附着物

船舶長期與海水接觸，導致大量細菌粘附在其材料表面，形成一層生物調節膜。初代浮游生物的幼蟲、孢子紛紛着落在該生物調節膜上，分泌出增強附着力的粘液，並通過化學鍵合、靜電作用、機械聯鎖、擴散聯鎖中的一種或幾種協同作用，進行強力粘附，不斷繁殖。老一代生物死亡後，部分不會自動脱落，新一代又會重新附着在其表面，最終形成大規模的生物羣。一般説來，受水體鹽度、水域流速等環境因素的影響，船體附着生物會出現死亡，並自動脱落。而實際上，貝類硬殼等海生物在淡水中一週左右會死亡，但其死亡後因強力粘附作用並不會自動脱落，這樣就會成為新一輪生物附着的基礎。船舶在航行過程中，水的相對流速較大，對生物附着與生長能起到抑制作用，但仍有生物可能附着在船舶上，主要附着部位為船體表面、螺旋槳、槳軸、聲吶倉、海底門等。附着物不斷積累和侵蝕，最終造成船舶污損。這是一直困擾船舶正常運營的嚴重問題。 ^[2] 

主要有以下幾個方面：

1、破壞結構物表面防護塗層，改變基底材料腐蝕程度，增加船舶塢修次數，縮短船舶運營壽命。

2、增大表面粗糙度，增加船舶航行阻力（粘液污損、水草污損、貝殼污損分別增加阻力 9%、19%、33%～84%，最多可達光滑時的 3 倍），降低航行速度（10%左右），延長航行時間，增加燃料消耗（輕度附着時，增加油耗 10%～15%；重度附着時，增加油耗 2～3倍），排放更多的温室氣體。

3、若在特殊部位附着，還會危害主機安全，阻塞管道，影響設備正常運行，提高運營成本。如螺旋槳被附着會使有效輸出功率降低20%，甚至干擾艦船部署，貽誤戰機。因此，船體表面附着物的清洗是實現船舶節能減排的重要途徑之一。 ^[3] 

清洗技術是治理附着物的重要手段，主要是傳統的物理方法，包括機械清除、水射流沖刷、超聲波震盪等。具有操作簡單、時效性強、防護和去除效果明顯的優點。船體表面附着物清洗技術主要有塢內清洗和水下清洗。

艦船、特種作業船、海工平台和國內外各類運輸船每年的修造需求不斷髮展，對船舶清洗市場的需求越來越大。塢內清洗主要是清洗表面的部分海洋污損附着生物、被破壞的防污塗層和基底的鏽蝕，為後續修造上漆工藝做好準備。

最初的作業由工人們手工剷除污損。艦船進塢後，工人們用刮刀配合化學藥劑處理附着生物。這種方法很難清洗乾淨，還需保證不破壞防鏽塗層，效率非常低。而且使用的化學藥劑容易產生環境污染和二次殘留，浪費人力物力。

氣體噴丸（噴砂）清洗作為現國內的主流清洗除鏽方法，其使用率約佔市場的90%。該方法是利用壓縮空氣將預先準備好的磨料（常用的是黃砂、石英砂、金屬顆粒）噴射到受洗表面，依靠磨料的高速衝擊和摩擦去除表面污損和老化塗層。其作用過程比較劇烈，破壞能力強，難以精確控制，勞動強度較大。而且綜合考慮噴砂清洗的磨料、人力、作業週期、設備、電耗以及其他維護費用，其成本較高。除此之外，該技術嚴重污染環境，噪聲大，對操作人員的身體健康和工作安全也有潛在危害。

高壓水射流清洗是利用高壓泵使高壓水依次流過管路和噴嘴，形成高速射流並連續衝擊受洗表面，使污垢脱落的技術。該技術具有環保、清洗效率高（可達100m²/h）、可調節合適的壓力應對不同基體和附着機理的優點。船舶進塢後，除了清洗，還要除鏽。清洗時，工作壓力需調節為70MPa；除鏽時，工作壓力需調節為220MPa。但是對於藤壺類和貝類等部分生物，由於其附着牢固，壓力偏小會清洗不乾淨，壓力過大則容易破壞表面的鋼鐵皮，所以對該類生物的清洗效果不理想

超高壓水射流清洗技術的出現，很好地解決了手持噴槍作業的返修和廢水廢渣回收問題。基於超高壓水射流技術的船舶除鏽爬壁成套設備具有真空抽吸系統，可以在完成除鏽作業時回收鏽渣和廢水。而且超高壓下的水可達到80～90℃，其在真空腔內的高温場下，可變成水蒸氣蒸發，實現即除即乾的效果。通常會將超高壓水射流技術和旋轉射流技術相結合，旋轉射流的霧化作用可使真空腔內的高温場均勻化，從而加強蒸發效果。而且，旋轉射流會在常規水射流法向打擊力的基礎上增加切向剝層力。結合了彎矩作用、集中衝擊作用和高剪切載荷作用的超高壓旋轉射流，對於不規則鏽層的高彎矩部位有顯著效果。 ^[3] 

在塢修期間對船舶進行清洗是經濟有效的節能減排措施之一。由於國內的船塢數量無法滿足市場需求，且船塢修理時間長，費用昂貴，容易造成停航損失，增大運輸成本。此外，在一個塢修週期內，污損導致船舶航行性能降低，而產生的温室氣體佔全球船隊温室氣體排放的 9%～12%，所以靈活方便的水下清洗技術是很必要的。 ^[2] 

