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鏽蝕對艦艇的影響
鐵遇潮溼會生鏽,這是生活中常見的現象。而在海水中,電解質和電荷比淡水有更強的鏽蝕/腐蝕效應,在惡劣的海洋環境下,船體鋼很容易發生腐蝕或生鏽,會嚴重影響整體效能,導致船體強度下降、區域性腐蝕破損、航行速度下降等後果。長期浸沒在海水水線以下的艦船殼體,不僅受到海水腐蝕,還可能受到各種海生物(如貝類、海藻類、海草等)和其他汙物的附著,使船殼受到汙損或生鏽,導致艦船航行時的表面阻力增大、航速降低。對於戰鬥艦船而言,直接影響到艦船的戰鬥力。由於海洋艦船執行環境對船體的腐蝕程度嚴重,長時間航行的艦船表面會產生氧化鏽蝕現象,鏽層能有效地阻滯氧進入金屬表面,同時也能加速金屬的腐蝕口,因此對其必須進行定期的除鏽噴漆維護,以確保艦船航行安全。艦船除鏽是為了去除船體鋼鐵表面的氧化層和鏽蝕物以及舊漆層,徹底的除鏽可為噴漆提供良好的接觸基底,從而確保噴漆的質量,以更好地保護船體。
除鏽技術現狀
目前,艦船常用的除鏽方法有手工除鏽、機械除鏽、高壓水射流除鏽、噴砂除鏽、機器人爬壁除鏽等。綜合比較國外用艦船除鏽清洗器的綜合性能可見,美國的研究成果最為顯著,在除鏽機器人整機、除鏽效率、線上檢測等方面都有深入的研究,工程應用效果較好。西班牙、德國等歐洲國家緊隨美國之後,研究也較為深入,有一定的工程應用。
手工除鏽。手工除鏽的工具有敲鏽錘、除鏽鏟、刮鏽刀、鋼絲刷等,一般厚的鏽斑用榔頭敲松再用剷刀剷除。手工除鏽,工具簡單,方法易行,幾乎不受作業場所的限制。目前,各國艦艇進行日常除鏽作業,仍經常採用手工除鏽。
下面介紹一下手工除鏽的工具。 敲鏽錘用來清除鋼鐵面上較厚的鐵鏽、疏鬆的氧化皮及舊塗膜。使用敲鏽錘時,刃端不可磨得過於鋒利,否則會在鋼板表面造成深痕。清除鋁、銅及小質表面的舊塗膜,不得使用敲鏽錘,以免損傷物面。
刮鏽刀用來刮除舊塗膜和薄鐵鏽的工具,端部成三角形。
除鏽鏟形似鍋鏟的除鏽工具,帶有較長的木柄,主要用來清除船底的鏽汙。
鋁刮刀即鋁合金制的刮刀,用於剷除鋁質、銅質物面的舊塗膜和海生物,不易損傷物面,但鋁刮刀由於硬度不夠不適於處理鋼鐵表面的鏽。
鋼絲刷是板刷狀的除鏽工具,用來刷淨經敲擊和刮除後留在鋼鐵物面的殘跡。不平滑的鋼鐵表面經敲擊和刮除後,必須用鋼絲刷刷淨;用銅絲製成的板刷狀除鏽工具,用於清除鋁合金、銅質表面經刮除後留下的殘跡。
噴燈用來燒熔木器上較牢固的舊漆,使之焦軟起泡,然後用刮鏽刀除掉。清除質厚的鋼鐵物面上大面積貼除牢固的舊塗膜,也可以用噴燈。
然而,手工除鏽由於工人操作時勞動強度大、工作條件差、除鏽效率低,一股速率為每小時2~5平方米,難以去氧化皮等汙物。但在修船過程中,特別是對區域性缺陷的修補,仍常採用此辦法。對於機械除鏽難以達到的部位,如狹小艙室、型鋼反面角隅邊緣等作業困難區域也多用手工除鏽。
小型風動、電動除鏽。小型風動或電動除鏽主要以電或壓縮空氣為動力,裝配適當的除鏽裝置,進行往復運動或旋轉運動,以適應各種場合的除鏽要求。如角向磨光機、電動鋼絲刷、風動針束除鏽器、風動敲鏽錘、齒型旋轉除鏽器等,屬於半機械化裝置,工具輕巧、機動性大,能較徹底地去除鏽、塗層等,能對塗層進行打毛處理,效率比手工除鏽大大提高,可在任何部位使用特別是在修船過程中得到廣泛應用。一般配備幹塗裝站,艦艇廠修時可借用。外國艦艇常用的小型風動除鏽工具有以下幾種。
風動砂輪機其結構和一般砂輪機差不多,為手持式,主要用於清除鑄件毛刺,修光焊縫,修磨大型機械錶面。 風動敲鏽鏟由手柄、開關、套筒、汽缸、鏟頭等組成。壓縮空氣驅動汽缸活塞運動,連幹活塞的敲鏽鏟即可除鏽,其每分鐘敲擊數達1000~6000次,適用於狹窄處。
