超聲波除銹技術(shù)在油罐維修中應(yīng)用的設(shè)想

馬 琳 羅永強

〔中國石化廣東石油分公司 廣東廣州 510730〕

超聲波除銹技術(shù)在油罐維修中應(yīng)用的設(shè)想

馬 琳 羅永強

〔中國石化廣東石油分公司 廣東廣州 510730〕

在簡要敘述了目前成品油儲罐除銹施工中常用的手工除銹和半機械打磨、噴射除銹、化學除銹、高壓水噴射除銹等技術(shù)之后，重點介紹了超聲波技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、除銹原理、表征除銹功能的物理量以及超聲波除銹技術(shù)在裝甲設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并根據(jù)罐壁涂漆的特點及防銹標準，提出了超聲波除銹技術(shù)用于成品油儲罐除銹的設(shè)想，認為通過試驗等手段確定參數(shù)和工藝后在理論上是可以實現(xiàn)的，并展望這一全新構(gòu)思會有良好的應(yīng)用前景。

成品油 儲罐 除銹 超聲波 應(yīng)用 設(shè)想

儲油罐防腐層大修，多在清罐后除銹、除漆，滿足SYJ4007—97《除銹質(zhì)量等級標準》后，再進行涂裝。因為覆在發(fā)生銹蝕的罐壁上涂敷涂層，并不會使腐蝕停止，銹蝕的體積膨脹能破壞涂層[1]，而除銹、除漆的質(zhì)量嚴重影響著防腐的質(zhì)量。由于清罐作業(yè)耗時長，投資大，而且在罐區(qū)內(nèi)施工，會對其他油罐的運行產(chǎn)生安全隱患。尤其對于庫容緊張的油庫，還可能影響收發(fā)油作業(yè)的平穩(wěn)運行。為了減少防腐層大修對油庫安全生產(chǎn)帶來的影響，油庫管理者對在不停運清罐的前提下，完成油罐除銹作業(yè)有著迫切需求。

1 油罐除銹、除漆技術(shù)的現(xiàn)狀

除銹時油罐外表面的涂漆也必然被一同清除。除銹和除漆是一體的，為方便起見，以下文中將二者統(tǒng)稱為除銹。目前主要的除銹方法包括人工除銹、半機械打磨、噴砂除銹、化學除銹及高壓水槍除銹等方法[2]。

1.1 手工除銹和半機械化打磨

使用非黑色金屬例如鋼絲刷、合金刀或砂輪等工具，可人工清除金屬表面附著的銹蝕和氧化皮，但除銹工作強度大，效率低，效果不理想，人工費用在工程成本中占較大比例，且長時間在高處作業(yè)可能會發(fā)生墜落等事故，現(xiàn)已很少采用。

1.2 噴射除銹

噴射除銹包括拋丸法和噴丸法。拋丸法除銹的原理是使彈丸經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的器具獲得離心力后拋射到金屬表面，達到除銹目的。但該方法靈活性差，受工件形狀限制，易產(chǎn)生死角，有盲目性；設(shè)備復(fù)雜，零件損耗快，維護費用高。噴丸除銹使用的材料有金屬丸和砂。噴丸法的打擊力強，除銹效果顯著，但可能會導(dǎo)致較薄的金屬板產(chǎn)生變形。目前我國大型儲罐使用的除銹方法多是噴砂法。在離心力或壓縮空氣的作用下，砂石通過特制的噴嘴，高速噴射于油罐外表面，在產(chǎn)生的沖擊力、摩擦力作用下剝?nèi)ヅf漆皮和銹蝕，處理效果好且效率高。不足之處在于噴砂除銹過程中易產(chǎn)生粉塵和火花，環(huán)境污染嚴重、對油庫安全構(gòu)成威脅。目前也有關(guān)于開發(fā)噴砂噴漆機器人的研究，可以改善噴砂機器笨重的缺點，但仍無法解決污染環(huán)境和除銹前需清罐的問題[3]。

