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空化射流技术及其在水下设施清洗中的应用
发布日期:2017-09-01   |   访问量:994次   |   来源:

一、中国水下清洗现状调研分析

    目前,国内外在水下设施表面清洗领域有很多技术措施,许多远洋运输公司在船体表面涂刷挥发性较慢的毒性油漆,通过防止浮游生物的附着以达到降低燃油消耗量的效果。但由于该油漆毒性太强,对沿航线的其他生物也造成了不同程度的伤害,破坏了局部海洋生态环境。因此,国际上已经严令禁止使用各种毒性油漆。此外,还有一些运输公司在船体表面粘贴保护膜,在一定时间内将保护膜撕起以达到清除浮游生物的目的。不过,该方法更换频率较大,代价也高,所以也渐渐地被市场所淘汰。由此,近年来,船舶表面清洗技术的研发越来越被人们所重视。

       在我国,目前船体表面清洗主要采用人工喷砂处理,效果明显但工人劳动强度大,效率低下,且对人体及环境有相当大的污染;高压水射流技术则是近30 年发展起来的新技术,它以水射流为主,集合泵、阀、密封、液压、材料、自动化控制等多门学科。其利用高压泵打出高压水,经管道到喷嘴,喷嘴则把高压低流速的水转化成低压高流速、高能量密度的水射流,正向或切向冲击被清洗表面,从而将结垢物剥离,完成清洗作业。该技术能耗低,操作者作业环境和劳动强度均有所改善。不过,由于在高温、高湿天气会快速生成二次浮锈,因此也阻碍了该技术的推广应用。


    而目前国际上最新的水下清洗海生物的技术是空化射流技术,该技术可用于清洗不同类型的舰船、海上石油平台、码头、水下管道等设施的海生物。

二、空化射流清洗技术:

      空化射流清洗技术,是将空化作用引入水射流清洗技术中而形成的新型水下设施清洗技术,即人为地使水射流束中产生高密度空化泡,利用大量的空化泡在物体表面局部微小区域溃灭产生的强大微射流冲击力而达到清洗设施的坚硬污垢和附着海生物的目的。

(一) 空化射流理论

  空化是由于液流系统的局部低压 (低于相应温度下该液体的饱和蒸气压) 使液体蒸发而形成的空化泡(即气核, 半径一般在 20 μ以下) 爆发性生长的描述 。假设收缩段上下游压力分别为 p1和 p2, 收缩段压力为 pc, 水流速度为 vc, 当 pc降至当地的水饱和蒸汽压力 pv, 即 pcpv时, 在收缩段内局部低压区将产生空化, 空化泡在收缩截面的边界层内孕育并形成,在低压区内获得成长。可见, 空化的实质即是流体在动力和热力的联合作用下, 液体介质局部的液 气相变过程。空化数是用于判断空化是否发生的无量纲临界参数。压力和流速是空化发生的主要影响因素, 在高围

 压的淹没空化射流下, 如空化射流在水下的清洗作业,空化数的计算式可以简化表示为下游压力与喷嘴总压差的商:  σ=p2/ p1p2) 。当 σ≤时, 可以产生空化作用; 当 σ≤0.5 时, 可以产生稳定的空化射流。当水在高速流动中局部绝对压力降至当地温度下近球形空化泡随射流运动到固体表面附近, 淹没射流在固体表面形成一层横向漫流, 使空化泡距固体表面较远侧的液体压力低, 向心运动速度较其他部分慢, 空化泡在向固体表面运动的过程中, 其近表面侧与固体表面的距离基本不变。忽略液体粘性的影响, 空化泡为保持动量守恒, 必须做加速运动, 远表面侧向内凹进, 靠近近表面侧, 空化泡因此被穿透形成指向固体表面、 高速度、 破坏力强的微射流。Hammit通过计算和实验测量得出: 游移型空化泡溃灭时, 近壁处微射流速度可达 70180 m/s,在物体表面产生的冲击力高达 140170 MPa, 微射流直径约为 2μm, 表面受到微射流冲击次数约为1001000 次 scm2) 。

 在空化作用中, 空化泡溃灭瞬间产生极短暂的强压力脉冲, 气泡周围微小空间形成局部热点产生极端高温、 高压, 同时伴随产生复杂的物理反应、 化学反应的饱和蒸汽压时, 溶解在水中的空气释放出来, 形成许多微小的空化泡, 空化泡溃灭引起强大的微射流冲击 。

(二)空化射流清洗技术与喷砂清洗、高压水射流清洗技术的比较

1、安全环保方面。

(1).喷砂清洗。除锈成本较高;劳动强度大,对操作者危害大,需要专业的劳动保护;使船坞四周的机械设备磨损加剧,特别是作业环境四周被严重污染。

(2).高压水射流清洗。清洗压力高(除垢70MPa,除锈220MPa),除了水射流放射会直接伤人之外,高压系统任何细小的泄露都会构成微射流,对操作人员形成潜在的风险。并且会严重破坏设施的防腐层,在高温、高湿天气下会快速生成二次浮锈,清洗后的大量污水夹杂着锈皮、漆皮流入江海,容易造成附近水域的严重污染。而且,该技术对水质要求非常严格,淡水消耗量巨大。

