一种船舶除锈清洗超高压水机设计及优化

2022-09-13陈远刚陈海江

广东造船 2022年4期

陈远刚，刘鹤，陈海江

（1.招商局重工（深圳）有限公司，深圳 518054；2.友联船厂（蛇口）有限公司，深圳 518054）

1 前言

传统的船舶打砂除锈是高污染作业，特别是在完全敞开的船坞内打砂，漫天沙尘飞扬，污染范围大，不仅对空气污染严重，对人体产生较大伤害，同时也对海洋产生严重污染。因此，修船厂需要全面升级除锈工艺，使用超高压水除锈替代打砂除锈，达到绿色、环保、无污染效果。

船舶除锈清洗超高压水机是先进的除锈设备，能极大的改善船坞内作业环境，不仅将空气污染降至最低，还能对超高压除锈水及其废渣进行回收处理及再利用，满足绿色环保要求，降低成本，提高经济效益。

本文以原有超高压水机为研究对象，简述其在实际应用过程当中遇到的问题，并针对这些问题进行设计优化，达到更加安全、可靠、实用、经济效果。

2 原超高压水机装置组成及原理

2.1 装置组成

超高压水机组成，主要包括：设备集装箱、公共基座、超高压泵、电机、控制机柜、空压机、增压泵、水箱及其他管路电气附件。设备集装箱采用钢质材料焊接而成，底部及顶部均布有角件，底部有叉车槽，方便远程运输及吊运。

水机内部基座安装有超高压泵、电机、弹性联轴器及其保护罩，还安装有空压机、增压泵及空气过滤器。所有的这些零部件及其连接附件使基座成为整体，基座下方连接有橡胶减震垫，减震垫上下方分别经过高强螺栓与基座及集装箱底板连接固定，达到减震效果。

原水机主要设备参数：超高压泵流量23 L/min、最大压力3 200 bar、工作压力3 000 bar；电机功率160 kW、转速1 500 r/min。

2.2 装置原理

超高压水机的原理是利用船厂现有的工业淡水管网，通过软管供水至超高压水机；淡水经过超高压水机粗滤器进行过滤，去掉多余的大颗粒杂质；经过滤后的水再进入水箱，水箱里的水到超高压泵需要分成几路。首先是主要进入超高压泵的水，要经过精滤器过滤，过滤合格的水经过水质传感器检测合格后进入超高压泵；水在进水超高压泵之前，须经过旁通阀及电磁阀启动，再经过空气压力传感器带动空压机启动，把多余的空气抽掉，保证进去的水不含杂质及空气；超高压水机电机启动，经过联轴器带动超高压泵转动，使泵腔里的水达到3 000 bar 工作压力值，经过高压软管输出到除锈执行机构。与超高压水软管连接的执行机构，在超高压水的驱动下高速运转、喷射，完成超高压水除锈清洗等工作；另外，水箱里的水经过另一条管路对超高压泵液压油进行冷却，保证超高压泵能更长久的工作。超高压水机原理图，见图1。

图1 超高压水机原理图

3 原超高压水机缺陷

超高压水机经过几年的除锈作业，发现其在实际应用中存在一些缺陷，具体如下：

（1）布置方面：布置杂乱，存在安全隐患，造成材料浪费、成本增加；解决方案：将功能分区，合理布置内部空间，方便操作及维修。

（2）结构方面：外型尺寸太大，底盘结构太小、太薄；解决方案：优化结构尺寸，增强底部结构，防止变形、腐蚀。

（3）应用方面：能耗过大，造成浪费；散热不及时，影响设备性能稳定，增加维修成本；不能有效防尘防水，影响内部设备使寿命；多余功能达不到效果，反而增加设备负担；解决方案：优化设备及材料，去除冗杂功能，增加监测功能，安全监测，远程协调。

4 原超高压水机优化

针对原超高压水机上述缺陷，经过不断的修改及优化，使超高压水机更加满足船厂使用要求，达到最大节能减排效果。图2 为优化后超高压水机布置图，从图2中可知，内部空间得到了很大的改善，布置合理，安全可靠。

