面向再制造的高能束射流清洗技術綜述*

李 博， 鄭文光， 黃 軍， 高 航， 王宣平

(1. 大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116023)(2. 南通中遠海運船務工程有限公司， 江蘇 南通 226000)

再制造(remanufacturing)是采用特定的技術和工藝，對廢舊設備原有零部件進行修復、翻新，使得設備恢復原有的性能。再制造實現(xiàn)了對廢舊產(chǎn)品資源的重復利用，是節(jié)能減排的重要途徑之一，具有顯著的資源節(jié)約和環(huán)境保護作用。美國和日本等國早就建立起了再制造產(chǎn)業(yè)[1]。我國再制造起步較晚，1999年在西安召開的“先進制造技術”國際會議上，徐濱士等[2]提出了“再制造”的概念。

再制造工藝流程如圖1[3]所示。零部件清洗是再制造工程的重要一環(huán)。隨著再制造水平的提高和技術的發(fā)展，再制造過程對零件清洗提出了新的要求。

圖1 再制造工藝流程[3]Fig. 1 Flowchart of remanufacturing[3]

首先，環(huán)保低排放的要求。在清洗過程中應盡可能地減少外來物的引入，減少甚至避免清洗排放物對環(huán)境的污染。其次，工作環(huán)境友好的要求。清洗過程中應避免粉塵、有害排放物對操作者身體健康造成的不利影響。最后，在位清洗的要求。待清洗的零件不拆卸、在零件安裝原位進行清洗，清洗過程不能引入妨礙或破壞設備正常運行的外來物。在這樣的新要求下，傳統(tǒng)的化學清洗、噴砂清洗等清洗方法已不能滿足要求。

以高壓水射流、冰粒射流、干冰射流等為代表的高能束射流清洗方法，通過高壓水或壓縮空氣等加速裝置，將清洗介質(水、冰粒、干冰顆粒)加速并賦予較高的動能，清洗介質高速沖擊待清洗工件表面，去除表面污染物、漆面、涂層等。此類清洗方法具有清潔、低污染排放、對工件基體損傷小等特點，是滿足環(huán)保、工作環(huán)境友好、在位等再制造清洗要求的清洗技術。

本文將對3種典型的高能束射流清洗技術，即高壓水射流清洗技術、冰粒射流清洗技術、干冰射流清洗技術，從射流清洗機理、清洗關鍵技術工藝、典型應用場景等方面，綜述其最新進展。

1 高壓水射流清洗技術

1.1 高壓水射流清洗機理

高壓水射流(high pressure waterjet)清洗，是通過高壓泵將常壓水加壓至數(shù)十甚至數(shù)百兆帕高壓，然后高壓水流經(jīng)管道，從特殊設計的噴嘴(具有1 mm以下的孔狀結構)噴出，形成能量高度集中的高速射流[4]，以極高的速度(接近聲速乃至超聲速)沖擊工件表面，使諸如灰塵、油污、涂層等表面黏附物脫離工件基體表面[5-7]。高壓水射流具有能量集中、速度高等特點。如圖2[8]所示，通過高速沖擊、水楔等作用在工件表面污垢層形成裂紋，裂紋會在短時間內(nèi)從涂層表面擴展到基材的接觸面。

圖2 粗糙表面水射流涂層去除污垢層[8]Fig. 2 Remove dirt on coarse coating surface by water jet[8]

高壓水射流清洗具有以下優(yōu)勢：高壓水射流清洗的介質為水，在清洗過程中不會引入新的污染物；高壓水射流的射流束一般只有幾毫米，用水量小、不添加清潔劑，清潔環(huán)保；通過射流的沖擊作用去除污垢層，不發(fā)生化學反應，不會腐蝕基體?；谏鲜鎏攸c和優(yōu)勢，高壓水射流清洗技術應用于鍋爐、罐槽、原油輸送管道等各種設備的內(nèi)外壁清洗、涂層去除等。

1.2 高壓水射流清洗設備

高壓水射流清洗設備主要由高壓水發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)等四部分組成。

高壓水發(fā)生系統(tǒng)的關鍵部分是高壓發(fā)生裝置，即高壓泵。高壓泵一般采用臥式三柱塞往復泵，由電動機或柴油機提供動力，將水壓增加至需要的工作壓力。當污垢層易于清洗且要求大流量時，可采用高壓離心泵作為高壓發(fā)生裝置。

控制系統(tǒng)主要由各種閥體和控制面板組成：調(diào)壓閥通過控制旁通水流來調(diào)節(jié)高壓水射流的壓力；安全閥位于泵排出端，當壓力超過預設值時打開以保證系統(tǒng)安全；控制面板對閥門進行調(diào)度以保障執(zhí)行機構運行良好。

