高壓水射流在海生物污損應(yīng)用的進(jìn)展和趨勢

01 、背景介紹
進(jìn)入21世紀(jì)之后，陸上油氣資源越來越緊缺，而油氣資源是一個國家生存和發(fā)展不可或缺的重要資源，因此一些國家將海洋資源的開發(fā)作為未來發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分，進(jìn)入了海洋資源大開發(fā)時代。

順應(yīng)時代發(fā)展，我國在第十三個五年計劃中強(qiáng)調(diào)要重點(diǎn)推進(jìn)海底資源開采技術(shù)的發(fā)展，同時加大了對各項(xiàng)海洋工程的投資力度，使我國進(jìn)入了海洋資源開發(fā)的新階段。海洋平臺是海上油氣資源開采工程中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是眾多開采設(shè)備的載體，在現(xiàn)代海洋開發(fā)中扮演著重要的角色。

截至2018年，我國已投入使用海洋平臺100余座，其中多為具有導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的固定式平臺。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)處在十分惡劣的海洋環(huán)境中，隨著平臺使用年限的增加，大量硬質(zhì)海生物附著于導(dǎo)管架位于水平面附近的鋼結(jié)構(gòu)上。

大量附著的硬質(zhì)海生物將對導(dǎo)管架平臺造成以下影響：（1）海洋平臺導(dǎo)管架的自重急劇增加，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)承載力大幅下降；（2）降低了導(dǎo)管架表面的光滑程度，同時增加了導(dǎo)管架的截面面積，導(dǎo)致由洋流引起的樁腿橫向載荷增加，降低了平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（3）導(dǎo)管架樁腿在海洋環(huán)境中的腐蝕速度明顯增加。因此，導(dǎo)管架的硬質(zhì)海生物附著，將會嚴(yán)重威脅海洋平臺的安全生產(chǎn)，極大降低使用壽命。定期對導(dǎo)管架附著硬質(zhì)海生物進(jìn)行清理作業(yè)對于保障海洋生產(chǎn)安全具有重要意義。

傳統(tǒng)的清理技術(shù)一般都需要潛水員在水下操作清理設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，常用的清理設(shè)備有高壓水射流噴槍、空化射流噴槍等。這些清理方法不僅需要操作人員掌握眾多操作技巧，而且勞動強(qiáng)度極大、作業(yè)效率較低、作業(yè)水深有限。清理過程中的碎屑飛濺以及水射流產(chǎn)生的反作用力都有可能對作業(yè)人員造成傷害，作業(yè)安全性相對較差。

利用傳統(tǒng)的清理技術(shù)，不僅無法滿足導(dǎo)管架附著海生物的清理要求，而且由于其清理效率低下，且需要高水平的潛水員下水作業(yè)，所以增加了清理成本，導(dǎo)致我國每年需要花費(fèi)大量的資金用于海洋平臺的清理維護(hù)，間接地制約了我國海洋油氣資源開發(fā)。另外，目前國內(nèi)尚未有相關(guān)單位針對平臺導(dǎo)管架硬質(zhì)附著海生物的自動化清理裝備開展設(shè)計與研究。因此研制高效、自動化的專用清理設(shè)備對我國海洋事業(yè)的發(fā)展具有較大的促進(jìn)作用。

02、海生物污損清理技術(shù)發(fā)展概況
高壓水沖洗技術(shù)、空化射流沖洗技術(shù)和液壓打磨技術(shù)是目前國內(nèi)外最常用的幾種清理技術(shù)。水下噴砂技術(shù)也可應(yīng)用于海底導(dǎo)管架附著海生物的清理，但目前該技術(shù)在海生物清理領(lǐng)域仍處于研究試驗(yàn)階段，因此沒有被廣泛地應(yīng)用于海生物的清理工作中。

2.1高壓水沖洗技術(shù)
高壓水沖洗技術(shù)的核心設(shè)備之一為高壓水噴槍，影響高壓水噴槍清理效率的工作參數(shù)有：噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)、噴嘴出口直徑、高壓水壓力、清理角度、噴槍移動速度等。

