船舶水下清洗技術研究

酈智斌，龍 彪

(1.91872部隊湛江研究室，廣東湛江 524002;2.海裝廣州局駐427廠軍代室，廣東廣州 510260)

由于海生物附著形成的污底大大增加了船舶阻力，意味著保持一定航速必然導致油耗的增加，為合理利用和節(jié)省燃油，科研人員研制了各種防污油漆以減少海生物的附著，但它們都有一定的使用期限，在不同水域使用期限也各不相同，多則20～36個月，少則幾個月。為此，在研制防污底漆的同時，科研人員也在尋找另外的解決途徑，隨著燃油費用的增加，商船使用管理人員發(fā)現(xiàn)，在正常入塢檢查修理期間，定期對船體、螺旋槳、聲吶罩等進行水下清洗是經(jīng)濟有效地措施。美國海軍曾進行過各種測定，發(fā)現(xiàn)將船體外殼表面的粗糙度減至最小，至少可節(jié)省燃油的15%。

1 水下清洗技術和設備的發(fā)展

1.1 水下清洗技術的發(fā)展

水下清洗技術的發(fā)展分為3個階段，第1階段為手工操作階段，由潛水員下水進行清洗工作;第2階段為機械操作階段，由專用清洗器、涂裝機等機械完成大型船舶的清洗任務，具有較高的工作效率;第3階段為遙控機械或機器人作業(yè)階段，為在惡劣海洋環(huán)境下開展清洗工作提供了保障。

早期的水下清洗一般是由潛水員攜帶清潔刷進行水下作業(yè)，根據(jù)附著物類型和厚薄來選擇清洗刷和刷子材料。

手工操作最早用于對小型船舶水下海生物的清洗，使用氣動或液壓清洗器由潛水員來操作完成。隨著大型船舶的出現(xiàn)，手工操作不能滿足高效率和質量上的要求。同時由于潛水員水下作業(yè)時，能見度低，作業(yè)強度和難度較大，潛水員易疲勞，作業(yè)質量和效率難以保證。另一方面是油價上漲的壓力下采取了縮減開支和降低油耗的措施，特別是船級社對船舶進塢間隔期的規(guī)定放寬，允許用水下檢驗代替2年1次的中間檢驗，使得水下清洗技術的應用得到了多方認可。在此基礎上為進一步適應海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作，出現(xiàn)了較大型的機械裝置進行水下清洗作業(yè)，其結構是由液壓或氣動馬達帶動一個毛刷，毛刷質地根據(jù)船體污損情況選擇，作業(yè)方式是由潛水員手持轉刷，利用轉刷產(chǎn)生的負壓使之緊貼船體，推動器向前運動。

隨著科學技術的發(fā)展，為進一步適應海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作，遙控潛水器(俗稱水下機器人，簡稱ROV)逐漸應用于船舶水線以下船體部位核裝置的觀察、檢測和修理作業(yè)之中，現(xiàn)在世界各地主要航線上都設有水下清洗維修站，如美國東西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由鹿特丹開始的西北歐、波斯灣、新加坡及日本等地都設有水下維修站。在國外，機器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向實用化。對于水下清洗來說，ROV作為載體平臺有兩種方式可以進行作業(yè):一是加裝鋼絲刷進行局部清刷;二是在ROV有剩余功率和有效載荷的前提下，加裝高壓水清洗裝置進行大規(guī)模水下作業(yè)。利用該裝置進行水下清理是一種有效的清洗方法，可以提高清洗效率，且不損傷油漆涂層，并可避免潛水員水下作業(yè)的危險性。

1.2 水下清洗設備

1)潛水員手持轉刷。它是一種常用的清洗裝置，液壓動力，刷子轉速0～450 r/min，清洗效率為17～186 m2/h，水下清洗大多使用此裝置。使用其它裝置時，螺旋槳、球鼻艏、聲吶罩、艏艉部、海水吸入箱以及類似的小曲率或窄通道區(qū)域仍需要潛水員手持轉刷清洗。

2)刷船。在1艘工作船上裝1個長的圓柱形轉刷，垂直伸到水面以下2.4～3.7 m，這種裝置對清洗如散裝貨船那樣大而平的兩舷最為有效，清洗效率為242 m2/h，但對大多數(shù)海軍作戰(zhàn)艦艇而言，不是一種行之有效的裝置。

