基于PSPC化學(xué)品船壓載艙沖砂工藝研究

李　星, 楊　敏, 李蘇杰, 柯鑫劍

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231)

?

基于PSPC化學(xué)品船壓載艙沖砂工藝研究

李星1, 楊敏1, 李蘇杰1, 柯鑫劍2

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231)

沖砂磨料在38 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船壓載艙表面處理質(zhì)量中具有重要作用，磨料選用適當(dāng)能夠節(jié)省資源，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比并對(duì)磨料性能進(jìn)行綜合分析，選取碳鋼和不銹鋼磨料。其次，控制沖砂工藝參數(shù)，保證沖砂質(zhì)量，滿(mǎn)足PSPC規(guī)范要求。最后，提出不銹鋼具有易腐蝕、與碳鋼材質(zhì)接觸易發(fā)生滲碳等特性，壓載艙碳鋼部分沖砂時(shí)需對(duì)不銹鋼進(jìn)行保護(hù)，免遭外力沖擊并保證不銹鋼表面清潔。

PSPC；化學(xué)品船；壓載艙；沖砂工藝

0　引言

化學(xué)品船壓載艙結(jié)構(gòu)背向液貨的一面為雙相不銹鋼，雙層底外板和舷側(cè)外板及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部為碳鋼。區(qū)別于集裝箱船、散貨船、多用途船和原油運(yùn)輸船等常規(guī)船型，化學(xué)品船的壓載艙全部為碳鋼的結(jié)構(gòu)形式。由于碳鋼和不銹鋼材質(zhì)及熱膨脹性和熱導(dǎo)率等性能差異，對(duì)碳鋼和不銹鋼沖砂磨料應(yīng)分別選取。本文以38 000 DWT化學(xué)品船壓載艙為研究對(duì)象，根據(jù)壓載艙結(jié)構(gòu)的特殊性，以PSPC涂層標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，制訂一套有效的沖砂工藝。

1　化學(xué)品船概況

38 000 DWT雙相不銹鋼化學(xué)品船具有雙殼、單甲板、單螺旋槳結(jié)構(gòu)，以柴油機(jī)為動(dòng)力來(lái)源，采用完整的雙相不銹鋼液貨艙。該船雙層底和雙層外板貫穿整個(gè)液貨艙，2個(gè)縱向隔離艙將液貨艙劃分為中心艙和底邊艙，12道橫艙壁將貨艙區(qū)劃分為39只獨(dú)立液貨艙，每個(gè)液貨艙采用獨(dú)立的貨物裝卸管系，最多可同時(shí)裝卸10種不同種類(lèi)的化學(xué)品。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2　壓載艙結(jié)構(gòu)的特殊性

38 000 DWT化學(xué)品船橫剖面圖如圖1所示。該化學(xué)品船采用雙層底、雙舷側(cè)的結(jié)構(gòu)形式，縱骨架式結(jié)構(gòu)，不銹鋼甲板由縱骨和強(qiáng)肋骨加強(qiáng)。所有縱骨、強(qiáng)肋骨和甲板管系全部布置在不銹鋼甲板的上表面，液貨艙內(nèi)有2個(gè)縱隔艙把整個(gè)液貨艙分割成中部液貨艙和左右液貨艙。該船為IMOI型裝載I類(lèi)危險(xiǎn)化學(xué)品，考慮到船舶運(yùn)輸安全，所有不銹鋼內(nèi)底板和不銹鋼上甲板在舷側(cè)部位均超出邊縱艙壁100 mm。

表1　化學(xué)品船參數(shù)表

壓載艙由雙層底壓載艙和舷邊壓載艙組成，保證壓載艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度情況下為減輕結(jié)構(gòu)重量和提高載重系數(shù)，壓載艙結(jié)構(gòu)碳鋼部分全部采用高強(qiáng)度鋼。邊縱艙壁和內(nèi)底板上面的骨架分別安裝在舷邊壓載艙和雙層底壓載艙內(nèi)，液貨艙橫艙壁采用垂直槽型雙相不銹鋼焊接，液貨艙縱艙壁由雙相不銹鋼平板拼接，保證液貨艙內(nèi)壁光滑，便于清艙。