1.3 化學除銹

化學除銹是根據(jù)銹蝕可與酸性或堿性溶液發(fā)生化學反應(yīng)而溶解的性質(zhì)，來去除油罐表面的銹蝕。該法適用于薄板件清理，缺點是時間不易控制，即便在溶液中添加了緩蝕劑，也可能產(chǎn)生過蝕現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)復(fù)雜或有孔的工件，經(jīng)過溶液清洗后，滲到孔隙中的溶液很難除凈，留下隱患。由于油罐待除銹的表面積大，溶液用量大，試劑價格高，致使該方法的成本高昂，且試劑易揮發(fā)，處理后的廢液排放會污染環(huán)境。

1.4 高壓水噴射除銹技術(shù)

該技術(shù)是使用高壓泵將自來水增壓至180 MPa以上，再經(jīng)過特殊噴嘴(Φ0.15～0.25 mm)噴射

罐壁。與其他技術(shù)相比，具有成本低廉、節(jié)約水資源、節(jié)約能源、清洗效果好、效率高，不污染環(huán)境等特點[4]。但除銹作業(yè)時，所需水壓極高，通常超過100 MPa。應(yīng)用該技術(shù)除銹，國內(nèi)無法自給如此高壓力的高壓水發(fā)生設(shè)備和高壓管、接頭等附件的供應(yīng)，仍有部分設(shè)備需進口，不符合我國工業(yè)倡導(dǎo)使用國產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展趨勢。另外，水壓過高具有一定的危險性。有研究將水磨料加入高壓水中，形成氣、液、固三相磨料水射流除銹[5]，能降低所需水壓。

2 超聲波除銹技術(shù)研究

2.1 超聲波技術(shù)的發(fā)展

超聲波除銹技術(shù)是當代工業(yè)中先進除銹方法之一，上個世紀90年代表面處理工程迅猛發(fā)展，多功能鋼鐵表面處理引入了超聲波技術(shù)。這一技術(shù)在國內(nèi)外均屬先進。隨著超聲波技術(shù)的日趨成熟，已被廣泛應(yīng)用于電氣工程、冶金、煉化、機械制造、輕工業(yè)、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，可以高效去除脂類、蠟、銹蝕、表面氧化物、表層涂料和其他多種類型雜質(zhì)[6]。

2.2 超聲波除銹的原理

超聲波在介質(zhì)中傳播時，與介質(zhì)相互作用，繼而產(chǎn)生多種超聲效應(yīng)，主要為以下4種：①機械效應(yīng)。超聲波在流體中反向傳輸會產(chǎn)生駐波，由于機械力的作用，懸浮的微粒會聚集在波節(jié)處，形成周期性的積聚，即機械作用。在此情況下液體易于乳化、膠凝物質(zhì)液化、固體加速分散。②空化作用。超聲波屬于縱波，傳播方向與振動方向一致，造成液體的疏密變化，因為液體受到拉應(yīng)力后會在該區(qū)域內(nèi)形成負壓，使原本溶解的氣體過飽和，或因為拉應(yīng)力足夠大把液體扯出空穴，形成小氣泡，這種現(xiàn)象稱為空化。微小氣泡會與附近流體一同運動或者驟然破裂。破裂時周圍液體迅速涌入氣泡，造成強大的沖擊波，局部壓力達到上百兆帕。③熱效應(yīng)。超聲波的頻率超過20 kHz，自身所含能量大，物體吸收后會表現(xiàn)出顯著的熱效應(yīng)。④化學效應(yīng)。超聲波可以使某些化學反應(yīng)發(fā)生或加快，并與空化作用相伴隨。超聲波還能提升多種物質(zhì)的分解、水解及聚合速度。

