舰艇除锈面面观

文/壁千刃

早在“海上联合—2014”中俄联合军事演习期间，就曾有网友在港口附近拍摄到了俄罗斯军舰上的水兵在忙碌地为“潘捷列耶夫海军上将”号大型反潜舰的部分设备武器刷涂防锈油漆，此事引来网上一片热烈的讨论。不久前，有媒体报道称菲律宾当年搁浅在南海仁爱礁上的老旧登陆舰生锈非常严重，船体多处已被锈穿，直通大海。由此可见，舰艇总有“刮不完的铁锈”。实际上，对全球海军而言，舰艇除锈技术都是一个重要的课题。

锈对舰艇的影响

海水本身含有大量盐分，海水中的电解质和电荷比淡水有更强的锈蚀/腐蚀效应，在恶劣的海洋环境下，船体钢很容易发生腐蚀或生锈，会严重影响整体性能，导致船体强度下降、局部腐蚀破损、航行速度下降等后果。长期浸没在海水水线以下的舰船壳体，不仅受到海水腐蚀，还可能受到各种海生物(如贝类、海藻类、海草等)和其他污物的附着，使船壳受到污损或生锈，导致舰船航行时的表面阻力增大、航速降低。对于战斗舰船而言，直接影响到舰船的战斗力。由于海洋舰船运行环境对船体的腐蚀程度严重，长时间航行的舰船表面会产生氧化锈蚀现象，锈层能有效地阻滞氧进入金属表面，同时也能加速金属的腐蚀口，因此，对其必须进行定期的除锈喷漆维护，以确保舰船航行安全。舰船除锈是为了去除船体钢铁表面的氧化层和锈蚀物以及旧漆层，彻底的除锈可为喷漆提供良好的接触基底，从而确保喷漆的质量，以更好地保护船体。

由于船舶在航行期间船底无法保养维修，必须在船舶进坞或上排时才能进行修理，因此，要求船底涂料在经济技术指标允许的范围内尽可能地延长使用寿命，以提高经济效益和减少维修和保养的费用。现各国都广泛使用长效的船底防锈漆，同时使用自抛光型船底防污漆。这样随着船舶的航行，防污漆不断释放毒料并溶解，在船舶定期维修时，只需用高压水冲掉残存的防污漆和少量海生物附着，可大大减少维修费用和周期。美国等发达国家则拥有水下刮船器，可对大型舰艇和辅助船直接在水下刮除海生物以延长防污期效。

舰艇除锈全方位透视

目前，舰船常用的除锈方法有手工除锈、机械除锈、高压水射流除锈、喷砂除锈、机器人爬壁除锈等。

（一）手工除锈

在中俄“海上联合-2014”联合军事演习落下帷幕的第二天上午，中国海军“郑州”舰与俄罗斯海军导弹巡洋舰“瓦良格”号对公众开放。据登舰者所观察，“瓦良格”号平时刷防锈漆工作很粗糙。经常航行的船舶出现掉漆生锈本是家常便饭，除锈补漆也是一门海军的基本功夫。根据普通要求，对于船上的锈迹，应该用刮刀将锈斑全部刮除，然后反复涂刷3-4遍防锈漆后再涂上灰色底漆，这样处理的舰艇表面虽然可能存在油漆新旧导致的色差，但基本不会有大的凹凸。而俄舰的状态，很明显是直接略过了刮锈这一“脏活”步骤，简单涂漆了事。而从凹凸的厚度看，这种“处理”已经反复经历了好几次，绝不仅仅是此次出访的应急面子工程，而是日常标准操作。这种掩耳盗铃的刷漆除锈，非但不能保护舰艇表面，还会因为锈迹影响油漆的附着力，导致舰艇更快在海上掉漆和更大面积的生锈。