針束除鏽機由錘體和手柄組成,錘端有針束30~40組。壓縮空氣驅使錘體作往復運動,於是針束隨之反覆撞擊工作面,使其表面的鏽蝕脫落。其特點是針束可隨作業面曲面的形狀而自行調節針束往復的幅度,以徹底清潔鏽蝕。針束除鏽器主要用於彎曲、狹窄、凹凸不平處及角縫處,其壓縮空氣耗量少,操作簡便。 行動式吸塵除鏽機由除鏽機和吸塵裝置兩部分組成,除鏽機的風動馬達上裝有三爪刀盤,刀片為硬質合金製成,刀盤上裝有護罩,可起到強化區域性吸塵和安全防護的作用。分離式電動除鏽機電機轉動時,透過軟軸帶動刀盤轉動,刀片在隨刀盤運動中以高速敲擊和刮削金屬面,使鏽蝕脫落。鏽蝕較輕或用刀片清理過的表面,可以把刀盤卸下,換成鋼絲刷,對作業面作進一步的處理。分離式電動除鏽機操作靈便,適用於焊縫、鉚釘、邊角、縫隙的除鏽。然而,不能去除氧化皮,不能達到優質的表面處理,質量上效較低。
噴砂除鏽。其主要裝置以及工作方式如下:
幹噴砂裝置是利用壓縮空氣將砂粒經噴咀以高速作用於艦體而清除鏽汙的裝置。輸送砂粒有壓力、吸力、重力等不同方式,砂粒透過噴咀的砂旋塞進入噴砂管,在3~6個大氣壓的作用下,噴向作業面。砂子一般用一定直徑的石英砂或河砂。
溼噴砂裝置是一種砂加水的噴砂除鏽裝置,優點是環境汙染小,缺點是效率低。其工作過程是:砂和水分貯於砂罐和水罐,砂在一定的氣壓作用下,和水分別進入噴咀以高速噴出。為防止作業面再次生鏽,在水中加入0.5~2.5%防鏽劑(磷酸三鈉或亞硝酸鈉或碳酸鈉,使金屬表面鈍化),可保持8~16晝夜不生鏽。
噴丸裝置與幹噴砂裝置相似,是用金屬彈丸代替砂粒,因而效率更高。其彈丸氣壓為1~8個大氣壓,噴咀用高硬度鋼製成,每個噴咀使用壽命13~25天。噴丸裝置的操作人員與作業面、裝置等是隔開的,工作間的牆壁為避免噴丸影響,覆以5毫米橡皮。
拋丸裝置是向高速旋轉的葉輪裝入鋼丸,鋼丸隨即高速拋向作業面的封閉式除鏽裝置,鋼丸的材質是除鏽效果的關鍵,常用材料有海砂、河砂、鋼渣、鋼丸、鐵丸、鋼絲段等。船底拋丸除鏽機是船塢專用裝置。載於車上的船底拋丸除鏽機,其鐵丸的出口由液壓系統控制升降,外面罩以密封櫃。作業時升降裝置將拋丸出口對準作業面,密封櫃與船體緊貼,鐵丸以高速衝擊船底後又彈回貯丸缸內。
超高壓水射流除鏽裝置。隨著超高壓水射流技術的發展,上個世紀末,超高壓水射流達到200MPa,可以實現無磨料的純水除鏽。為了防止水射流除鏽返鏽,採取了真空技術,將幾個除鏽噴嘴安裝在1個真空腔內,實現真空水及廢料回收,起到良好的防止返鏽的效果。高壓水射流除鏽通常是選用超高壓純水射流或者是較低壓力的脈衝射流。另外,也可使用帶磨料的高壓水射流來實現除鏽、剝除舊漆層的目的。水射流磨料除鏽是在高壓水射流中摻有石英砂,磨料剝削能力強,實驗效果好,然而船塢很大,磨料的輸送需要腳手架,輸送起來不容易,且船塢環境潮溼,保證磨料乾燥較困難。且由於除鏽過程中要求儘量保持乾燥的操作環境,而純高壓水射流除鏽方式存在被除鏽後船體表面的輕微返鏽問題,對於這種現象,通常是選擇恰當的化學塗料或在水中加入定量的化學緩蝕劑來抑制返鏽,這樣卻會造成環境汙染問題,並且在施工過程中難以定性定量操作。到目前為止,超高壓水射流除鏽已經成為西方發達國家的主要除鏽技術。新射流如脈衝射流、空化射流和磨料射流的相繼出現,增加了切割、剝離、破碎等能力,提高了水射流除鏽質量。隨著社會對艦船除鏽行業提出了更高的效率、潔淨率及環保要求,高壓水射流艦船除鏽技術在各國的應用日漸廣泛。相對於幹噴砂除鏽工藝,超高壓水射流除鏽工藝不但有除鏽效率高、除鏽效果好的優點,尤其是該工藝僅使用水作為除鏽介質,水射流不會造成二次汙染,清洗過後無特殊要求不需進行清潔處理,無有害物質排放與環境汙染問題,可以清洗形狀和結構複雜的物件,能在空間狹窄、條件惡劣的場合進行作業,清洗快速、徹底。可以預見,該技術今後在艦船除鏽方面有很廣闊的應用前景。
