船舶特涂舱室全循环喷砂系统技术研究与应用.pdf

第36卷第4期技术交流船舶特涂舱室全循环喷砂系统技术研究与应用徐维伟1，徐卫华1，叶长林2（1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴214433；2.中船澄西华尔新特种涂装（无锡）有限公司，江苏 江阴214433）摘要：针对船舶特涂舱室铜矿砂喷砂除锈技术工艺在施工过程中存在的成本、效率、环保方面弊端，文章以钢砂除锈技术为研究对象，开发适用于船舶特涂舱室的全循环喷砂系统技术，研发一款具有成本、效率优势和环保性能的船舶特涂舱室全循环喷砂装备，实现降本增效的目标，满足公司修船绿色可持续发展的需要。关键词：特涂舱室喷砂除锈；铜矿砂；钢砂；全循环喷砂系统技术中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2023.04.007Abstract：Copper sandblasting for de-rusting technology for marine special coating cabins has drawbacks interms of cost，efficiency，and environmental protection during the construction process.This article develops full-cycle sandblasting system technology suitable for marine special coating cabins by taking steel sandblasting for de-rusting technology as the research object and designs a piece of full-cycle sandblasting equipment for marine specialcoating cabins with low cost，high efficiency，and better environmental protection performance，which thusachieves the goal of reducing costs and increasing efficiency and meets the demand of company about ship repairsgreen and sustainable development.Key words：sandblasting for derusting for special coating cabin；copper ore；steel sand；full-cycle sandblasting system technology船舶特涂舱室采用铜矿砂进行常规喷砂作业，由于铜矿砂易破碎，在反复使用过程中产生大量的超浓度破碎性粉尘，造成舱室能见度低，不仅存在较大的作业安全风险，而且对施工人员的职业健康损害严重。同时，转运铜矿砂需码头门机及叉车高频次配合，增加了使用成本。船舶特涂舱室全循环喷砂系统具有以下优势：使用钢砂、钢丸作为磨料，钢砂、钢丸归类为金属磨料，平均硬度达50 HRC，疲劳强度欧文测试寿命达2 500次，破碎率低，产生粉尘污染少，可循环利用，降低了单位喷砂面积的施工费用1；外加了除尘系统，改善了舱室内施工环境，降低了作业安全风险；属于半/全自动喷砂，码头门机和叉车配合频次降低，释放了码头门机和叉车资源；作业面表面粗糙度良好，且没有夹砂现象，质量提升明显，由于钢砂盐分远低于铜矿砂，钢板表面的盐分也能大幅下降。因此，研究开发适用于特涂舱室储砂、喷砂、回砂、筛分和除尘模块式组合专用设备即全循环喷砂系统，能够弥补原有喷砂除锈技术工艺存在的不足，打破铜矿砂除锈施工的局限。1船舶喷砂除锈工作原理船舶喷砂除锈采用压缩空气为动力，喷砂机内磨料在压缩空气的推动下，形成高速喷射束将钢砂磨料高速喷射到需处理工件表面，由于磨料作者简介：徐维伟（1987-），男，江苏南通人，工程师，大学本科，主要从事船舶修理生产管理工作。中 国 修 船27中 国 修 船2023年8月技术交流对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，机械性能得到改善，提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂层的耐久性，也有利于涂层的流平和装饰。把表面的杂质、杂色及氧化层清除掉，同时使介质表面粗化，起到降低基材表面残余应力和提高基材表面硬度的作用。2船舶特涂舱室全循环喷砂系统组成船舶特涂舱室全循环喷砂系统采用的磨料为钢砂，系统主要由3个子系统组成，分别为全循环喷砂系统、中间系统、后置系统。全循环喷砂系统包括上部钢砂回收、处置、存储模块，中部钢砂存储、监测模块，下部钢砂存储、出砂装备模块，底部全循环喷砂装备承载平台。