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括噴頭、噴桿等，根據(jù)清理需要不同可選取不同的噴嘴形式。按形狀分類，射流噴嘴可分為圓柱形、扇形和異形等噴嘴；按壓力分類，射流噴嘴可分為低壓噴嘴和高壓噴嘴。

輔助系統(tǒng)是高壓水射流清洗設備的重要組成部分，包括輸水管路、壓力表和進給機構等。其中，進給機構可根據(jù)不同使用場合做出相應的調(diào)整，以適應工作環(huán)境。

1.3 高壓水射流清洗工藝與應用

清洗工藝參數(shù)設置對高壓水射流清洗效果有顯著影響。我國早期缺乏對高壓水射流工藝參數(shù)的研究，曾簡單地認為射流壓力越高則清洗效果越好。鐵路部門在對鐵路車輛零部件進行清洗時，開始研究射流壓力、流量、噴嘴等因素對清洗效果的影響，取得一定成果[9]。針對影響射流形成的噴嘴部件，鐘聲玉等[10]從流體黏性以及邊界層的角度出發(fā)，在理論層面研究了噴嘴的收縮角度、出口直徑、出口段長度及噴嘴壁面粗糙度對高壓水射流的影響。楊友勝等[11]研究了不同的噴嘴結構與能量利用率之間的關系，為提高水射流系統(tǒng)效率提供了理論指導。NING等[8]研究了涂層厚度為100 μm的鋼板的高壓水射流清洗，以去除涂層寬度作為評測指標，研究了射流壓力、清洗速度、清洗次數(shù)和清洗時間對清洗效果的影響，其中清洗次數(shù)對涂層去除效果的影響如圖3所示。仿真和實驗結果表明：當射流壓力一定時，涂層去除寬度與總曝光時間正相關；當總曝光時間固定時，涂層去除寬度不隨清洗速度和清洗次數(shù)而改變。圖4為高壓水射流清洗設備的部分應用。

圖3 清洗次數(shù)對涂層去除效果影響[8]Fig. 3 Influence of cleaning times on removal effect of coating[8]

(a) 發(fā)動機機匣Casting parts of aeroengine(b) 過濾網(wǎng)Filter screen(c) 熱交換器Heat exchanger圖4 高壓水射流清洗的部分應用Fig. 4 Some applications of high pressure water jet cleaning

2 冰粒射流清洗技術

2.1 冰粒射流清洗機理

冰粒射流(ice blasting)清洗，是借助高速氣流的加速作用，形成高速冰粒射流束，以較高的速度沖擊工件表面，達到去除工件表面污垢的效果。

冰粒去除表面污染物的過程如圖5[12]所示：冰粒高速沖擊工件表面的污垢層，首先通過沖擊力、剪切力來去除表面污垢；隨后破碎的冰粒在工件表面劃擦并逐漸融化，在這個過程中將松動的污垢從工件表面沖走。沖擊、擦洗和沖洗的綜合作用使冰粒射流能有效去除表面污染物。

(a) 相變前Before phase transition(b) 相變中During phase transition(c) 相變后After phase transition圖5 冰粒去除表面污染物[12]Fig. 5 Removal pollutants on surface by using ice particles[12]

冰粒射流清洗是在傳統(tǒng)噴砂清洗技術和磨料水射流清洗技術基礎上衍生出的新型清洗技術，具有如下顯著優(yōu)勢：(1)無污染(冰粒融化變?yōu)樗?，不會產(chǎn)生新的外來污染物)；(2)清洗介質硬度可調(diào)(可通過調(diào)節(jié)溫度來改變冰粒的硬度)。冰的莫氏硬度隨溫度的變化如圖6[13]所示：在183～273 K(-90～0 ℃)的溫度區(qū)間內(nèi)，冰粒的莫氏硬度隨著溫度的升高而顯著降低；在溫度低于233 K(-40 ℃)時，冰粒的莫氏硬度達到4以上。

圖6 冰的莫氏硬度隨溫度的變化[13]Fig. 6 Mohs hardness of ice vs temperature[13]

為了避免冰顆粒在運輸過程中的黏結和團聚，必須考慮冰粒的黏結特性。研究表明，在-30～0 ℃的溫度范圍內(nèi)，粒徑為1.25 mm的冰粒間的黏結力隨溫度降低而顯著減小。在輸送氣體干燥的前提下，將冰粒溫度控制在-27 ℃以下，就可以避免冰粒黏結導致的堵塞問題。目前，冰粒射流清洗加工中一般將冰粒溫度控制在-60～-27 ℃。

2.2 冰粒射流設備及應用

冰粒射流清洗系統(tǒng)如圖7[12]所示，主要包括冰粒制取單元、高壓氣體供應單元和冰粒射流單元。

圖7 冰粒射流清洗系統(tǒng)[12] Fig. 7 Ice blasting cleaning system[12]