圖1　38 000 DWT化學(xué)品船橫剖面圖

3　PSPC規(guī)范及壓載艙沖砂磨料要求

化學(xué)品船主要運(yùn)輸如食用油、酸類(lèi)產(chǎn)品、生物燃料和清潔石油產(chǎn)品等液體化學(xué)品。液貨艙內(nèi)所裝運(yùn)貨物具有特殊性，因而壓載艙沖砂工藝必須按照PSPC規(guī)范執(zhí)行，具體要求見(jiàn)表2。磨料選取按照壓載艙沖砂磨料要求進(jìn)行，具體要求見(jiàn)表3。

表2　PSPC規(guī)范具體要求

表3　壓載艙沖砂磨料要求

沖砂前，首先應(yīng)確保分段結(jié)構(gòu)無(wú)表面缺陷，使涂層均勻涂布，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)干膜厚并且具有足夠附著力。其次要求銳邊打磨光滑，粗糙焊縫打磨光順，去除和打磨焊渣、裂縫和凹坑等。接著清除鋼板表面所有可見(jiàn)油類(lèi)、油脂、污垢和其他可溶性污物，若有厚重的油脂可先用工具去除，再用溶劑清洗剩下的油脂。最后使用真空吸塵器清潔。

4　沖砂設(shè)備選型及沖砂磨料選用

在壓載艙二次表面處理中，沖砂設(shè)備和沖砂磨料選取是否合理關(guān)系到壓載艙表面清理質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。為滿(mǎn)足化學(xué)品船壓載艙沖砂工藝要求，采用實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析來(lái)選取沖砂磨料。

4.1沖砂設(shè)備選型

選用的化學(xué)品船專(zhuān)用沖砂房不受天氣變化影響，能夠連續(xù)不間斷沖砂作業(yè)，集控室配有控制系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)溫度和濕度的功能。沖砂房由沖砂系統(tǒng)、回砂系統(tǒng)、全室通風(fēng)除塵系統(tǒng)、局部除塵系統(tǒng)和除濕加熱系統(tǒng)等組成。選擇生產(chǎn)型號(hào)為GPBDSR4II-9838(E)雙缸四槍連續(xù)加砂型沖砂機(jī)，容積可達(dá)2.16 m3，采用雙缸體結(jié)構(gòu)可連續(xù)沖砂作業(yè)，與常規(guī)沖砂機(jī)相比，效率可提高30%。沖砂房采用機(jī)械回收磨料方法，具有回收效率高，環(huán)保無(wú)污染和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

4.2沖砂磨料選用

4.2.1碳鋼沖砂磨料選用

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法：環(huán)保式自動(dòng)沖砂機(jī)，空氣壓力0.7 MPa，12 mm二次進(jìn)風(fēng)型噴嘴，噴砂距離25 cm，噴砂角度45°，粗糙度測(cè)試儀，磨料類(lèi)型鋼丸Φ0.8、Φ1.0、Φ1.2 mm，強(qiáng)化鋼絲丸Φ1.0 mm。不同類(lèi)型和尺寸金屬磨料對(duì)拋丸質(zhì)量的影響見(jiàn)表4。

表4　選用不同類(lèi)型和尺寸金屬磨料對(duì)拋丸質(zhì)量影響

從表4可以看出，隨著磨料顆粒增大沖擊力也增大，除銹效果越好，磨料損耗量也小，但是造成金屬表面粗糙度增大；當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，隨著磨料尺寸增大，數(shù)量就越少，相比顆粒較小磨料清理效率低。單獨(dú)使用鋼丸磨料時(shí)，磨料損耗量大；單獨(dú)使用強(qiáng)化鋼絲丸磨料時(shí)，粗糙度明顯增大，并且強(qiáng)化鋼絲丸具有鋒利邊緣，在拋丸過(guò)程中稍有不慎就對(duì)鋼板結(jié)構(gòu)件造成損傷，影響鋼板性能。同規(guī)格60wt%Φ1.0 mm鋼丸磨料和40wt%Φ1.0 mm強(qiáng)化鋼絲丸磨料混合使用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，清理效果較好，磨料損耗也小，滿(mǎn)足粗糙度要求。通過(guò)反復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終選擇同規(guī)格60wt%Φ1.0 mm鋼丸和40wt%Φ1.0 mm強(qiáng)化鋼絲丸作為碳鋼部分二次表面處理磨料。