除鏽爬壁機器人。隨著社會環保力度的加大,及仿生學、微機電一體化、新型驅動器、高分子材料等新技術,新理論的應用,在先進的艦艇除鏽成套裝置中,執行系統多采用環保、安全、高效的除鏽爬壁機器人。例如德國Hammeimann公司研製的艦船除鏽裝置就有手持噴槍及清洗器、自動除鏽車和除鏽爬壁機器人等。美國研製了用於搭載艦船除鏽清洗器的M系列爬壁機器人。M系列爬壁機器人採用永磁吸附,兩塊大吸附力的永磁鐵分別安置於機器人的前軸和後軸的下面,強大吸附力的永磁鐵能夠承受機器人216千克的重量以及近百米長的真空回收管路和超高壓水射流管路負載重量,並且能夠透過船壁6.3毫米厚的塗料層將機器人牢牢地吸附在豎直船體表面,永磁鐵與艦船壁面之間存在一定的間隙,避免了機器人轉彎時永磁鐵與艦船壁面之間的滑動幹摩擦,機器人能夠靈活地行走和轉向。機器人感測器、電機等電器元件完全被密封,有效地防止了超高壓水管路洩漏、水射流噴濺或雨水等因素對電子元器件的影響。該機器人搭載質量大、負載能力強、除鏽速度快、除鏽效率高,採用兩臺電機進行驅動,除鏽速度可達500毫米/秒,除鏽寬度達到380毫米。
機器人負載大、本體重、負載大則要求機器人吸附力大、驅動轉矩大。然而,機器人吸附力大會造成機器人行走和轉彎困難,也會導致吸附元件重量加大。同時,驅動轉矩大則會導致所選的驅動元件重量加大。因此,除鏽機器人可能出現的問題如下:
(1)由於在除鏽上作過程中存在艦船壁面法向的射流反衝力,較大的射流反衝力將影響機器人的附壁能力,對機器人吸附不利,可能造成機器人後翻。
(2)主要工作在船體兩側較為垂直的鋼質表面,由於大型艦船兩側很高,因此,機器人拖帶的負載管路會更長、更重,超出一定船壁高度,機器人仍然可能存在驅動和附壁效能不足的問題。
(3)艦船船頭和船尾結構複雜,非結構化因素較多,因此,除鏽機器人尚不具備在艦船船頭和船尾工作的能力。
(4)為滿足修船效率要求,以艦船除鏽時間短為目標,需要加大除鏽清洗器尺寸,這就對除鏽機器人的負載能力有了更高的要求。此外,在搭載一定型號的清洗器、保證除鏽質量的前提下,提高機器人移動速度有助於提高除鏽效率。
未來發展趨勢
由於船舶在航行期間船底無法保養維修,必須在船舶進塢或上排時才能進行修理,因此,要求船底塗料在經濟技術指標允許的範圍內儘可能地延長使用壽命,以提高經濟效益和減少維修和保養的費用。現各國都廣泛使用長效的船底防鏽漆,使用期限徵5年以上,有的甚至可達十年;同時使用自拋光型船底防汙漆,防汙漆的期效一般設計為3年以下。這樣隨著船舶的航行,防汙漆不斷釋放毒料並溶解,在船舶定期維修時,只需用高壓水沖掉殘存的防汙漆和少量海生物附著,而防鏽漆依然完好時,只要重新塗裝防汙漆即可,可大大減少維修費用和週期。美國等發達國家擁有水下刮船器,可對大型艦艇和輔助船直接在水下刮除海生物以延長防汙期效。在船底使用長效防腐底漆和無錫防汙漆是船底塗料的發展趨勢。
迄今為止,艦船除鏽工藝經歷了磨料射流技術、超高壓純水射流技術和爬壁機器人真空超高壓水射流成套技術三個發展階段。
第一階段,磨料射流除鏽將水可以除鏽變為現實,除有磨料飛濺汙染外,水加砂型的磨料水射流溼式除鏽基本消除了環境汙染,似是,磨料射流除鏽中難以連續均勻地輸送磨料,在船廠船塢的現場應用效果不佳。
第二階段,超高壓純水射流可以解決磨料的連續輸送問題,但是,人工手持噴槍長時間除鏽作業是比較危險的,而且船壁進行射流除鏽後有一些水分積累,很快會重新生鏽,即返鏽。
