附着物

附着物是依附于不动产且分离后不能发挥效用的物。当船只在水中航行一段时间之后，总会有各种水生生物附着，这些生物一方面增加船体重量(每个不大，加起来就多了)，因为不光洁的表面增加阻力，而且还会阻塞船底一些设备注水口，影响船舶正常运行，因此，每过一段时间，船底都要进行清理。

简介

船舶长期与海水接触，导致大量细菌粘附在其材料表面，形成一层生物调节膜。初代浮游生物的幼虫、孢子纷纷着落在该生物调节膜上，分泌出增强附着力的粘液，并通过化学键合、静电作用、机械联锁、扩散联锁中的一种或几种协同作用，进行强力粘附，不断繁殖。老一代生物死亡后，部分不会自动脱落，新一代又会重新附着在其表面，最终形成大规模的生物群。一般说来，受水体盐度、水域流速等环境因素的影响，船体附着生物会出现死亡，并自动脱落。而实际上，贝类硬壳等海生物在淡水中一周左右会死亡，但其死亡后因强力粘附作用并不会自动脱落，这样就会成为新一轮生物附着的基础。船舶在航行过程中，水的相对流速较大，对生物附着与生长能起到抑制作用，但仍有生物可能附着在船舶上，主要附着部位为船体表面、螺旋桨、桨轴、声呐仓、海底门等。附着物不断积累和侵蚀，最终造成船舶污损。这是一直困扰船舶正常运营的严重问题。

附着物对船舶的危害

主要有以下几个方面：

1、破坏结构物表面防护涂层，改变基底材料腐蚀程度，增加船舶坞修次数，缩短船舶运营寿命。

2、增大表面粗糙度，增加船舶航行阻力（粘液污损、水草污损、贝壳污损分别增加阻力 9%、19%、33%～84%，最多可达光滑时的 3 倍），降低航行速度（10%左右），延长航行时间，增加燃料消耗（轻度附着时，增加油耗 10%～15%；重度附着时，增加油耗 2～3倍），排放更多的温室气体。

3、若在特殊部位附着，还会危害主机安全，阻塞管道，影响设备正常运行，提高运营成本。如螺旋桨被附着会使有效输出功率降低20%，甚至干扰舰船部署，贻误战机。因此，船体表面附着物的清洗是实现船舶节能减排的重要途径之一。

船体清洗技术

清洗技术是治理附着物的重要手段，主要是传统的物理方法，包括机械清除、水射流冲刷、超声波震荡等。具有操作简单、时效性强、防护和去除效果明显的优点。船体表面附着物清洗技术主要有坞内清洗和水下清洗。

坞内清洗技术

舰船、特种作业船、海工平台和国内外各类运输船每年的修造需求不断发展，对船舶清洗市场的需求越来越大。坞内清洗主要是清洗表面的部分海洋污损附着生物、被破坏的防污涂层和基底的锈蚀，为后续修造上漆工艺做好准备。

1、手工清洗

最初的作业由工人们手工铲除污损。舰船进坞后，工人们用刮刀配合化学药剂处理附着生物。这种方法很难清洗干净，还需保证不破坏防锈涂层，效率非常低。而且使用的化学药剂容易产生环境污染和二次残留，浪费人力物力。

2、喷丸清洗

气体喷丸（喷砂）清洗作为现国内的主流清洗除锈方法，其使用率约占市场的90%。该方法是利用压缩空气将预先准备好的磨料（常用的是黄砂、石英砂、金属颗粒）喷射到受洗表面，依靠磨料的高速冲击和摩擦去除表面污损和老化涂层。其作用过程比较剧烈，破坏能力强，难以精确控制，劳动强度较大。而且综合考虑喷砂清洗的磨料、人力、作业周期、设备、电耗以及其他维护费用，其成本较高。除此之外，该技术严重污染环境，噪声大，对操作人员的身体健康和工作安全也有潜在危害。

3、高压水射流清洗

高压水射流清洗是利用高压泵使高压水依次流过管路和喷嘴，形成高速射流并连续冲击受洗表面，使污垢脱落的技术。该技术具有环保、清洗效率高（可达100m2/h）、可调节合适的压力应对不同基体和附着机理的优点。船舶进坞后，除了清洗，还要除锈。清洗时，工作压力需调节为70MPa；除锈时，工作压力需调节为220MPa。但是对于藤壶类和贝类等部分生物，由于其附着牢固，压力偏小会清洗不干净，压力过大则容易破坏表面的钢铁皮，所以对该类生物的清洗效果不理想

4、超高压水射流清洗

超高压水射流清洗技术的出现，很好地解决了手持喷枪作业的返修和废水废渣回收问题。基于超高压水射流技术的船舶除锈爬壁成套设备具有真空抽吸系统，可以在完成除锈作业时回收锈渣和废水。而且超高压下的水可达到80～90℃，其在真空腔内的高温场下，可变成水蒸气蒸发，实现即除即干的效果。通常会将超高压水射流技术和旋转射流技术相结合，旋转射流的雾化作用可使真空腔内的高温场均匀化，从而加强蒸发效果。而且，旋转射流会在常规水射流法向打击力的基础上增加切向剥层力。结合了弯矩作用、集中冲击作用和高剪切载荷作用的超高压旋转射流，对于不规则锈层的高弯矩部位有显著效果。

水下清洗技术

在坞修期间对船舶进行清洗是经济有效的节能减排措施之一。由于国内的船坞数量无法满足市场需求，且船坞修理时间长，费用昂贵，容易造成停航损失，增大运输成本。此外，在一个坞修周期内，污损导致船舶航行性能降低，而产生的温室气体占全球船队温室气体排放的 9%～12%，所以灵活方便的水下清洗技术是很必要的。

