海洋技术▏水工设备清洗新利器，空化射流清刷展英姿 - 海底污染清理设备

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随着人口增加，资源匮乏和环境恶化，人们越来越深刻地认识到，浩瀚的海洋是人类生命源泉、资源宝库和环境调节器。自人类有文明史以来，从“兴渔盐之利”的传统海洋捕捞产业，到今天海上运输、深海采矿、港口码头、油气开发、海洋生物技术等新兴海洋产业的兴起，人类对海洋的开发利用从近海走向远海，海洋开发的规模也在不断扩大。同时，我们也应该看到，海洋环境是一个腐蚀性很强的环境，各种材料在海洋环境中极易发生劣化破坏，它在悄悄地进行着破坏，因腐蚀所造成的直接经济损失每年约占国民生产总值的2%～4%，破坏力之大令人震惊。海洋底栖生物及其分布规律海洋环境污染是世界性重大问题，其中就包括栖于海洋基底表面或沉积物中的海洋底栖生物对海洋环境的污染。这类生物自潮间带到水深万米以上的大洋超深渊带(深海沟底部)都有生存，是海洋生物中种类最多的一个生态类型，包括了大多数海洋动物门类、大型海藻和海洋种子植物。早在18世纪，欧洲科学家就对海岸带的底栖生物进行了观察研究，在上世纪60年代，海洋科学家们已积累大量世界海底生物分布的资料。上世纪70年代起，人们较广泛地利用数学手段、现代化仪器研究海洋底栖生物群落中各营养层次间的能量流动和物质转换过程，进而研究特定海域的整个生态系统；开始计算、预测生物群落结构在环境参数改变后的变化，其主要成员特别是经济种资源的数量变化趋势，以及它们与环境因子间的动态关系。70年代末，海底热泉生物群落的发现，为海洋底栖生物研究提出了新课题。海洋底栖植物 海洋底栖植物包括大全部大型藻类，例如海带、石莼、紫菜等，以及海草和红树等种子植物。它们大多固着于底表，主要分布在透光的潮间带和潮下带；有些种类，如红藻类的海萝和红树，可以生活在潮上带，退潮后能长时间经受太阳的酷晒。另外，还包括浒苔、水云等附着于物体或船底的种类。海洋底栖动物 海洋底栖动物包括海洋动物的大多数门类。有埋栖于底内的多种蛤类、梭子蟹、蝉蟹等，有穴居于底内管道中的美人虾、多种蟹、多毛类、肠鳃类等，上述两类统称为底内动物。有固着或附生于岩礁、坚硬物体和沉积物表面的海绵动物和苔藓动物，腔肠动物的珊瑚虫类和水螅虫类，软体动物的牡蛎、贻贝、扇贝、金蛤等，以及匍匐爬行于基底表面的螺类、海星、寄居蟹等，这两类统称为底上动物。另外，还有一些能在近底的水层中游动，但又常沉降于底上活动的对虾类、鲽形类等动物，称为游泳性底栖动物。海洋污着生物 附着生长于船底、浮标、水雷或其他水下设施表面的底栖生物，如牡蛎、藤壶、苔虫、水螅、海鞘和一些藻类等，称为海洋污着生物。穿孔穴居于木材或岩礁内的底栖生物，如船蛆、海筍和甲壳类的蛀木水虱、团水虱等，称为海洋钻孔生物。海洋底栖生物的分类 根据体形大小的不同，海洋底栖生物分为3类：①大型底栖生物，体长（径）大于1毫米,如海绵、珊瑚、虾、蟹、多毛类。②小型底栖生物，体长（径）0.5～1毫米，主要有海洋线虫类、海洋甲壳动物的猛水蚤类和介形类、动吻类等。③微型底栖生物，体径小于 0.5毫米，主要有海洋原生动物、细菌。