實(shí)際進(jìn)行海生物清理作業(yè)時的噴射壓力通常在50-70MPa之間，具體工作壓力根據(jù)所清理海域海生物的種類和硬度而定；由于水射流在淹沒環(huán)境中衰 減較快，因此噴嘴應(yīng)該盡可能的靠近待清理面，以確保水射流接觸到待清理的海生物時還具有足夠大的動壓和速度；根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，水射流的軸線方向與待清理表面成30°時，對海生物的破碎效果最好，因此清理角度為30°時水射流的清理效率最高、效果最佳。


如圖1-1所示為目前國內(nèi)所研制的高壓水噴槍，其重量超過18kg，槍身長度大約為1.6m。潛水員在施工期間，蘊(yùn)含著巨大能量的高壓水對潛水員的威脅很大，屬于高風(fēng)險作業(yè)，圖1-2所示為與高壓水噴槍配套使用的噴嘴。根據(jù)相關(guān)作業(yè)規(guī)范，潛水員在采用高壓水噴槍進(jìn)行海生物清理作業(yè)時，在其附近30m的圓周內(nèi)不允許有其他作業(yè)人員。

2.2空化射流沖洗技術(shù)

空化射流沖洗技術(shù)的核心是利用空化作用使液體形成空化泡，這些空化泡在待清理的導(dǎo)管架表面小區(qū)域潰滅時會產(chǎn)生巨大的微射流沖擊力（瞬態(tài)動壓可達(dá)140~170MPa），利用這部分微射流沖擊力達(dá)到破碎和清理海生物的目的。

空化泡的大致形成過程如下：首先通過加壓設(shè)備將常壓水加壓成高壓水，然后將高壓水轉(zhuǎn)化為速度極高的水流束，水流束進(jìn)入專用的空化噴嘴之后，速度極大的水流束帶動噴嘴內(nèi)氣流急速流動，使得水流束的周圍形成負(fù)壓環(huán)境，在巨大壓差的驅(qū)使下，一部分水迅速蒸發(fā)。從而形成空化泡，空化泡的半徑通常在20μm以下，其形成過程如圖1-3所示。


空化射流沖洗技術(shù)使用的設(shè)備為空化射流噴槍，如圖1-4所示為空化射流清洗設(shè)備的輸出端，其形狀類似于手槍，由于其尺寸小、體積較輕，所以潛水員在進(jìn)行水下海生物清理作業(yè)時使用起來比較輕巧。由于空化泡潰滅時產(chǎn)生的微射流沖擊力非常短暫，而水的阻力和粘度又遠(yuǎn)大于空氣，所以空化射流在淹沒環(huán)境下工作時，能量利用率比較低，有一部分微射流的能量會被海水吸收。


此外，空化射流的形成對設(shè)備的壓力范圍有較高的要求，通常需要將設(shè)備的壓力控制在27MPa左右，壓力過高會造成空化泡潰滅時產(chǎn)生的微射流沖擊力互相抵消，壓力過低又會導(dǎo)致空化泡的數(shù)量不足。不過由于空化射流的工作壓力相對較低，潛水員在操作空化射流噴槍進(jìn)行海生物清理時安全性較好；同樣因?yàn)楣ぷ鲏毫^低，除了槍頭附近的磨損比較嚴(yán)重外,其他位置在施工過程中故障率都比較低。

2.3液壓打磨技術(shù)

液壓打磨技術(shù)是利用液壓馬達(dá)帶動硬質(zhì)鋼絲刷做圓周運(yùn)動,運(yùn)動過程中硬質(zhì)鋼絲刷會對海生物進(jìn)行反復(fù)的摩擦，從而達(dá)到清理目的。液壓馬達(dá)的動力由施工船上的液壓泵站提供，水下的打磨設(shè)備通過液壓管線與之相連。在進(jìn)行海生物清理作業(yè)時,為了增加鋼絲刷對海生物的摩擦力以提高清理效率，潛水員需要給鋼絲刷適當(dāng)?shù)恼龎毫Α３酥?，液壓?qū)動力的大小、鋼絲刷的硬度以及轉(zhuǎn)速都不同程度地影響著該技術(shù)的清理效率。在清理軟質(zhì)海生物時，使用如圖1-5所示的小剛度液壓打磨刷；在清理硬質(zhì)海生物時，使用如圖1-6所示的大剛度液壓打磨刷。


利用液壓作為動力源的設(shè)備在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用，利用液壓驅(qū)動具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如故障率低、動力足、安全性高、可靠性高等。但是在利用液壓打磨技術(shù)進(jìn)行海生物清理時，由于液壓打磨刷的體積比較大，所以狹小區(qū)域需要采用其它清理技術(shù)來清理。