4.2.2不銹鋼沖砂磨料選用

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法：環(huán)保式自動(dòng)噴砂機(jī)，粗糙度測(cè)試儀，12 mm二次進(jìn)風(fēng)型噴嘴600 mm×800 mm不銹鋼板6塊，石榴石和棕剛玉磨料各500 kg；選用國(guó)內(nèi)船廠常用規(guī)格石榴石磨料和不同規(guī)格的棕剛玉磨料實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選取不銹鋼非金屬磨料。實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果，分別見(jiàn)表5和表6。

表5　實(shí)驗(yàn)方法

表6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表6可以看出：

(1)隨著棕剛玉磨料粒度減小，不銹鋼表面粗糙度也隨之減小，但不銹鋼表面清潔度逐步提高。

(2)選用的一等棕剛玉和優(yōu)質(zhì)鐵鋁石榴石磨料各項(xiàng)指標(biāo)均能符合技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

(3)石榴石沖砂普遍存在嵌砂，選擇偏小粒度磨料雖然能夠解決嵌砂，但沖出的粗糙度很難達(dá)到40～75 um的要求，而22目粒度的棕剛玉磨料能夠滿(mǎn)足粗糙度要求。

(4)石榴石與棕剛玉相比，硬度有著先天不足，因此在沖砂效率、破損率等方面不如棕剛玉磨料。

(5)石榴石沖砂后的表面更加光亮、美觀，在清潔度上更容易接受。

(6)兩者沖砂時(shí)產(chǎn)生的粉塵都極大，比較而言，石榴石粉塵對(duì)職業(yè)健康的危害更大些。

考慮到成本控制、技術(shù)要求、沖砂效率等要素，棕剛玉磨料更適合在化學(xué)品船壓載艙沖砂中應(yīng)用。

5　沖砂工藝參數(shù)控制

在碳鋼和不銹鋼沖砂過(guò)程中，要獲得碳鋼和不銹鋼沖砂后符合要求的清潔度和粗糙度，除了選擇合適磨料外，還要選擇合適的沖砂工藝參數(shù)。影響鋼材表面處理質(zhì)量因素除沖砂磨料外，還與噴槍出口處空氣壓力、噴嘴類(lèi)型和孔徑、沖砂距離和沖砂角度、噴砂槍的移動(dòng)速度等都有很大關(guān)系。通過(guò)沖砂實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)足PSPC標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適沖砂工藝參數(shù)。

(1)空氣壓力(噴嘴出口處壓力)：隨著空氣壓力增加，磨料拋射的速度增快，對(duì)鋼材表面造成的沖擊力越大，但隨著磨料拋射速度的增加，磨料的破損率對(duì)鋼材表面的切蝕會(huì)產(chǎn)生影響。沖砂過(guò)程中，要根據(jù)磨料情況、被拋材質(zhì)和厚度計(jì)及表面粗糙度要求綜合考慮，合理調(diào)節(jié)空氣壓力?？諝鈮毫σ话銘?yīng)控制在0.55～0.75 MPa之間，最好控制在0.7 MPa左右。如果空氣壓力太低，則清理效率顯著下降并造成資源浪費(fèi)。反之，磨料損壞率顯著上升。另外，磨料尖銳物嵌入被沖鋼材概率增加。當(dāng)空氣壓力在0.07～0.10 MPa之間變化時(shí)，粗糙度變化超過(guò)規(guī)定值的±13 um，沖砂過(guò)程中要調(diào)整和穩(wěn)定空氣壓力。

(2)噴嘴類(lèi)型和口徑：噴嘴類(lèi)型和孔徑是影響沖砂質(zhì)量的一個(gè)重要因素，常見(jiàn)噴嘴類(lèi)型為直通型、文丘里型、二次進(jìn)風(fēng)型。使用文丘里型噴嘴磨料的噴射速度可達(dá)200 m/s，直通型噴嘴磨料噴射速度僅為97 m/s，而二次進(jìn)風(fēng)型清理效率最高。噴嘴口徑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對(duì)沖砂質(zhì)量都有影響。噴嘴口徑受壓縮空氣量約束，一般為8～15 mm，當(dāng)噴嘴口徑因磨損等原因增大25%時(shí)應(yīng)選擇更換噴嘴。

