)備和零部件；⑥不受場(chǎng)地、天氣條件的限制，可隨時(shí)隨地作業(yè)；⑦易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，清洗效率高。

由于空化水射流清洗技術(shù)具備上述優(yōu)勢(shì)，具有非常廣闊的開發(fā)與應(yīng)用前景。

4 空化水射流技術(shù)的應(yīng)用案例

4.1 選用設(shè)備和主要技術(shù)指標(biāo)

選用國(guó)內(nèi)某研究所研制的電動(dòng)空化清洗系統(tǒng)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 電動(dòng)空化清洗系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

4.2 清洗對(duì)象

(1)石油平臺(tái)。主要清洗石油平臺(tái)樁腳的海洋污損生物，污損生物以海蠣子為主；水上部分海洋污損生物厚度達(dá)到10 cm，水下部分海洋污損生物厚度普遍達(dá)到30 cm左右，最厚處達(dá)到50 cm。

(2)海警船舶。主要清洗海警船舶底部的海洋污損生物，污損生物以貝類為主，厚度約為10 cm。

4.3 清洗過程

(1)人員要求。甲板操作人員1名，水下操作人員1名。

(2)操作要求。選取平潮期進(jìn)行作業(yè)；清洗方式：將噴槍槍頭與清洗目標(biāo)物表面相切面成10°夾角；水下作業(yè)安全距離：潛水員在水下佩戴潛水手套距離噴頭20 cm；噴射距離：槍口距污損生物10 mm左右噴射效果最佳。

4.4 結(jié)論

(1)石油平臺(tái)。在海況允許的情況下，平潮期作業(yè)每天使用時(shí)間約為4～6 h，設(shè)備有效使用時(shí)間約為200 h；在此期間空化水清洗系統(tǒng)運(yùn)行正常，高壓槍槍頭出水壓力保持在17 MPa左右，清洗效率基本穩(wěn)定在10 m2/h；基本上對(duì)石油平臺(tái)樁腿上附著的污損生物進(jìn)行有效清洗，清洗效率在90%以上。

(2)海警船舶。同樣選取平潮期作業(yè)，設(shè)備有效使用時(shí)間約為6 h；工作期間空化水清洗系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)際清洗效率為30～50 m2/h；可以對(duì)船底污損生物進(jìn)行有效清洗，清洗效率在95%以上，并且沒有對(duì)船舶漆面造成損傷。

5 展望

海洋污損生物的清除技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，既可以軍用(如清掃各種戰(zhàn)艦和潛艇)也可以民用(如清掃商船、鉆井平臺(tái)等海洋設(shè)施)。與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的清除技術(shù)還比較落后，尤其是空化水射流技術(shù)，對(duì)其研究目前僅停留在理論階段。

空化射流清洗技術(shù)是一種切實(shí)可行的新型清洗技術(shù)，可以在不破壞設(shè)施表面完整防腐層的基礎(chǔ)上，高效、安全地清洗水下設(shè)施表面附著的海洋生物污垢層。鑒于空化水射流技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)，今后研究的關(guān)鍵技術(shù)主要在于空化射流噴嘴的設(shè)計(jì)和ROV自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制方面。

5.1 空化射流噴嘴設(shè)計(jì)

空化射流要求在噴嘴中誘發(fā)氣泡，并使氣泡在接觸到靶面時(shí)發(fā)生潰滅而產(chǎn)生沖洗力。誘發(fā)氣泡的關(guān)鍵則是要產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，形成低壓區(qū)主要有3種方式：液體對(duì)于固壁的繞流、不穩(wěn)定的界面(以淹沒射流為代表)的剪切作用以及流場(chǎng)(指風(fēng)琴管等內(nèi)部的流場(chǎng))的自激振蕩。因此，結(jié)合形成低壓區(qū)的3種方式設(shè)計(jì)高效的空化射流噴嘴非常關(guān)鍵[5]。

5.2 ROV自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

由于大型船體或海底建筑設(shè)施的清洗對(duì)效率和質(zhì)量要求較高，應(yīng)將整個(gè)清洗系統(tǒng)智能化、集成化，即做成水下自動(dòng)清洗機(jī)器人。目前國(guó)外已經(jīng)研制出成型的水下自動(dòng)清洗機(jī)器人并進(jìn)行良好應(yīng)用。一般的壁面機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)吸附和自由移動(dòng)兩個(gè)功能，而水下清洗ROV除需具備這兩個(gè)功能外，還要滿足自動(dòng)識(shí)別已清掃和未清掃區(qū)、自動(dòng)規(guī)劃路徑等功能需求[6]。這些都是今后ROV自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方向。

[1] 胥震，歐陽清，易定和.海洋污損生物防除方法概述及發(fā)展趨勢(shì)[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2012，24(3)：192-198.

[2] 李鋒.空化水射流船舶清洗技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[3] 王萍輝.空化射流在管道清洗中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程，2002，21(4)：21-24.

[4] 夏寶瑩，劉望，鄭金豹.空化射流清洗技術(shù)及其在水下設(shè)施清洗中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(10)：729-731.

[5] 周文會(huì).高壓水射流噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

[6] 任夢(mèng)鴻.水下船體表面清刷機(jī)器人復(fù)合吸附方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

Application of Cavitation Water Jet in the Fields of Marine Fouling Organisms Removal

ZHANG Liting，ZHANG Ying，XU Dong，SU Jie

(North China Sea Marine Technical Support Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266033，China)

The paper analyzed the harm of marine fouling organisms and summarized the removing methods of marine fouling organisms. It was concluded that cavitation water jet is a new removal technology without destroying the surface of equipment in the process. In the future, the key point of cavitation water jet will be the design of nozzle and development of automatic control system about ROV.

Marine engineering technology，Remote Operated Vehicle，Marine Fouling Organisms Removal，Automation，Marine science and technology

2016-04-14；

2016-07-25

張麗婷，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟾咝录夹g(shù)集成與應(yīng)用，電子信箱：bhjszx_ywk@bhfj.gov.cn

P741

A

1005-9857(2016)08-0070-03