3)遙控水下刷車。典型的有英國的SCAMP水下清洗機，它是一種廣為使用的水下清洗系統(tǒng)，由美國的巴特沃思系統(tǒng)公司研制，為圓形裝置，形狀像淺碟子，通過葉輪的作用產(chǎn)生吸力，將清洗劑保持在工作面上，動力由潛水電機驅動雙液壓泵提供，1個泵驅動葉輪，另1個泵帶動3個牽引輪 (其中1個用以保持方向)和清洗刷。牽引力約2 040 N使清洗機以常速移動，速度為987 m/h，清洗帶寬約1.7 m，清洗效率為1 653.6 m2/h。操作在母船上執(zhí)行，通過同軸電纜連接到操作臺，清洗機上的電力控制裝置在一個密閉的電力分配箱上。清洗機的前進、停止或倒退通過控制臺或潛水員控制。由于它的直徑相當大，在窄拐角處不能使用，只能適用于曲率較大的水面船舶的船體部位，海水吸入箱、球鼻艏、螺旋槳等不易清理的部位仍需要潛水員手持清潔刷進行作業(yè)。

4)刷車。刷車系統(tǒng)類似SCAMP裝置，由法國研制，是世界上廣為使用的一種裝置，北約組織一些國家的海軍艦艇都用此裝置進行水下清洗，它是一個長1.29 m、寬1.20 m、高0.49m的裝置，有3個轉刷，靠驅動輪帶動它通過要清理的船舶表面，空氣中質量為10.87 kg，在水中稍有些正浮力，轉刷和驅動輪都靠液壓驅動，利用1根同軸軟管，油由回路內的水面泵供給。清洗帶寬1.18 m，每分鐘清理30～40 m，清洗效率為1 951～2 508 m2/h，由1名潛水員操作，通過舵輪和操縱桿保持方向、控制速度。主要支援設備包括1套液壓裝置、1部軟管卷車和100 m同軸液壓軟管，1部潛水員供氣軟管卷車和100 m供氣軟管等。包括刷車在內的整套裝置質量約為1 097.71 kg，船體曲率為1.82～2.43 m的船舶可以使用刷車清洗。

5)高壓水清洗系統(tǒng)。把高壓水清洗用于水下作業(yè)，使噴槍緊貼于工作面，形成一個反向射流，可顯著地提高清洗速率，適用于海洋平臺、螺旋槳等結構復雜的物體。美國海軍船廠已經(jīng)成功地使用了一種新型高壓水清洗系統(tǒng)。

6)新型遙控船體水下清洗裝置。美國海軍水面艦船中心成功地開發(fā)了自動水下船體清洗維修車，希望通過該清洗車清洗過的船舶可延長兩次進塢修理的周期，以節(jié)約燃料費用和維修費用。開發(fā)該項目主要目的是將航母、驅逐艦和護衛(wèi)艦等水面艦船從現(xiàn)在5～6年進塢進行水下維修的時間延長到12年。自動水下遙控船體清洗車的水下清洗裝置由水面操作控制，無需潛水員，通過聲學跟蹤系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)沿著船體運動，水下行走時，利用3 MHz的聲吶導航，使其能在渾濁的水下沿船體行走。該裝置清洗下來的碎片被吸入一個密封的真空裝置中，然后將這些垃圾送到岸上進行再處理。另外這套裝置上還裝有各種維修傳感器，可以測量涂層及鋼板厚度，確定外加電流陰極保護系統(tǒng)的工作狀態(tài)，配備的攝像機可以拍攝水下靜態(tài)照片和錄像。上述這些功能可以輔助制定維修計劃和船舶檢查。

2 水下清洗指南

2.1 分類

整體清洗:表示清除整個水下船體所有油漆表面和附件，包括推進器、傳動桿和各種開口表面的污染物。

階段清洗:指對推進器、傳動桿和舵的清洗，對船體水下其他部位 (如開口和附件)也在此時清洗，通常是在兩次整體清洗之間安排，以節(jié)省大量的燃油，對螺旋槳的清洗所節(jié)省的能源就占整體清洗的50%。

局部清洗:指對船體某一部分進行清洗，如船體的前1/3或2/3、附件 (如舵、聲吶艙、穩(wěn)定翼、水下傳感器)和系統(tǒng) (消聲帶、船體的開口)，目的是為了在有限的時間和資源下獲得最大的效益。

2.2 性能表征

船舶完成任務的能力和運行效率減低的變化情況表示可能需要清洗，表明需要清洗的典型性能變化情況有以下3種:①比每分鐘軸轉速達到的標準速度減少1 kn;②在以最佳的推進和輔機效率保持額定的軸轉速情況下燃油增加5%;③保持額定的速度情況下，每分鐘軸轉速增減超過5%。

2.3 作業(yè)程序

1)潛水準備。①船舷應離碼頭至少1.2 m并在外側清洗;②龍骨下面要求有足夠的水深，平均低水位最低1.8 m;③水下船體周圍沒有障礙物;④主、輔循環(huán)泵固定;⑤清洗時，船上外加電流陰極保護系統(tǒng)的電能要去除，電解質保護罩要用醒目的警示裝置標志出來;⑥潛艇首部聲吶罩或消聲瓦表面應用醒目的警示裝置標示出來。