(3)噴砂距離：是指噴嘴離被噴涂結(jié)構(gòu)面的直線距離。隨著噴砂距離增大，沖砂力度減弱，并出現(xiàn)磨料分散的狀況。合適的噴砂距離對(duì)噴砂質(zhì)量相當(dāng)重要，既能使表面獲得合適的粗糙度，又能得到較高的噴砂效率同時(shí)又不會(huì)因?yàn)闆_擊力過(guò)大而對(duì)鋼材造成損傷。一般噴砂距離控制在20～30 cm之間。

(4)沖砂角度：磨料噴射軸線與基材表面夾角，一般沖砂角度控制在45°～60°之內(nèi)。為防止出現(xiàn)磨料嵌入被噴基體內(nèi)應(yīng)避免垂直90°噴射。

(5)噴槍移動(dòng)速度：通過(guò)噴槍與工作表面的相對(duì)移動(dòng)來(lái)獲得均勻的粗糙面。移動(dòng)速度并無(wú)嚴(yán)格要求，主要看工作面的粗糙度情況來(lái)合理控制噴槍移動(dòng)速度。

6　碳鋼沖砂階段不銹鋼保護(hù)

碳鋼沖砂階段由于鋼丸和鋼絲丸沖擊力很大，不銹鋼遭受碰撞后易形成腐蝕點(diǎn)，和碳鋼接觸發(fā)生滲碳導(dǎo)致性能急速下降。為保持雙相不銹鋼耐腐蝕的性能，杜絕破壞氧化鉻保護(hù)膜，在碳鋼沖砂階段采取一些特殊措施對(duì)雙相不銹鋼進(jìn)行保護(hù)。在沖鋼砂前將碳鋼結(jié)構(gòu)安置在專(zhuān)用胎架上，雙相不銹鋼朝上，反頂不銹鋼，三防布+三夾板+木板條進(jìn)行保護(hù)，距離不銹鋼0.5 m向下沖鋼砂。具體操作方法為：靠近不銹鋼表面用三防布覆蓋，避免對(duì)碳鋼沖鋼砂時(shí)遭受撞擊和所產(chǎn)生的粉塵對(duì)不銹鋼表面污染，然后用三夾板頂住三防布，最后用木板條固定三夾板，在不銹鋼外板邊緣處用一定厚度的多層夾芯板開(kāi)出槽孔嵌入不銹鋼板和三夾板。碳鋼沖砂完畢后清潔，去除不銹鋼保護(hù)，非金屬?zèng)_砂間沖砂不銹鋼。

7　結(jié)論

本文以化學(xué)品船壓載艙為研究對(duì)象，圍繞化學(xué)品船壓載艙沖砂工藝展開(kāi)一系列研究工作并得出以下結(jié)論：

(1)選擇同規(guī)格60wt%Φ1.0 mm鋼丸和40wt%Φ1.0 mm強(qiáng)化鋼絲丸作為碳鋼二次表面處理磨料，使鋼材表面清潔度增加，粗糙度滿(mǎn)足PSPC規(guī)范要求，磨料損耗大大降低。

(2)不銹鋼表面處理中經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比選用棕剛玉非金屬磨料，滿(mǎn)足粗糙度和經(jīng)濟(jì)性等要求，符合沖砂技術(shù)規(guī)格書(shū)要求。

(3)壓載艙碳鋼部分沖砂時(shí)采用三防布+三夾板+木板條方法對(duì)不銹鋼進(jìn)行保護(hù)，避免不銹鋼遭受沖擊，確保不銹鋼表面清潔。

[1]汪國(guó)平．船舶涂料與涂裝技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[2]沈子龍．船舶除銹涂裝工[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．

[3]楊向榮．不銹鋼艙船舶建造工藝研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2008．

[4]潘冬云．不銹鋼艙表面處理技術(shù)研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2009．

[5]李敏風(fēng)，宮煒．磨料與鋼材表面處理的粗糙度[J]．涂料技術(shù)與文摘，2010，31(11)：15-18.

[6]年介磊，嚴(yán)勇，張金文．石榴砂在不銹鋼船舶表面處理中的應(yīng)用[J]．江蘇船舶，2013，30(3):38-39,42．

[7]李剛．基于PSPC壓載艙涂裝工藝研究[J]．船海工程，2013,42(16):96-100．

[8]蔣偉潔．挖掘機(jī)涂裝工藝優(yōu)化研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2015．

2015-11-27

李星(1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造；楊敏(1963—)，女，副教授，研究方向?yàn)榇霸O(shè)計(jì)與先進(jìn)制造。

U671.1

A