冰粒射流清洗在去污、除漆等方面(圖8)，具有清洗無污染、對基底材料表面損傷小、近無殘留等優(yōu)點，在船舶除銹除漆、模具清理、管道清理等領域獲得成功應用。但在冰粒制備、儲存及運輸?shù)拳h(huán)節(jié)還存在較多問題需要解決。

(a) 管道去污Pipeline decontamination(b) 格柵零件去污Grating parts decontamination(c) 除漆Paint removal(d) 模具表面瀝青去除Asphalt removal from mold surface圖8 冰粒射流清洗應用Fig. 8 Application of ice jet cleaning

3 干冰射流清洗技術

3.1 干冰射流清洗機理

干冰射流 (dry ice blasting) 清洗，是借助高速氣流的加速作用，將干冰微粒加速形成高速射流作用于工件表面，達到去除工件表面污垢的效果。

干冰射流清理過程如下：首先，干冰顆粒高速沖擊表面污垢層形成沖擊坑后，干冰顆粒吸收熱量[14]，污垢層受冷收縮脆化、裂紋萌生，與基體結合能力降低；然后，干冰微粒的沖擊導致污垢層松動剝離[15-17]；最終，干冰微粒升華，其體積在微秒時間尺度內(nèi)膨脹近千倍，在工件表面形成微小的爆炸區(qū)域并去除污垢[18-19]。其具體流程如圖9所示[20]。

圖9 干冰射流清洗[20]Fig. 9 Dry ice blasting cleaning[20]

3.2 干冰射流清洗設備及應用

干冰射流清洗系統(tǒng)組成如圖10[21]所示。典型的干冰噴射清洗系統(tǒng)由以下五個部分組成：CO2氣體存儲系統(tǒng)，制備干冰顆粒的干冰制造機，用于儲存干冰顆粒的干冰儲存系統(tǒng)，用于提供干冰噴射動力的高壓氣源(包括動力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng))以及具有清洗功能的執(zhí)行機構干冰清洗機。其中，干冰制造機和干冰清洗機是核心部分。

圖10 干冰射流清洗系統(tǒng)組成[21]Fig. 10 Composition of dry ice jet cleaning system[21]

干冰射流噴嘴作為干冰噴射清洗機的關鍵部件，常用的噴嘴構型有直筒型、收縮型、文丘里型和二次進風文丘里型，分別如圖11[16]所示；對應的干冰射流噴嘴實物如圖12所示。噴嘴內(nèi)部流道對流動阻力、射流束形狀、工作噪聲等有重要影響。通過流體動力學仿真進行分析，并在其基礎上進行流道優(yōu)化，實現(xiàn)對噴嘴性能的改善。NUR等[22]針對干冰噴射中的噪聲問題，采用CFD仿真評估不同發(fā)散長度(190，210，230，250，270，290 mm)對聲功率的影響，根據(jù)發(fā)散長度對噪聲水平的影響來優(yōu)化雙軟管干冰噴射噴嘴幾何形狀。

(a) 直筒型Straight cylinder(b) 收縮型Contractile(c) 文丘里型Venturi(d) 二次進風文丘里型Venturi with 2nd air inlet圖11 噴嘴結構示意圖[16]Fig. 11 Structure of nozzle[16]

圖12 不同結構的噴嘴實物圖Fig. 12 Nozzles with different structures

干冰射流清洗對人體和環(huán)境都不會造成損害。干冰微粒自身的硬度適中，且有升華性質，不會對工件基體產(chǎn)生傷害，因此干冰射流清洗是半導體、精密儀器等高端精密設備儀器的理想清洗方式。圖13給出了干冰清洗技術的應用案例。但是，干冰射流清洗仍有成本較高、經(jīng)濟性不高的問題。

4 結論

隨著再制造加工向高端裝備領域擴展、向綠色制造目標推進，其各環(huán)節(jié)也面臨著技術升級。以高壓水射流、冰粒射流、干冰射流為代表的高能束射流清洗方法，滿足低污染排放、環(huán)境友好、在位無殘留等高標準再制造清洗要求。

(a) 醫(yī)藥設備Medical equipment(b) 天文望遠鏡鏡片Lens of astronomical telescope(c) 燃氣輪機葉片Blade of gas turbine(d) 集成電路Integrated circuit圖13 干冰清洗應用Fig. 13 Application of dry ice cleaning

本文從射流清洗機理、清洗關鍵技術工藝、典型應用等方面，綜述了3種高能束射流清洗技術的最新進展，并分析了現(xiàn)有技術水平的不足，為再制造清洗技術的選擇和設備的遴選以及工藝技術的開發(fā)提供了可行的參考和借鑒。