中间系统包括喷砂管路系统、压缩空气管路系统、喷砂终端装备（喷砂枪）。后置系统由吸砂管路系统、吸砂装备（吸砂机）组成。3船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作原理船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作前，全循环喷砂系统2需分4段吊运至码头指定位置并完成组装、初次储砂工作。系统工作时，全循环喷砂装备内的钢砂经由中间系统（喷砂系统）完成特涂舱室的喷砂除锈工作，此时，全循环喷砂装备内的钢砂基本使用完毕。后置系统（吸砂系统）开始工作，将舱室内除锈散落舱底的钢砂，通过吸砂机和管路系统回收至全循环喷砂装备上部模块，上部模块中设置的筛分机对使用过的钢砂进行筛分处理，筛分过程中，离心除尘系统同步工作，清洁钢砂。粉尘、固体废弃物及少量破碎砂粒进入分离系统进行分离，清洁的钢砂进入全循环喷砂装备的中间模块，中间模块设置料位监测系统，用于监测磨料储存量，保证全循环喷砂整体重量不超过安全使用要求。中部模块的钢砂进入装备下部模块，为中间系统喷砂作业提供合格的钢砂磨料。4船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作流程一个完整的船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作流程简述为储砂、喷砂、回砂、筛分和除尘4个步骤。船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作流程图如图1所示。初次储砂第一特涂舱室喷砂除锈第一特涂舱室吸砂、回砂、筛分、除尘第二特涂舱室喷砂除锈补砂图1船舶特涂舱室全循环喷砂系统工作流程图1）初次储砂。将特涂舱室全循环喷砂系统装备运送至码头定置位置，依次吊装底、下、中、上4段，形成整套装备，安装爬梯、栏杆等安全设施，按照装备负荷设计要求，向装备3个分段内加砂直至达到设计负荷为止。2）第一特涂舱室喷砂除锈。第一特涂舱室（左右）开始喷砂作业，左右特涂舱室各布置4把枪，使用喷砂缸 4 台，连续作业 10 h，大约需要160 t钢砂，喷砂作业时不进行吸砂作业。3）第一特涂舱室吸砂、回砂、筛分、除尘。使用2台功率为132 kW的吸砂机进行吸砂作业，单机效率约为7 t/h，大约需要11.5 h。4）第二特涂舱室喷砂除锈。第一特涂舱室吸砂、回砂作业结束后，第二特涂舱室开始喷砂作业。5）全循环喷砂补砂。使用钢砂除锈作业，在重力加速度作用下冲击钢板表面，少量钢砂颗粒破碎形成一定的损耗，导致喷砂缸内钢砂储存量降低，此类情形则需要从事先准备的周转储砂箱中获取补充。5船舶特涂舱室全循环喷砂系统设计船舶特涂舱室全循环喷砂系统设计理念着重于结构简单、操作便捷、通用性强，外形尺寸参照通用集装箱规格设计，满足多样化的运输需求。模块化设计对起重设备的起重升力要求降低，以便现场组装装备，综合性能得到了加强。底部设计有承载平台，满足码头单位面积的承载要求。全循环喷砂系统全载荷钢砂储存量总计约88.66 t，实际作业时喷砂与吸砂是分开的。现场使用中整套装备满负荷作业为上、中、下、底4个模块的质量之和，总计为88.66 t，全循环喷砂系统框架（长宽）为4 2002 400，面积为10.08 m2，平台载荷为每平方需承受质量8.8 t。全循环喷砂系统整体质量需满足应用区域承载要求，该系统设计共分为3个部分，上部模块单个喷砂缸储砂量为 8 t，每台设备设置有 2个喷砂缸，共储存16 t钢砂，中部模块内储存25 t钢砂，上部模块设置 2 个小型吸砂箱，共可储存 16 t 钢28第36卷第4期技术交流砂，在喷砂之前设备本身已储存钢砂合计57 t，可满足7.5 h的喷砂用量。船舶特涂舱室全循环喷砂系统整体设计示意图如图2所示。图2船舶特涂舱室全循环喷砂系统整体设计示意图回砂系统储砂箱喷砂系统承载平台5.1上部吸砂、除尘、筛分模块设计上部模块为吸砂、除尘、筛分模块，外型尺寸4 2002 4002 300，储存容积4 m3，自身质量约5.38 t，吸砂箱（2套）容量为7.2吨/箱，储砂量约14.2 t，二者合计为19.58 t。上部吸砂、除尘、筛分模块设计如图3所示。图3上部吸砂、除尘、筛分模块设计内有小型除尘风机（1台，功率 7.5 kW）；外接尘丸分离布袋（1 套）和吸砂管吸尘管（16.67cm），钢砂吸入吸砂箱后落入筛分机进行分杂，粉尘被风机产生的压力吹入尘丸分离布袋内，空气穿过袋壁排入大气。清理过的钢砂直接落入中部储砂模块的储砂箱内存储。上部模块为磨料清理系统，内有尘丸分离器、除尘风机及容量为8 t的小型吸砂箱2套，每个吸砂箱上各有一根真空管和吸砂管，钢砂吸进吸砂箱后落入尘丸分离器内进行清理，粉尘被风机产生的压力吹入集尘袋内，空气穿过集尘袋壁排入大气。清理过的钢砂直接落入中部模块的储砂箱内。5.2中部钢砂存储、监测模块设计中部模块为储砂箱，框架外型尺寸 4 2002 4002 200，自身质量3.14 t，拟设计钢砂储存容积14 m3，储砂量约48.4 t，二者合计51.54 t，出砂阀为手动操控，方便快捷。