2.3 影響超聲波除銹功能的物理量

表示超聲波除銹功能的主要物理量包括介質(zhì)、功率密度、超聲波頻率、清洗溫度等。功率密度的表達式為：

其中P為發(fā)射功率密度，W為發(fā)射功率，A為發(fā)射面積，功率密度一般≥3×10-5W/m2。

經(jīng)研究，超聲波的頻率越低，功率密度越高，“空化”作用越顯著，除銹效果越佳，此外30 ℃～40 ℃時的空化效果最好。

2.4 國內(nèi)超聲波除銹技術(shù)的應(yīng)用

(1)裝甲設(shè)備器材裝備[7]。超聲波除銹以“空化效應(yīng)”為基礎(chǔ)，對于表面不牢固的銹蝕，除銹主要靠空化氣泡振動力的作用；當銹跡與器材表面的結(jié)合較為牢固，則利用空化氣泡爆破時所產(chǎn)生的壓力，使銹跡脫落。畢叢學等梳理了針對各類銹蝕程度適用的除銹劑及幾種典型的超聲波除銹工藝，形成了黑色金屬零部件除銹技術(shù)[8]。孟令東等人利用環(huán)保型水基除銹溶液與超聲波的“聲化協(xié)同”效應(yīng)，對裝甲裝備器材進行除銹。采取PLC控制技術(shù)，研發(fā)了裝甲裝備自動化除銹設(shè)備，實現(xiàn)了裝甲裝備器材保養(yǎng)自動化，裝置結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

(2)目前已有醫(yī)院將精密的醫(yī)療器械用特定的除銹劑浸泡，配合醫(yī)用超聲波清洗機的方法除銹，效果很好，且基本不損害器械。醫(yī)用超聲波清洗機加除銹劑取代人工除銹，可以達到人工除銹無法達到要求。尤其是以往較難除銹的關(guān)節(jié)和齒槽等，由于超聲波的空化效果大大促進了表面膜的溶解，除銹更徹底[9,10]。此外，在刑偵領(lǐng)域中也有了關(guān)于超聲波清除銹跡技術(shù)的研究[11]。

(3)其他工業(yè)領(lǐng)域。超聲波技術(shù)理念先進，在多個領(lǐng)域都有很好的商業(yè)價值，特別使用于涂裝前的表面處理，應(yīng)用前景十分廣闊。張明華等人[12]進行了低濃度硫酸加超聲波酸洗試驗，得出用超聲波酸洗比傳統(tǒng)酸洗的效率提高10倍以上。劉康平等[13]將超聲波技術(shù)應(yīng)用于預(yù)處理，解決了強酸除銹時對零件的腐蝕問題，能盡量在不產(chǎn)生過蝕的情況下清除焊接組件夾縫，提高工件磷化處理質(zhì)量及后續(xù)噴涂加工質(zhì)量。目前已有多個公司的超聲波清洗機投入生產(chǎn)和使用，主要是對各種金屬結(jié)構(gòu)件進行涂漆前處理，包括超聲波除油、除銹、除氧化皮和磷化[14]。

3 超聲波油罐除銹技術(shù)的應(yīng)用展望

3.1 罐壁涂漆的特點

由于油罐服役時間長，涂層多采用防銹性強的底漆，附著性好的中間漆和蔽光保色性好、易敷涂和維修的面漆等防腐時間久的涂料[15]。常用的防腐涂料根據(jù)成膜的物質(zhì)分類主要有：聚氨酯類(面漆)、環(huán)氧樹脂類(中間漆)、橡膠類、玻璃鱗片類和富鋅涂料類(底漆)等。

金屬外防腐蝕涂料的特性主要有附著力、抗水抗氣性、耐候性(紫/紅外線、燥熱與寒冷、降水和風沙)、抗碳氫化合物等。分析超聲波除銹、除漆工作的原理，主要是通過“空化作用”氣泡潰滅，巨大強差產(chǎn)生的沖擊作用，在理論上是可以抵御防腐蝕涂料的特性而實現(xiàn)的。

3.2 相關(guān)標準

目前金屬油罐除銹質(zhì)量評判的標準主要為GB8923—2011《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》、SYJ4007—97《除銹質(zhì)量等級標準》，當超聲波除銹技術(shù)被廣泛應(yīng)用后，其除銹質(zhì)量評判也會被列入相關(guān)標準。目前，只能在油罐進行超聲波除銹后檢測其是否達到以上現(xiàn)有標準[16]。

3.3 油罐的超聲波除銹

綜合以上各行業(yè)對超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用，都是將待除銹的工件浸入槽中，適合體積較小的工件，不符合油庫大型儲罐的實際情況。但這些應(yīng)用卻可以證明利用超聲波除銹、除漆的想法，在理論上是可以實現(xiàn)的。目前國外有使用超聲波清除管內(nèi)壁油泥[17]的研究，但在除銹、剝落油漆方面尚未有研究。