手工除锈的工具有敲锈锤、除锈铲、刮锈刀、钢丝刷等，一般厚的锈斑用榔头敲松再用铲刀铲除。手工除锈，工具简单，方法易行，几乎不受作业场所的限制。目前，各国舰艇进行日常除锈作业，仍经常采用手工除锈的，手工除锈工具主要有：敲锈锤用来清除钢铁面上较厚的铁锈、疏松的氧化皮及旧涂膜。使用敲锈锤时，刃端不可磨得过于锋利，否则会在钢板表面造成深痕。清除铝、铜及木质表面的旧涂膜，不得使用敲锈锤，以免损伤物面。刮锈刀用来刮除旧涂膜和薄铁锈的工具，端部成三角形。除锈铲形似锅铲的除锈工具，带有较长的木柄，主要用来清除船底的锈污。铝刮刀用于铲除铝质、铜质物面的旧涂膜和海生物，不易损伤物面，但铝刮刀由于硬度不够不适于处理钢铁表面的锈。钢丝刷是板刷状的除锈工具，用来刷净经敲击和刮除后留在钢铁物面的残迹。不平滑的钢铁表面经敲击和刮除后，必须用钢丝刷刷净；用铜丝制成的板刷状除锈工具，用于清除铝合金、铜质表面经刮除后留下的残迹。喷灯用来烧熔木器上较牢固的旧漆，使之焦软起泡，然后用刮锈刀除掉。清除质厚的钢铁物面上大面积贴除牢固的旧涂膜，也可以用喷灯。

然而，手工除锈由于工人操作时劳动强度大、工作条件差，因而除锈效率低，一般速率为2m2/h一5m2/h，难以去氧化皮等污物，除锈效果不佳，难以达到规定的清洁度和粗糙度。因此，随着舰艇除锈行业的快速发展，手工除锈已变得落后，满足不了实际生产的需要。但在修船过程中，特别是对局部缺陷的修补，仍常采用此力法。对于机械除锈难以达到的部位，如狭小舱室、型钢反面角隅边缘等作业困难区域也多用手工除锈。

（二）机械除锈

小型风动或电动除锈主要以电或压缩空气为动力，装配适当的除锈装置，进行往复运动或旋转运动，以适应各种场合的除锈要求。如角向磨光机、电动钢丝刷、风动针束除锈器、风动敲锈锤、齿型旋转除锈器等，属于半机械化设备，工具轻巧、机动性大，能较彻底地去除锈、涂层等能对涂层进行打毛处理，效率比手工除锈大大提高，可在任何部位使用特别在修船过程中得到广泛应用。一般配备于涂装站，舰艇厂修时可借用。外国舰艇常用的小型风动除锈工具有：风动砂轮机结构和一般砂轮机差不多，为手持式，主要用于清除铸件毛刺，修光焊缝，修磨大型机械表面。风动敲锈铲由手柄、开关、套筒、汽缸、铲头等组成。压缩空气驱动汽缸活塞运动，连于活塞的敲锈铲即可除锈，适用于狭窄处。针束除锈机由锤体和手柄组成，压缩空气驱使锤体作往复运动，于是针束随之反复撞击工作面，使其表面的锈蚀脱落。其特点是：针束可随作业面曲面的形状而自行调节针束往复的幅度，以彻底清洁锈蚀。针束除锈器主要用于弯曲、狭窄、凹凸不平处及角缝处，其压缩空气耗量少，操作简便。便携式吸尘除锈机由除锈机和吸尘装置两部分组成，除锈机的风动马达上装有三爪刀盘，刀片为硬质合金制成，刀盘上装有护罩，可起到强化局部吸尘和安全防护的作用。分离式电动除锈机电机转动时，通过软轴带动刀盘转动，刀片在随刀盘运动中以高速敲击和刮削金属面，使锈蚀脱落。锈蚀较轻或用刀片清理过的表面，可以把刀盘卸下，换成钢丝刷，对作业面作进一步的处理。分离式电动除锈机操作灵便，适用于焊缝、铆钉、边角、缝隙的除锈。然而，不能去除氧化皮，表面粗糙度较小，不能达到优质的表面处理质量工效较低。