同时储砂量必须考虑码头起重机的载荷能力。考虑不同区域码头起重机和码头自身的承载能力，必须控制储砂箱的储砂量，设计中通过在储砂箱内上、下位置安装2个料位仪限制储砂量，同时安装限位报警装置，人工断开加砂阀，确保在不同施工区域作业储砂量不超过25 t。中部模块为储砂箱，考虑码头的起升能力，储砂量可能小于30 t，下部下砂阀为带蜗轮蜗杆副的手动阀门，使用轻便。中部钢砂存储、监测模块设计如图 4所示。图4中部钢砂存储、监测模块设计5.3下部钢砂存储、喷砂装备模块设计下部模块为喷砂系统，装有2台1.5 m喷砂机，喷砂机缸体内部可储存磨料，每个喷砂机缸体内部可储存5.4 t（2台）钢砂。喷砂与加砂均为手工操作，摒弃了自动控制方式，降低了故障率，操控难度下降，维修工作量减少。框架外型尺寸为4 2002 4002 400，框架内部安装喷砂机2台，合计质量为4.54 t，喷砂机缸体储存容积1.5 m3（2台），储砂质量约13 t，二者合计 17.54 t。下部模块为喷砂系统，装有 2台 1.8 m的大直径喷砂缸，可一次储存更多的磨料，其下部采用了下锥体连接封头的结构和顶部封闭机构，不使用顶阀以增加可用砂的容量，每个砂缸可储存8 t钢砂。加砂、喷砂均手工操作，减少了自动控制元器件故障的发生频率、操作人员和修理人员的技术要求和维修工作量。下部钢砂存储、喷砂装备模块设计如图5所示。图5 下部钢砂存储、喷砂装备模块设计5.4底部承载平台设计根据码头承载能力，设计设备的最大质量。查阅了码头承载图纸资料，并实地查看了码头桩徐维伟，等：船舶特涂舱室全循环喷砂系统技术研究与应用29中 国 修 船2023年8月技术交流基、主梁、横梁的实际状况，结合全循环喷砂框架面积制作一个8 0003 00012的底部承载平台，面积为24 m2，自身质量约2.3 t。底部承载平台设计如图 6 所示，整套装置 88.66 t，经计算每平方米可承受质量为 3.7 t。设备现场使用前，根据码头基础主梁、横梁及结构分布情况，标示好全循环喷砂底盘的放置位置，承载底盘按标示好的位置放置。图6底部承载平台设计8 mm钢板28B工字钢22B工字钢加强竖板6应用效果3个模块分解安装方便，按使用区域起重机的起升能力和码头的承载能力确定模块的储砂量。外形尺寸参照通用集装箱的尺寸和堆积安装方式，可方便地使用车辆或其它转运运输方式运输，占用停放场地的面积小。重载荷可实现连续喷砂作业，加砂为手动操作方式，结构和操作系统简单可靠，降低了设备使用和维护的复杂程度，提高了实用性。6.1磨料成本按年特涂舱室15万 m2计算，应用全循环喷砂新型环保喷砂工艺代替传统的铜矿砂喷砂工艺，铜矿砂磨料消耗成本为191.2万元，钢砂磨料消耗成本为72万元。考虑到修船喷砂除锈时的损耗系数较大，钢砂磨料的消耗为0.8 kg/m2，每年磨料消耗方面可节约近120万元。6.2码头资源特涂舱室喷砂除锈施工前，需将喷砂设备、砂斗等施工设备运送至码头区域，喷砂结束后，特涂舱室还需出砂，此时需吊运废砂斗，应用全循环喷砂工艺不涉及废砂和码头砂缸加砂的问题。码头门机的使用频次主要指废砂斗的吊运下船，1 593次是按废砂斗能容纳8吨/斗计算；叉车使用频次是指传统喷砂过程中需在码头上不停地给喷砂缸供应斗装成品铜矿砂，3 187次是按照4吨/斗进行计算的。应用全循环喷砂系统后，年码头门机使用频次可下降近1 000次，叉车使用频次下降近2 800次，码头门机和叉车配合频次降低至铜矿砂的30%，解放了码头门机和叉车等生产资源，为修船其他重要工程的推进创造了良好条件。全循环喷砂系统应用前、后码头资源使用频次对比图如图7所示。图7全循环喷砂系统应用前、后码头资源使用频次对比图3 5003 0002 5002 0001 5001 0005000码头资源使用频次/次铜矿砂磨料钢砂4006001 5933 187码头门机使用频次叉车使用频次6.3环保和质量应用全循环喷砂系统后，特涂舱室空间粉尘饱和度降低70%，保证了作业安全；采用全循环喷砂施工后，产生的固体废弃物减少至铜矿砂的0.5%，环保效果明显；新工艺应用后，舱室表面粗糙度达到90 m，比铜矿砂增加15%，且没有夹砂现象，质量提升明显，由于钢砂盐分远低于铜矿砂，钢板表面的盐分显著减少。7结束语船舶特涂舱室全循环喷砂系统技术的研究与应用，改变了公司当前落后的特涂舱室除锈工艺，开启了特涂舱室环保除锈的新技术和新模式，实现了由铜矿砂喷砂向符合环保要求的绿色施工技术工艺的转变，同时，整体提升了特涂舱室除锈的生产效率和施工质量，压缩了特涂舱室除锈的成本，为公司修船缩短船期、提速增效提供了强有力的保障，具有良好的外部市场推广价值和广阔的应用前景。参考文献1 周军华，许朝清.钢砂磨料在修船涂装施工中应用的可行性J.造船技术，2009（5）：36-38.2 李宪政，厉焕波，周文英.QZPJ-1型自吸式循环喷砂机J.工程机械，1991（2）:48.收稿日期：2023-02-0330