(3).空化射流清洗。工序安全,清洗射流压力小,可保障人员安全;并且压力较小的清洗射流既能保证除掉污垢,又能保护被处理表面上的清漆和油漆防污防腐涂层,不伤害设施母材,极少或者完全不伤害完整的防腐层,可对船舶螺旋桨等设备薄片区域进行合理有效的清洗。并且,可直接使用用水下设施所在水域的淡水或海水进行清洗,不浪费淡水资源,对所在水城不造成污染。

2、高效节能方面。

(1).喷砂清洗。清洗效率低。

(2).高压水射流清洗。清洗效率约为100㎡/h(70MPa),起始压力高达70MPa甚至更高。(以清洗船舶表面等平面区域为例)

(3).空化射流清洗。在相同泵压下,空化射流的冲击压力是连续射流冲击压力的8.6~124倍。利用此种方法,清洗、除锈等级在与高压水射流同等级的情况下,可使喷射压力降低1~2个等级。清洗效率可达130㎡/h(4.1-6.2MPa)(仍以清洗船舶表面等平面区域为例),随着压力的升高,清洗效率可进一步提高至1500㎡/h(15MPa);水流起始压力仅4.1-6.2MPa,最高不超过16MPa。在进行大范围平面清洗时,每小时清洗面积可超过1500平方米,还可以进行水下涂装;可清洗多种非平面形状的物体,包括船用螺旋桨、舵、海底门、稳定器、加强肋和管线内部、平台水下部分;并且无须更换工具和消耗材料,可不间断运作。

3、经济效益方面。

喷砂清洗或者高压水射流等清洗技术都需要船舶占用船坞,造成船舶的停航损失,影响船舶运营经济性。一支大型船队,每年都有大批船舶需要清除海洋附着物,以往要进坞、上排作业,费时、费力、费钱,而采用空化射流水下清洗技术,运输和使用便捷,机动性强,设备可安装在拖车或船舶上,直接到海上或停泊地进行清洗,可以节省60%的成本,极大地减少了船只的停航损失,而且,清洗费用并不比高压水射流高。

以一艘万吨轮船为例。若采用喷砂清洗,从以上比较可以看出,空化射流清洗技术较喷砂清洗、高压水清洗技术更为安全、环保、高效、节能。

(三) 空化射流清洗案例

2013年12月25日,在海南三亚水深  米处,中国海洋工程公司采用空化射流清洗技术成功地对私人豪华游艇进行水下清洗,项目实施采用潜水员装备空化射流清洗设备的方式,对项目设施包括 (              )进行清洗。 通过清洗, 设施表面的海生物污垢层得到了有效清除, 防腐层得到了有效保护, 清洗后相关设施状态良好  , 较同类清洗项目获得了更好的清洗效果。

三、空化射流清洗技术的推广应用

空化射流清洗技术在国外处于初步开发与应用阶段; 在国内, 空化射流技术已经很好地应用于材料切割与粉碎、 钻井破岩等领域, 但在水下设施清洗行业中的应用尚属空白。空化射流清洗技术可在更为广泛的领域中推广应用。

(一)海洋石油结构物清洗

我国大型海洋结构物主要以桩腿式采油平台为主,预计未来半潜式采油平台将逐步增多。为保障平台和人员、设施安全,需要对其在一定的周期内进行有效清洗。随着海洋石油业的迅猛发展,大型海洋结构物越来越多,清洗任务迅速增加,高效、安全的空化射流清洗技术将成为一种必然的需要。

(二)海底石油设施清洗

海洋石油工程包含大量诸如水下采油系统的海底石油设施,在复杂的海洋环境中对其进行合理有效的清洗困难重重。通过潜水员或者ROV携带清洗设备实施清洗作业是目前仅有的行之有效的方法。开发模块化、自动化的空化射流清洗设备可有效地解决水下设施的清洗难题。

(三)船舶清洗

FPSO、船舶等在海洋环境中长时间运行,在吃水线以下船体外壳表面将形成相当厚的海生物附着层和污垢层。船舶常年运行其外壳表面不可避免地生成大面积锈蚀,在此基础上,藻类、贝壳等海生物的附着会形成紧密而坚硬的污垢层,如果长期得不到有效清洗,可形成厚达200mm的海生物附着层和污垢层,严重影响船舶的航行速度,增加燃料消耗成本,缩短船舶的使用寿命。在船舶清洗行业,空化射流清洗技术无疑拥有广阔的发展空间。

(四)海岸工程清洗

在常见的海岸工程中,海洋生物污垢和淤泥等地长期积累直接影响港口、航道等正常运行;海洋生物的长期侵蚀对桥梁、防潮提等也有严重的不利影响,直接影响这些设施的坚固程度和使用寿命等。因此,对海岸工程进行清洗意义重大,空化射流清洗技术亦有广阔的应用空间。

 综上所述,空化射流在水下设施清洗行业中的推广应用, 将为海洋生产带来更好的安全保障和巨大的社会经济效益。


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