2.4其它清理方法

除了以上三種常用的人工清理技術(shù)外，以下幾種方法也可用于不同條件下海洋平臺導(dǎo)管架附著海生物的清理或防護(hù)：

（1）機(jī)械式清理

該方法利用海洋自身動力驅(qū)動清理裝置進(jìn)行海生物的清理，在海水全浸區(qū)和潮差區(qū)的清理效果較好。機(jī)械式清理的工作原理如下：利用海水漲潮、退潮以及流動時產(chǎn)生的動能驅(qū)動安裝在導(dǎo)管架附近的清理裝置，使其在導(dǎo)管架表面往復(fù)運(yùn)動，從而起到清理已附著海生物或阻止新生海生物附著的作用。該方法不需要額外為清理裝置提供動力，所以經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝，但實(shí)施時受自然因素的影響比較大，很容易被大的風(fēng)浪破壞掉，被破壞的裝置結(jié)構(gòu)件甚至?xí)S著風(fēng)浪劇烈碰撞地碰撞導(dǎo)管架，破壞導(dǎo)管架上原有的防腐涂層，從而降低導(dǎo)管架的防腐性能。

（2）電解清理

該方法主要是將海水電解，使其生成對海生物生長有害的物質(zhì)，從而破壞了海生物的生長環(huán)境，從一定程度上阻止了海生物的生長和附著。但安裝電解設(shè)施比較麻煩，電解需要消耗大量的電能，而且電解會產(chǎn)生氯氣，氯氣會加劇導(dǎo)管架的腐蝕，因此該方法不適合大范圍的使用。

（3）防污涂料

此方法屬于提前預(yù)防法，即提前將防污涂料噴灑在導(dǎo)管架的表面，這種涂料可以阻止海生物的生長和繁衍，從而減少了導(dǎo)管架下水之后海生物的附著。但是防污涂料有效時間較短，而且防污涂料的成分中含有少量重金屬物質(zhì)，長期使用會污染海洋的生態(tài)環(huán)境。

2.5不同清理技術(shù)的對比

2012年~2013年之間，在我國的惠州油田分別對三種常用的海生物清理技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際作業(yè)對比，對比結(jié)果表明：高壓水沖洗技術(shù)對各種位置的海生物都可以清理，而且花費(fèi)時間較短，清理效果好；空化射流技術(shù)雖然方便操作，但清理花費(fèi)時間長，而且無法將高硬度的海生物清理掉；液壓打磨技術(shù)雖然清理效率較高，但無法清理部分狹小區(qū)域，而且在清理過程中設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，維修起來比較麻煩。

基于ROV的高壓水射流海生物清理系統(tǒng)，是通過ROV操控清理系統(tǒng)來完成對海生物的清理工作。與傳統(tǒng)的三種人工清理技術(shù)相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，前文已經(jīng)對比過，此處不再贅述；與其它水下清理方法相比也具有突出的優(yōu)勢：

（1）相比機(jī)械式清理方法，可根據(jù)所清理海域海生物的種類和硬度調(diào)節(jié)水射流壓力，清洗完之后表面幾乎損傷；

（2）相比電解清理方法，設(shè)備安裝和操作都相對簡單，清理過程中不會對導(dǎo)管架造成二次腐蝕，而且清理速度快；

（3）相比于防污涂料法，不會破壞海洋的生態(tài)環(huán)境，且可以根據(jù)需求選擇清理時間；

（4）以上三種非人工清理方法，均需在導(dǎo)管架周圍配套專門的設(shè)施或?qū)?dǎo)管架提前處理，而ROV操控高壓水射流清理系統(tǒng)的清理方式可根據(jù)需求定時清洗，設(shè)備利用率高，因此該方式是最合適的清理方式。

03、高壓水射流技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
高壓水射流作用過程是流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等相結(jié)合的多學(xué)科問題，其作用過程的受力變化相對復(fù)雜，所以起初在理論研究方面發(fā)展較慢。在應(yīng)用方面，由于高壓水射流具有諸多優(yōu)點(diǎn)，所以在清洗、破碎、除銹、鉆孔、切割、采煤等行業(yè)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