刮鏟技術是最初常用的水下清洗技術，由潛水員手工操作，工具簡單。然而，其作業費時費力，清洗效果不理想，已逐漸被淘汰。轉刷技術常有單刷、雙刷和三刷三種工具，由馬達帶動刷盤轉動，部分結構在清洗時，可形成負壓吸附在船體表面，配合潛水員推動作業。轉刷轉速為0～450r/min時，清洗效率可達17～186m²/h。一般説來，該技術十幾分鍾內可沿船舷往復清洗一次，十幾小時內就能完成清理工作，是應用最廣泛的水下清洗技術。新加坡港口對水下清洗技術的應用服務處於世界領先地位，早在 20 世紀 60、70 年代，美國海軍土木工程實驗室（NCEL）就已成功研製出多種基於轉刷技術的水下清洗工具。1997 年，美國就主要採用機械轉刷技術來清洗軍艦上海洋生物附着物，其他國家也有該類清洗設備。2006 年，中國海軍裝備專門為戰艦設計了手持水下清洗設備。基於轉刷技術的清洗工具，成為了水下清洗機器人搭載的主要作業手段。該類清洗技術還可根據特定的應用對象，更換不同的轉刷材料和部件。根據轉刷水下清洗前後效果對比圖可以看出，軟生物可輕鬆去除，擱板狀生物卻難以去除。當其去除堅硬污垢時，難以控制清洗程度，會破壞部分防腐油漆層。而且，該技術作業部位受船體表面特性影響，大部分設備僅適用於船體表面曲率較大的部位，具有很強的侷限性。更重要的是，該技術破壞塗層時，還會向周圍排放有毒含銅化合物，破壞海洋環境，難以適應越來越嚴格的監管制度。因此，需要研究適合的優化方法，在達到良好清洗效果的同時最小化對防腐塗層的破壞。

射流類清洗技術屬於空化水射流技術，具有環保、高效、安全性高的優勢，可代替機械轉刷和高壓水射流技術，是國際上最新、最先進的水下附着物清洗技術，可廣泛應用於眾多工業領域，如破巖、材料、降解等。空化水射流的發現和應用對水射流清洗技術的發展有着重大意義。通常，高速流體經過空化噴嘴，產生壓降，當局部壓力低於汽化壓力時，發生空化。可採用多種方法（提高温度、加大流速、降低壓力等）使誘導液體中大量填滿空穴的微氣泡高速生長，隨後，在表面的高壓停滯區暴力潰滅形成近壁面微射流，或分裂成更小的空化氣泡，產生極高的潰滅能量，從而將高速射流沖蝕轉變成快速清洗。

聲場類清洗技術是由美國加利福尼亞大學提出的，在船體周圍覆蓋低頻聲場可以預防污損生物附着，而高能強聲聲波可以去除附着的生物。該技術早在 20 世紀80年代，由瑞典人在清除鍋爐煙道內積灰時創造，隨後得到了廣泛應用。其無毒副作用，不污染環境，適合艦船的複雜結構表面，具有很大前景，但影響軍艦隱身性能等相關問題還需進一步研究。

複合類清洗技術是將幾種技術結合，從而提高清洗效果。為了解決轉刷難清洗擱板狀硬殼類生物的問題，英國 fugro 公司將水射流技術和旋轉清洗刷技術相結合，開發了一種水下船體底部表面檢查和維護的多功能機器人。考慮到轉刷容易破壞基底漆層的弊端，2009 年浙江海洋學院機電工程學院的陳玉蓮等人設計了一種水下液壓清洗設備，以結合搖桿擺動和不鏽鋼葉片自轉的清洗技術為主，輔以能產生空化效應的高頻超聲波震盪技術，震落殘餘生物。

船舶塢內清洗除鏽技術正向着超高壓大功率（壓力大於300MPa，功率大於900kW）、低成本、高能效、綠色環保、集成化、精細化發展。國內高壓清洗技術與國外尚且存在差距，100MPa 以上的主要部件（泵機組）仍需進口。需加強研究以下問題：如何優化系統參數，實現合理節能，避免為追求打擊效果和清洗效率浪費整機性能；提高噴嘴、泵等部件的種類數量和質量，保證工作效率；實現周邊設備多樣化、成套化及系統的智能化，以完成不同作業任務等。不同於塢修清洗除鏽所追求的超高壓技術，水下清洗技術有着特殊的環境，其正向着低壓、低能耗的趨勢發展。船舶清洗裝備經歷了原始手工操作和大、中型機械操作兩個階段後，現正處在遙控機械或機器人作業的第三階段，並將在該階段長期不斷探索創新。因此，考慮水下運載機器人的能源限制，減小建造成本，清洗技術必然要滿足最小的能量需求，希望能以最小的能耗，在去除海洋污損附着生物的同時，儘量保證防腐塗層和基體不受破壞，現淹沒型空化水射流憑藉節能、高效、保護船體、不受壁面形狀影響的優勢，無疑是代替轉刷結合水下機器人的理想清洗方式之一。

今後需要加強對水下射流清洗機理和工藝的研究。需要在以下幾個方面進一步探索：如何優化水射流噴嘴的種類、數量及噴頭分佈組合的配置；如何實現射流流量、壓力和靶距在最佳清洗工況時的匹配組合；如何降低射流清洗的反作用，對載運機器人載荷、功率、水動力特性的影響等。可根據船體污損附着生物不同的吸附特性，如厚度、吸附強度等，調節最佳水射流壓力。水射流壓力過小，則清洗不乾淨；水射流壓力過大，則破壞船體表面塗層，浪費能量，無法實現清洗的低能耗。還可拓展對空化射流、脈衝射流、旋轉射流、聲場技術等單一技術或多個技術結合的複合清洗技術在水下船舶的研究及應用，節能的同時提高清洗效率，從而推動船舶清洗技術向綠色、節能、環保方向的新發展。 ^[3-4]