2)潛水檢查。利用潛水員或ROV水下觀察防污底漆狀況、船體污底程度或類型。

3)清洗作業(yè)。根據(jù)潛水檢查的結果、全船系統(tǒng)的狀態(tài)來確定是否需要進行清洗作業(yè)。為了保證限定的清洗工作能獲得最大的回報，在時間和資源有限的情況下，水下清洗的優(yōu)先程序如下:①螺旋槳;②船體首部1/3;③船體尾部1/3。

4)洗后評估。清洗后要對以下區(qū)域進行檢查和評估:①全部聲吶導流罩和未涂漆的表面;②全部凸出的附體;③陰極保護系統(tǒng)，包括犧牲陽極、外加電流、基準電池組和電解質防護層;④船體表面與支架、艉軸、聲吶導流罩和其他附體的結合部;⑤進塢前龍骨墩和側龍骨承坐座;⑥海底門、壓載水艙和船體開口;⑦以前驗明的受損部位。

由于不同種類的船舶被污染的程度和速度不一樣，以及在不同防污油漆表面，前一次清洗的質量和船舶所處的地理位置和活動情況、污染物的聲場速度也不一樣，因而沒有固定的清洗間隔。所有船舶都應定期檢測以決定是否需要清洗，延遲對船體的清洗會造成硬體污染物的滋生。

2.4 標準

1)船體。①自溶釋放型和自拋光型防污油漆:為除去所有的生物污物，應以最沒有傷害性的刷子進行適當?shù)厍逑?，清除后的船體應露出紅色的表面 (或在船舶水線區(qū)和潛艇外殼最大水線區(qū)表面顯現(xiàn)黑色)，在清潔表面上不應造成擦傷或刷痕，或在突出表面的部位，如邊緣、角落、接合部、焊接處、鉚釘?shù)忍幉粦斐捎推岵羵＂诜亲匀茚尫判头牢塾推?，?005年雖然不再被使用，但當涂層系統(tǒng)變老的時候，在這些表面上將會形成一層綠色的不可化學溶解的物質，將會很難去除。這層亞銅氧化物不能溶解、無毒、將不會阻止海生物的生長。對此類油漆進行清洗時，應將這些綠色的化合物部分清洗掉，露出40%～60%紅色防污漆。清洗控制在這種程度才能在保持涂層受最小傷害情況下激活他的防污效能，并能避免在防污油漆上形成一層不可溶解的強硬化合物。潛艇外殼在最大水線到較低的龍骨部分通常使用黑色的防污漆，不形成綠色的化學層，不能使用清除綠色污物層的標準。需要特別小心避免過量除去防污漆，以免暴露黑色的艇體。

2)螺旋槳表面。①未涂漆的螺旋槳，在水中清洗螺旋槳表面的目的是除去污物以提供一個平滑的表面，因此清洗時應除去所有污物和鈣質沉積物的痕跡，螺旋槳拋光將隨著清洗程序除去任何污物和所有鈣質沉積物后再打磨出平滑的表面。②涂有油漆的螺旋槳，油漆表面應達到船體油漆表面清洗的標準。

3)螺旋槳軸表面。螺旋槳軸水下清洗的目的是清除全部生物污底，呈現(xiàn)一個光滑的表面，便于檢查軸的損傷跡象，如玻璃鋼脫膠、涂層龜裂以及軸的腐蝕和銹斑，清洗過的軸在顏色上應該呈現(xiàn)紅色 (使用剝落防污漆)，或紅到雜色 (使用非剝落乙烯基防污漆)，清洗使用非殘存漆的玻璃鋼是白顏色的。

4)聲吶艙。清潔后的聲吶艙應無任何雜物，不應造成任何損傷的痕跡，不恰當?shù)那逑丛斐傻膿p傷包括劃痕和弧形傷痕。

5)海底門。由于水流速度的增加以及特殊的幾何形狀，海底門的污染情況以及清洗后涂層的破損情況要比臨近船體涂層嚴重，典型海底門表面的清洗與其臨近船體表面涂層相同，清洗后的海底門外部表面、濾網(wǎng)以及潛水員和工具所能接觸到的地方都不應含有生物污染。

6)穩(wěn)定翼。清洗后的穩(wěn)定翼外部油漆表面沒有任何形狀的污染物，前沿的金屬表面、噴氣嘴外部和空氣系統(tǒng)的內表面應無污染物，系統(tǒng)應由專業(yè)人員依照技術標準進行測試，以確保達到設計流量。

2.5 記錄

清洗過程中，要求完整記錄船體水下狀況，包括污染物的種類、程度和分析，清洗過程等，采用統(tǒng)一的表格采集數(shù)據(jù)或填寫報告，以保證每次的檢測數(shù)據(jù)可用于到船體狀況的分析。

3 視情清洗及措施

視情清洗及措施見表2。

表2 船體狀況和建議采取的措施