3.1高壓水射流技術(shù)的發(fā)展歷程

高壓水射流技術(shù)起源于20世紀(jì)中期，具有悠久的歷史，其發(fā)展過程大致可以總結(jié)為以下幾個階段：

（1）試驗(yàn)探究階段：20世紀(jì)四、五十年代，水射流技術(shù)開始在采礦行業(yè)中得到應(yīng)用，但是其壓力較低，增壓技術(shù)尚未成熟，加壓設(shè)備比較簡陋。

（2）基礎(chǔ)設(shè)備研究制造階段：20世紀(jì)七十年代初，人們開始專注于大功率加壓器、耐高壓管線等的研究和制造。

（3）工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用階段：進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，高壓水射流技術(shù)在清洗、切割、采煤等行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)的高壓水射流設(shè)備實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，在市面上隨處可見。

（3）快速發(fā)展階段：進(jìn)入九十年代初期，人們對高壓水射流技術(shù)以及設(shè)備的研究更加深入，一系列新型射流技術(shù)的研究和發(fā)展因此被帶動起來，比如空化射流、磨料射流等。而且由于高壓水射流具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在清洗行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛，逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，成為清洗行業(yè)的龍頭。

3.2國外發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

21世紀(jì)初，美國的Jet-Edge公司致力于車載式高壓水射流清洗系統(tǒng)的研究，即將高壓水射流系統(tǒng)安裝在卡車上，使其具有較強(qiáng)的移動性。終于在2003年成功研發(fā)出了第一套車載式水射流清洗系統(tǒng)，如圖1-9所示為該清洗系統(tǒng)的實(shí)物圖。



該系統(tǒng)移動性好，結(jié)構(gòu)緊湊，在卡車的駕駛室里可以控制系統(tǒng)的啟動和停止以及水壓，還可控制清洗端的位置，但系統(tǒng)整體體積比較大，施工時需要很大的場地。

Jet-Stream公司于2006年成功推出了一款用于混凝土破碎的高壓水射流設(shè)備，該設(shè)備可以對任意厚度的混凝土實(shí)施分層破碎，具有破碎效率高、噪聲小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在破碎廢舊橋梁、維修隧道等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

德國在高壓水射流技術(shù)發(fā)展之初就開始研究，所以掌握著相當(dāng)先進(jìn)的高壓水射流技術(shù)，相關(guān)的一些先進(jìn)設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，處于世界領(lǐng)先水平。2004年，德國的KAMAT公司研發(fā)出了一套用于清理道路舊標(biāo)線的超高壓水射流系統(tǒng)，如圖1-11所示，該系統(tǒng)由高壓泵站、控制回路、路面清洗器等組成。為了方便移動，提高作業(yè)效率，該清洗系統(tǒng)的所有部件被集中安裝在車載集裝箱內(nèi)。


美國的Stoneage公司一直致力于高壓水射流執(zhí)行元件的研究，相繼設(shè)計研發(fā)出了形式多樣的高壓水射流噴頭以及噴嘴。

如圖1-12為該公司研發(fā)的Torus高壓水射流噴頭，該噴頭可以在空間內(nèi)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的動力來源于水射流接觸到待清理表面后產(chǎn)生的反作用力，噴頭的自轉(zhuǎn)由水射流的反作用力直接驅(qū)動，而噴頭的公轉(zhuǎn)是通過斜齒輪組從噴頭的自轉(zhuǎn)中獲取的一部分動力實(shí)現(xiàn)的，而且通過調(diào)節(jié)軸芯的位置可以實(shí)現(xiàn)對噴頭的無級調(diào)速。該高壓水射流噴頭專門用于儲罐以及大直徑管道內(nèi)部的清洗，其最大工作壓力為150MPa，最大工作流量為300L/min。如圖1-13所示為Torus噴頭的工作狀況圖。


3.3國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀

20世紀(jì)七八十年代，高壓水射流技術(shù)傳入中國，并且很快得到各行業(yè)的認(rèn)可，從那時起，我國開始大量的引進(jìn)各國的水射流設(shè)備，相關(guān)行業(yè)的學(xué)者和技術(shù)人員花費(fèi)大量的時間用于研究各類水射流設(shè)備的工作原理和組成結(jié)構(gòu)，隨著研究的深入，國內(nèi)一些公司開始生產(chǎn)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓水射流設(shè)備，并逐漸應(yīng)用于清洗、切割等行業(yè)。