1、接触类清洗技术

刮铲技术是最初常用的水下清洗技术，由潜水员手工操作，工具简单。然而，其作业费时费力，清洗效果不理想，已逐渐被淘汰。转刷技术常有单刷、双刷和三刷三种工具，由马达带动刷盘转动，部分结构在清洗时，可形成负压吸附在船体表面，配合潜水员推动作业。转刷转速为0～450r/min时，清洗效率可达17～186m2/h。一般说来，该技术十几分钟内可沿船舷往复清洗一次，十几小时内就能完成清理工作，是应用最广泛的水下清洗技术。新加坡港口对水下清洗技术的应用服务处于世界领先地位，早在 20 世纪 60、70 年代，美国海军土木工程实验室（NCEL）就已成功研制出多种基于转刷技术的水下清洗工具。1997 年，美国就主要采用机械转刷技术来清洗军舰上海洋生物附着物，其他国家也有该类清洗设备。2006 年，中国海军装备专门为战舰设计了手持水下清洗设备。基于转刷技术的清洗工具，成为了水下清洗机器人搭载的主要作业手段。该类清洗技术还可根据特定的应用对象，更换不同的转刷材料和部件。根据转刷水下清洗前后效果对比图可以看出，软生物可轻松去除，搁板状生物却难以去除。当其去除坚硬污垢时，难以控制清洗程度，会破坏部分防腐油漆层。而且，该技术作业部位受船体表面特性影响，大部分设备仅适用于船体表面曲率较大的部位，具有很强的局限性。更重要的是，该技术破坏涂层时，还会向周围排放有毒含铜化合物，破坏海洋环境，难以适应越来越严格的监管制度。因此，需要研究适合的优化方法，在达到良好清洗效果的同时最小化对防腐涂层的破坏。

2、射流类清洗技术

射流类清洗技术属于空化水射流技术，具有环保、高效、安全性高的优势，可代替机械转刷和高压水射流技术，是国际上最新、最先进的水下附着物清洗技术，可广泛应用于众多工业领域，如破岩、材料、降解等。空化水射流的发现和应用对水射流清洗技术的发展有着重大意义。通常，高速流体经过空化喷嘴，产生压降，当局部压力低于汽化压力时，发生空化。可采用多种方法（提高温度、加大流速、降低压力等）使诱导液体中大量填满空穴的微气泡高速生长，随后，在表面的高压停滞区暴力溃灭形成近壁面微射流，或分裂成更小的空化气泡，产生极高的溃灭能量，从而将高速射流冲蚀转变成快速清洗。

3、声场类清洗技术

声场类清洗技术是由美国加利福尼亚大学提出的，在船体周围覆盖低频声场可以预防污损生物附着，而高能强声声波可以去除附着的生物。该技术早在 20 世纪80年代，由瑞典人在清除锅炉烟道内积灰时创造，随后得到了广泛应用。其无毒副作用，不污染环境，适合舰船的复杂结构表面，具有很大前景，但影响军舰隐身性能等相关问题还需进一步研究。

4、复合类清洗技术

复合类清洗技术是将几种技术结合，从而提高清洗效果。为了解决转刷难清洗搁板状硬壳类生物的问题，英国 fugro 公司将水射流技术和旋转清洗刷技术相结合，开发了一种水下船体底部表面检查和维护的多功能机器人。考虑到转刷容易破坏基底漆层的弊端，2009 年浙江海洋学院机电工程学院的陈玉莲等人设计了一种水下液压清洗设备，以结合摇杆摆动和不锈钢叶片自转的清洗技术为主，辅以能产生空化效应的高频超声波震荡技术，震落残余生物。

研究展望

船舶坞内清洗除锈技术正向着超高压大功率（压力大于300MPa，功率大于900kW）、低成本、高能效、绿色环保、集成化、精细化发展。国内高压清洗技术与国外尚且存在差距，100MPa 以上的主要部件（泵机组）仍需进口。需加强研究以下问题：如何优化系统参数，实现合理节能，避免为追求打击效果和清洗效率浪费整机性能；提高喷嘴、泵等部件的种类数量和质量，保证工作效率；实现周边设备多样化、成套化及系统的智能化，以完成不同作业任务等。不同于坞修清洗除锈所追求的超高压技术，水下清洗技术有着特殊的环境，其正向着低压、低能耗的趋势发展。船舶清洗装备经历了原始手工操作和大、中型机械操作两个阶段后，现正处在遥控机械或机器人作业的第三阶段，并将在该阶段长期不断探索创新。因此，考虑水下运载机器人的能源限制，减小建造成本，清洗技术必然要满足最小的能量需求，希望能以最小的能耗，在去除海洋污损附着生物的同时，尽量保证防腐涂层和基体不受破坏，现淹没型空化水射流凭借节能、高效、保护船体、不受壁面形状影响的优势，无疑是代替转刷结合水下机器人的理想清洗方式之一。

今后需要加强对水下射流清洗机理和工艺的研究。需要在以下几个方面进一步探索：如何优化水射流喷嘴的种类、数量及喷头分布组合的配置；如何实现射流流量、压力和靶距在最佳清洗工况时的匹配组合；如何降低射流清洗的反作用，对载运机器人载荷、功率、水动力特性的影响等。可根据船体污损附着生物不同的吸附特性，如厚度、吸附强度等，调节最佳水射流压力。水射流压力过小，则清洗不干净；水射流压力过大，则破坏船体表面涂层，浪费能量，无法实现清洗的低能耗。还可拓展对空化射流、脉冲射流、旋转射流、声场技术等单一技术或多个技术结合的复合清洗技术在水下船舶的研究及应用，节能的同时提高清洗效率，从而推动船舶清洗技术向绿色、节能、环保方向的新发展。

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