图2 超高压水机优化布置图

4.1 布置优化

（1）控制机柜及变频器

原控制机柜是布置在设备基座上，基座上有超高压泵、连接水管，再加上水箱倒挂在半空，水、电不分开存在安全隐患；优化后，变频器及控制柜都布置在槽型舱壁上，远离水箱，并且都悬空高于水箱，电缆沿着舱壁布置，不仅布局合理，还安全可靠；控制机柜及变频器布置在集装箱舱壁，基座成撬在另一侧，中间位置留有操作人员通道，对水机操作更加安全可靠，维修更加方便。

（2）水箱

原水机有部分水箱布置在设备上方或是在远离基座布置，从布置管线及安全角度考虑都不是最优方案。为此将水箱布置在基座上，高度低于电气设备及其电缆，并且远离变频电机，避免悬空漏水风险，极大的保护了设备；同时，水箱与超高压泵相邻布置，缩短连接距离，减少管附件材料，空间布置更加合理，简洁美观，维修保养方便。

4.2 结构优化

（1）水机尺寸

为了方便集装箱车运输，参考标准集装箱尺寸，保证底部角件位置能落于集装箱车上锁紧，可进行安全远程运输，优化后高度也能够保证运输过程中不超过道路4.2 m 限高要求。

（2）水机底盘结构

由于水机箱体内部安装了成撬基座及变频器、控制柜等，超高压水机在使用过程中变频电机及超高压泵高速转动会产生振动；并且超高压水机在作业前会使用叉车叉到船坞坞边，作业结束后又要叉车转运回车间保养维修，频繁使用叉车转运对底盘结构强度影响较大，因此在水机组装过程中，对超高压水机底盘结构进行优化，使其强度能满足要求；同时，加大底盘结构也起到了耐腐蚀作用，延长水机底盘的使用寿命；加高底部的强框架横截面积，同时也将其板厚增厚约4 mm，经过计算分析，底部结构强度完全满足使用要求。

4.3 应用优化

（1）变频电机

将电机优化为变频电机，并增加变频器，主要作用是：

① 节能：当远端的除锈执行机构在除锈过程中，由于离开船壳或是空转移位等非接触船壳表面作业时，变频能够自动将电机转速降低，减少功耗；

② 实现软启动及快速制动：可在低速低电压启动，能更好的保护电机；

③ 控制系统简化：运行速度随时进行调节，可根据不同工况进行远程调控，安全可靠；

④ 减少机械磨损：在变频调速中，停止方式可以受控，并可根据需求选择，减少变频电机轴等的冲击磨损，使整个系统，寿命相应增加，提高系统稳定性；

⑤ 可调转矩极限：通过变频调速后，可设置相应的转矩极限来保护机械不受损坏，保证除锈过程的连续性和可靠性，可控制除锈精度。

（2）水箱材料

塑料水箱散热慢，对冷却后的回流水不能及时降温，导致水箱中的水温变高，再次进入超高压泵会影响泵头的精密零部件受损，比如密封橡胶等；长时间的高温也会导致泵头结垢，结垢后的泵头在高速运转过程中容易磨损，同时，长期高温也会影响泵头疲劳强度，缩短其使用寿命。因此将超高压水机的水箱改为不锈钢，水温散热快，性能及效果得到了很大的改善。

（3）百叶窗

百叶窗优化为可关闭式的，操作简单，可根据需求进行调控，作业时，打开百叶窗进行通风散热；非作业时，关闭百叶窗，防止超高压水机进灰，进而保护内部设备。

（4）加料装置

原设备为了净化工业淡水，在不锈钢水箱前端安装了加料装置，若进入水箱的水含盐量达到需求值，提高电导率；但加料后的水随温度变化容易结晶，在泵头位置随着使用时间越长结垢就会越多，柱塞结垢需要经常拆解维修，耗费人力物力，影响生产进度。经多次对水质的检测，得知水的含盐量满足超高压泵运转需求，不用额外补充。因此，去掉加料装置，不但改善了超高压泵的功能，还节省了成本且更简洁可靠。

（5）增加智能监控系统

利用设备智能监控系统，可在车间集控室实时监测所有水机的位置分布及状态，包括水机运行、待机、离线、报警、维保，也包括流量、压力、油压、油温、冷却液温度信息实时监测，可针对相关状态作出远程应急处理操作，同时也能统筹协调所有水机，方便统计水机使用情况，达到最优化使用。