（三）喷砂除锈

干喷砂设备是利用压缩空气将砂粒经喷咀以高速作用于舰体而清除锈污的装置。输送砂粒有压力、吸入、重力等不同方式，砂粒通过喷咀的砂旋塞进人喷砂管，在3-6个大气压的作用下，喷向作业面。砂子一般用一定直径的石英砂或河砂。湿喷砂设备是一种砂加水的喷砂除锈装置，优点是环境污染小，缺点是效率低。其工作过程是：砂和水分贮于砂罐和水罐，砂在7千克力/厘米2的气压作用下，水分别进入喷咀以高速喷出。为防止作业面再次生锈，在水中加人0.5-2.5%防锈剂，可保持8-16昼夜不生锈。喷丸设备与干喷砂设备相似，是用金属弹丸代替砂粒，因而效率更高。其弹丸气压为1-8个大气压，喷咀用高硬度钢制成，每个喷咀使用寿命13-25天。 喷丸设备的操作人员与作业面、设备等是隔开的，工作间的墙壁为避免喷丸影响，覆以5毫米橡皮。抛丸设备是向高速旋转的叶轮装入钢丸，钢丸随即高速抛向作业面的封闭式除锈装置，使用较多丸的材质是除锈效果的关键，常用材料有海砂、河砂、钢渣、钢丸、铁丸、钢丝段等。船底抛丸除锈机是船坞专用设备。载于车上的船底抛丸除锈机，其铁丸的出口由液压系统控制升降，外面罩以密封柜。作业时升降装置将抛丸出口对准作业面，密封柜与船体紧贴，铁丸以高速冲击船底后又弹回贮丸缸内。

（四）超高压水射流除锈

随着超高压水射流技术的发展，上个世纪末，超高压水射流达到200 MPa,可以实现无磨料的纯水除锈。为了防止水射流除锈返锈,采取了真空技术，将几个除锈喷嘴安装在1个真空腔内，实现真空水及废料回收，起到良好的防止返锈的效果。高压水射流除锈通常是选用超高压纯水射流或者是较低压力的脉冲射流。另外，也可使用带磨料的高压水射流来实现除锈、剥除旧漆层的目的。水射流磨料除锈是在高压水射流中掺有石英砂，磨料剥削能力强，实验效果好，然而船坞很大，磨料的输送需要脚手架输送起来不容易，且船坞环境潮湿，保证磨料干燥较困难。但是，目前这种技术还不够成熟，且由于除锈过程中要求尽量保持干燥的操作环境，而纯高压水射流除锈方式存在被除锈后船体表面的轻微返锈问题，对于这种现象，通常是选择恰当的化学涂料或在水中加入定量的化学缓蚀剂来抑制返锈，这样却会造成环境污染问题，并且在施工过程中难以定性定量操作。到目前为止，超高压水射流除锈已经成为西方发达国家的主要除锈技术。新射流如脉冲射流、空化射流和磨料射流的相继出现，增加了切割、剥离、破碎等能力，提高了水射流除锈质量。随着社会对舰船除锈行业提出了更高的效率、洁净率及环保要求，高压水射流舰船除锈技术在各国的应用日渐广泛。这一不返锈现象对表面预处理舰船除锈技术是至关重要的。相对于干喷砂除锈工艺，超高压水射流除锈工艺不但有除锈效率高、除锈效果好的优点，尤其是该工艺仅使用水作为除锈介质，水射流不会造成二次污染，清洗过后无特殊要求不需进行清洁处理，无有害物质排放与环境污染问题，可以清洗形状和结构复杂的物件，能在空间狭窄、条件恶劣的场合进行作业，清洗快速、彻底。水射流技术环保、无污染、工作环境友好。可以预见，该技术今后在舰船除锈方面有很广阔的应用前景。