1987年，北京航空研究所在借鑒美國高壓水射流切割技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過研發(fā)團(tuán)隊的不懈努力和深入研究，最后成功研制出我國第一臺用于切割的高壓水射流設(shè)備SHG-1，該設(shè)備的成功問世，開創(chuàng)了歷史先河，推動了我國高壓水射流技術(shù)的發(fā)展。

2005年，南京航天公司的史平等人對車載式高壓水射流道路清洗設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的清洗系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)降塵、高壓清洗和澆灌等多種功能。

2007年，李明輝等人首次將高壓水射流清洗技術(shù)用于石油化工行業(yè)，經(jīng)過不斷探索，設(shè)計并制造出了一套用于清理油田作業(yè)修井車、井架表面油垢的高壓水射流自動化清理設(shè)備，該設(shè)備的成功研制為今后在石油化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用高壓水射流清洗技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

2016年，北京化工大學(xué)的碩士研究生劉霄亮在參考國外相關(guān)先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了淹沒環(huán)境下利用高壓水射流破碎混凝土的可行性，并通過仿真軟件研究了入口壓力、噴嘴形狀、噴嘴直徑等參數(shù)對淹沒環(huán)境下高壓水射流清除效果的影響，最終結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計出了一套用于海底管道配重混凝土層清除的高壓水射流設(shè)備。這是國內(nèi)首套將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于水下混凝土破碎及清除的設(shè)備，該設(shè)備由高壓水射流系統(tǒng)和水下作業(yè)裝置兩部分組成，如圖1-16所示為該系統(tǒng)水下作業(yè)裝置的三維結(jié)構(gòu)圖。


2018年，中國艦船研究設(shè)計中心的楊騰飛等人利用高壓水射流清洗技術(shù)進(jìn)行船體污垢以及海生物的清理試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高壓水射流能夠很好的清除船體以及供水管道上的污垢和海生物，并且不會損傷船體和管道表面。

隨后設(shè)計研發(fā)出了一套用于船舶海水管線內(nèi)壁污垢和海生物清理的高壓水射流清洗設(shè)備，該設(shè)備可以利用水射流產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動蠕動噴嘴實(shí)現(xiàn)其在清理過程中同步向前推進(jìn)，具有清理效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，如圖1-17、1-18所示分別為該清理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和蠕動噴頭。


如圖 1-19 所示為天津福祿公司研發(fā)的用于大直徑管道清洗的高壓水射流平 面旋轉(zhuǎn)噴頭，圖 1-20 所示為該公司研發(fā)的旋管器，這些產(chǎn)品都可以與高壓水射 流清洗機(jī)配套使用，促進(jìn)了我國高壓水射流清洗設(shè)備多樣化的發(fā)展。

合肥通用機(jī)械研究院長期以來一直專注于高壓水射流技術(shù)的探索，在我國擁有領(lǐng)先地位，其研發(fā)的高壓水射流混凝土破碎機(jī)、機(jī)場跑道清洗車等設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)品化，廣泛的被應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

如圖1-21所示為該研究院研發(fā)的用于機(jī)場跑道除膠的高壓水射流清洗裝置，該裝置也是車載式的，所用的卡車經(jīng)過特殊改裝，能以10m/min左右的速度勻速前進(jìn)以配合清洗裝置作業(yè)，卡車上安裝的蓄水箱可供清理裝置連續(xù)作業(yè)一小時，該清洗裝置的單次清洗寬度可達(dá)2m，可以高效的完成飛機(jī)跑道除膠、停機(jī)坪油污清洗等工作。

我國目前的高壓水射流技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)迅速，很多企業(yè)可以對一些陸上作業(yè)使用的高壓水射流設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立生產(chǎn)制造，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于水下作業(yè)的特殊性，我國在海生物清理等海洋工程中高壓水射流的使用率比較低，能獨(dú)立生產(chǎn)高性能水下高壓水射流設(shè)備的企業(yè)更是寥寥無幾，而隨著海洋資源開發(fā)力度的不斷加大，對水下高壓水射流設(shè)備的需求量越來越大，所以研究高效、自動化的水下高壓水射流設(shè)備對于促進(jìn)我國海洋工程的發(fā)展意義重大。