第三階段,採用爬壁機器人搭載除鏽清洗器作業,將超高壓水射流除鏽、真空系統抽乾並排渣、爬壁機器人執行除鏽作業三者成套設計於一體,採用水射流除鏽,然後真空抽乾水分並回收鏽渣來防止返鏽,應用大型爬壁機器人搭裁除鏽清洗器遙控作業可以保證操作安全,使得除鏽質量和效率明顯提高。因此,目前大型爬壁機器人受到了越來受重視,其未來可能的發展方向:
附壁方式:研究真空永磁複合式吸附附壁機理,合理有效地利川清洗器真空負壓,透過選用新型的輕質材料並最佳化框架結構,提高附壁能力與重量比;
驅動效能研究:研製質量輕、體積小、輸出轉矩大的大功率驅動器,選用較輕的驅動元件,既可以驅動大型機器人上爬,又可以提高提高驅動能力與重量比;
行走結構和耐磨材料:研製基於可靠耐磨材料的機器人耐磨行走機構,以克服大型爬壁機器人較人的附壁摩擦力;
高效率整合化:從提高除鏽作業效率的角度出發,多清洗器整合搭載、擴大除鏽清洗面,研製搭載多清洗器整合除鏽的超大型爬壁機器人,實現高效大規模作業。
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兔哥來回答。由於本人在碼頭上班,所以每天和船舶打交道,對船舶的鏽蝕情況很瞭解。船舶長期在海上工作,海水的鹽分很高,這些都是極易腐蝕船體的物質,因此如何防鏽除鏽就成了船舶使用週期的關鍵。通常船舶面臨兩大腐蝕源,一個是海面以上的高鹽分空氣,一個是海面以下海水的直接腐蝕。經常和船舶打交道的人都知道,水面以上比水面以下的船體更容易被腐蝕,這是因為水面以上暴露在空氣中,海面空氣含有大量鹽分,更容易被氧化,所以經常看到到處鏽跡斑斑。軍艦的防腐蝕處理,首先,要塗防鏽底漆,而且是很多遍,軍船比民用船要嚴格很多。在塗外層漆,這個也是很多遍。軍船和民船的不同之處在於使用的漆不一樣,軍船通常的漆具有反雷達訊號的作用。而民船則是訊號越大越好,就怕別人看不見它,所以民船通常都是白色的船樓,黑色或腥紅色的的船身,這樣醒目。軍艦正相反,想法不讓別人發現,因此顏色否是灰色主調。水兵每天除了訓練,另一個主要工作就是除鏽,鏽蝕有浮鏽,這是鏽蝕的開始,如果不及時處理就會越來越嚴重,所以清除掉,刷層漆。從遠處你也許會覺得軍艦光滑乾淨,等你上去就能看到,到處是補漆的痕跡。士兵用小鐵錘敲擊生鏽部位,要檢查是否被氧化凸起了,要敲掉重新打磨上漆。船舶的油漆非常厚,把整個船體包裹起來。軍艦靠岸後通常都要對周邊船體進行除鏽工作,重新刷漆,當然這是有一套作業程式的,不能亂塗一氣。水面以上的好處理,那麼,水面以下的咋辦呢?船舶長期泡在水裡,光是海洋生物的附著就是個頭疼的事。到現在也是船舶防護的難題,這個遠比解決生鏽腐蝕嚴重的多,其實水下艦體的鏽蝕很小主要是海洋生物的附著。船體水面以下雖然和海水直接接觸,更易腐蝕。但也隔絕了氧氣。經過防腐,防鏽蝕處理能很好的解決,水面以下的主要腐蝕源是化學腐蝕。因此通常採取“犧牲陽極保護法”。以犧牲陽極保護陰極。白話講就是兩個不同電位的金屬放一塊就產生了微電源。如,銅和鐵,我們都知道銅比鐵活性低,銅就是陰極。鐵活性高容易腐蝕,就是陽極,這個就是專業的原電池原理。船體都是鋼鐵板,找一個比鐵還活性高的金屬作陽極,讓它暴露在海水裡,就避免了鐵質船體的腐蝕,這個陽極就是“鋅塊”。所以你到船底就會發展一排排的鋅塊,各式各樣。只不過軍艦要佈置隱蔽而已。這是防腐蝕措施,但對於海洋附著生物,如“海蠣子”挺難辦,有人說油漆都有毒,沒用的,而且還汙染環境。對人也不好,因此除了技術上的措施,艦船都會定期清理大修。(以上是個人觀點,歡迎指正)