（五）爬壁机器人除锈

随着社会环保力度的加大，及仿生学、微机电一体化、新型驱动器、高分子材料等新技术，新理论的应用，在先进的舰艇除锈成套设备中，执行系统多采用环保、安全、高效的除锈爬壁机器人。例如德国Hammelmann公司研制的舰船除锈设备就有手持喷枪及清洗器、自动除锈车和除锈爬壁机器人等。美国研制了用于搭载舰船除锈清洗器的M系列爬壁机器人。M系列爬壁机器人采用永磁吸附，两块大吸附力的永磁铁分别安置于机器人的前轴和后轴的下面，强大吸附力的永磁铁能够承受机器人216千克的重量以及近百米长的真空回收管路和超高压水射流管路负载重量，并且能够透过船壁6.3 毫米厚的涂料层将机器人牢牢地吸附在竖直船体表面，永磁铁与舰船壁面之间存在一定的间隙，避免了机器人转弯时永磁铁与舰船壁面之间的滑动干摩擦，机器人能够灵活地行走和转向。机器人传感器、电机等电器元件完全被密封，有效地防止了超高压水管路泄漏、水射流喷溅或雨水等因素对电子元器件的影响。该机器人搭载质量大、负载能力强、除锈速度快、除锈效率高,采用两台电机进行驱动，除锈速度可达500 毫米/秒，除锈宽度达到380 毫米。然而，难以在非结构化壁面工作。M系列爬壁机器人适用于壁面近似竖直、平坦的广阔船壁两侧，但是不适合在船头、船尾、舰船腹底等大曲面非结构化壁面上作业，结构需要进一步小型简单化，制造和维护成本较高，重量需进一步减轻。不能在舰船的非结构化壁面上实现附壁。

存在问题

舰船除锈是舰船表面钢质材料的预处理，是舰船涂装前的首要任务，是修船和造船的关键步骤。随着社会对舰船除锈行业提出了更高的效率、洁净率及环保要求，机器人除锈技术在各国舰船除锈的应用日渐广泛。可以预见，机器人除锈技术在今后有很广阔的应用前景。然而，舰艇除锈对除锈机器人的要求高，主要表现在以下几个方面：(1)具有在钢质船体竖直或者近似竖直的壁而上可靠的吸附能力。 (2)具有良好的沿舰船壁面上爬和转弯的驱动能力。(3)具有良好的承载较大的清洗器重量、负载管路重量和机器人本体重量的负载能力。(4)具有良好的舰船壁面移动行走性能，包括越障能力、抗倾覆能力。机器人负载大、本体重、负载大则要求机器人吸附力大、驱动转矩大。然而，机器人吸附力大会造成机器人行走和转弯困难，也会导致吸附元件重量加大。同时，驱动转矩大则会导致所选的驱动元件重量加大。因此，除锈机器人可能出现的问题如下：

(1)由于在除锈上作过程中存在舰船壁面法向的射流反冲力，较大的射流反冲力将影响机器人的附壁能力，对机器人吸附不利，可能造成机器人后翻。

(2)主要工作在船体两侧较为垂直的钢质表面，由于大型舰船两侧很高，因此，机器人拖带的负载管路会更长、更重，超出一定船壁高度，机器人仍然可能存在驱动和附壁性能不足的问题。

(3)舰船船头和船尾结构复杂，非结构化囚素较多，因此，除锈机器人尚不具备在舰船船头和船尾工作的能力。

(4)为满足修船效率要求，以舰船除锈时间短为目标，需要加大除锈清洗器尺寸，这就对除锈机器人的负载能力有了更高的要求。此外，在搭载一定型号的清洗器、保证除锈质量的前提下，提高机器人移动速度有助于提高除锈效率。

结语

迄今为止，舰船除锈工艺经历了磨料射流技术、超高压纯水射流技术和爬壁机器人真空超高压水射流成套技术三个发展阶段。第一阶段，磨料射流除锈将水可以除锈变为现实，除有磨料飞溅污染外，水加砂型的磨料水射流湿式除锈基本消除了环境污染，但是，磨料射流除锈中难以连续均匀地输送磨料，在船厂船坞的现场应用效果不佳。第二阶段，超高压纯水射流可以解决磨料的连续输送问题，但是，人工手持喷枪除锈作业是比较危险的，而且船壁进行射流除锈后有一些水分积累，很快会重新生锈，即返锈。第三阶段，采用爬壁机器人搭载除锈清洗器作业，将超高压水射流除锈、真空系统抽干并排渣、爬壁机器人执行除锈作业三者成套设计于一体，采用水射流除锈，然后真空抽干水分并回收锈渣来防止返锈，应用大型爬壁机器人搭载除锈清洗器遥控作业可以保证操作安全，使得除锈质量和效率明显提高。