應(yīng)用超聲波除銹、除漆，應(yīng)先確定目前儲罐所用涂料和產(chǎn)生鐵銹的種類，并采用多種頻率的超聲波對儲罐進行除銹試驗，找到除銹效果最佳的頻率。需要注意的是，前面文中所述的超聲波除銹均是在液體介質(zhì)中產(chǎn)生“空化作用”，而由于空氣屬于氣相介質(zhì)，其在空氣中的效果可能會大打折扣甚至失效，因此還應(yīng)考慮，是否可以采取在儲罐內(nèi)外壁涂敷一層水膜等手段來增強該作用，水膜的厚度和成分也是需要通過反復(fù)試驗確定。

本文提出的超聲波油罐除銹方法雖然還處于設(shè)想階段，但通過試驗等手段進行參數(shù)和工藝確定后，在理論上是可以實現(xiàn)的，并且調(diào)整超聲波的波譜和功率可用于罐內(nèi)外防腐層的清除，是一種全新的構(gòu)思。超聲波除銹外、除漆技術(shù)具有許多其他方法不可相比的優(yōu)勢，為了應(yīng)對石油石化領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境保護和安全生產(chǎn)日益升高的要求，超聲波油罐除銹獨有的優(yōu)勢將會使其在石油石化領(lǐng)域中有很良好的應(yīng)用前景。

[1] 李旭東.大慶油田金屬儲罐外防腐涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學，2002.

[2] 婁偉.噴砂除銹機器人[D].山東青島：山東科技大學，2004.

[3] 王希濤. 大型油罐噴砂/噴漆機器人研究[D].山東青島：山東科技大學，2006.

[4] 朱建華.高壓水清洗技術(shù)在儲罐維修中的應(yīng)用[J].油氣儲運,2006，25 (9)：60-62.

[5] 樊寶德，于賢福，王景先.大型圓柱形金屬油罐除銹涂漆機的研制[J].油氣儲運, 1998, 17(1)：50-54.

[6] 侯玫，張傳俊.現(xiàn)代工業(yè)中幾種先進除銹方法的對比研究[J].機械研究與應(yīng)用，2007，20(4)：19-20.

[7] 孟令東，梁志杰，喬玉林.裝甲裝備器材自動化除銹保養(yǎng)設(shè)備的研制[J].裝甲兵工程學院學報，2005，19(2)：35-39.

[8] 畢叢學，楊威，魯孟梁.裝甲裝備黑色金屬零部件超聲波除銹技術(shù)研究[J].裝備制造技術(shù)，2009，2：105-107.

[9] 楊大鵬，熊雷.生銹器械用酶聯(lián)合超聲波清洗后除銹效果觀察[J].中華醫(yī)院感染學雜志，2013，23(4)：878.

[10] 王敏芳，鄭祎升，陳凌暉. 超聲波配合除銹劑清洗器械的效果探討[J].中國消毒學雜志，2012，29(3)：251-252.

[11] 劉巖，王明直，馮祖祎. 超聲波清除銹跡在刑事技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用展望[J].刑事技術(shù)，2012，2：48-50.

[12] 張明華，孫曉寧.不銹鋼件超聲波去油酸洗試驗[J].特殊鋼，2002，23(5)：17-19.

[13] 劉康平，史桂軍.超聲波清洗技術(shù)在磷化處理中的應(yīng)用[J].腐蝕與防護，2002，23(7)：323-324.

[14] 張仁良.超聲波清洗技術(shù)的典型應(yīng)用及其經(jīng)濟效益[J].工業(yè)加熱，1997，(6)：45-46.

[15] 張朝暉，高謙坤，張林成.儲油罐防腐涂料選用及施工[J].安全、健康和環(huán)境，2008，8(2)：18-20.

[16] 楊祝祥,李光輝.油庫清罐作業(yè)中存在的問題及對策[J].石油庫與加油站，2006，15(4)：42-44.

[17] 李東升，孫曉艷，楊海龍.原油儲罐清洗技術(shù)述評[J].清洗世界，2011，27(6)：13-17.

2016-12-16。

馬琳(1991-)女，碩士研究生，中國石油大學(北京)，石油與天然氣工程專業(yè)，現(xiàn)從事油庫技術(shù)及管理相關(guān)工作。