海洋底栖动物里也包括在沿岸和沉积物颗粒间生存的大量小型底栖生物，如海洋原生动物、海洋线虫类、海洋甲壳动物的猛水蚤类和介形类、原环虫类，以及稀见门类的腹毛动物、动吻动物、缓步动物、颚口类，和一些小型多毛类、纽虫类、腹足类、腕足类、棘皮动物等。它们的数量很大，个体虽小，但其总生物量却几乎与大型底栖动物相等；它们的世代寿命较短,产量与生物量的比率显著地高于大型底栖动物。它们在一定海域是大型底栖动物的主要食物来源，在海洋食物链中占相当重要的地位。海洋底栖生物的栖息环境 它们都栖于硬质海底，有特殊的固着器官。大型定生藻类以吸附根固着；茗荷儿和柄海鞘等以柄部固着于基质表面；牡蛎、藤壶等以石灰质外壳直接粘附于基质表面；贻贝、扇贝等用足丝束固着于基质上。一些海洋底栖生物当环境不适时，能脱离原固着基，迁移至新地点重新固着。固着动物常具保护身体的外壳和自海水中获取食物的过滤网或触手丛，多栖于水流通畅的环境。藻类、水螅和苔藓动物常常大量丛生，在群体丛中栖息有各种自由移动的动物(如小型螺类、蟹类、蠕虫等)，形成丰富多彩的附生生物群落。海洋底栖的分布规律 大陆架浅海区,尤其是深底约在50米内的近岸带，底栖生物现存量和生产力最高，密度也最大。在大陆架以外的海域，其生物量和密度随深度的增加而显著减少；在大陆架范围内，则随纬度的降低而减少。高纬度海区生物量较高，密度较大，但生物的种数较少,生命周期一般较长，生长速度也慢,往往几年才能长成。在低纬底的热带海域，生物量和密度都较低,但种数较多，生命周期较短,一年或几个月即可长成。在北温带和寒带浅海，每平方米海底的生物量有几十克或几百克(暖温带的黄海、渤海平均为34g/m2)，甚至可超过1000或数千克。但在热带海域一般每平方米海底的生物量仅有几克到十多克(南海北部平均约10 g/m2)。在大陆架以外的深海带，底栖生物数量显著降低，到大洋深渊底一般每平方米只有1克或不到1克。海洋底栖生物的危害海洋底栖生物同人类的关系十分密切，许多底栖生物可供食用，是渔业采捕或养殖的对象，具有重要的经济价值。其中最重要的是虾蟹类、双壳类、鲆鲽类和各种经济海藻等。全世界海洋每年约生产 300多万吨虾蟹和数量稍少的贝类。中国的海岸带和浅海区的经济底栖生物有相当大的产量，如黄海的对虾年产几万吨，梭子蟹年产几万吨，毛蚶、蛤仔、文蚶、四角蛤蜊和牡蛎每年产十多万吨。同时也应该看到，许多底栖生物是经济鱼、虾、贝、藻的病敌害生物，一些污着和钻孔生物对人类直接或间接有害。比如牡蛎，确实是沿海生长较为普遍的底栖生物，也很美味，但对渔民来说，它可是船舶的“隐形杀手”，常常附在船底，越附越多，铲了又来。船老大出海前最烦恼的事，就是要花大力气去铲除船底附着的牡蛎、藤壶之类的海洋底栖生物，要不然会影响船速。这些海洋水生生物往往是在船只停泊期间附着生长的，据有关报道，有些船只在国外港口停了20多天，结果遇到大量滋生附着，回来的时候航速竟然由18节降到13节，跑出去一趟耗时增加了10天多，多消耗燃油数百吨，时间与金钱都损失严重。以一艘2.5万吨的轮船来说，5％的生物污损就需要有17％的能耗。此外，附着船底的海洋生物还会破坏漆膜，加速钢板的腐蚀，增加了船舶的维修保养次数和时间，降低了船舶的在航率。海藻、藤壶、海蛎等海生物的生长受海水温度、船舶停泊时间影响较大，水温越高生长越快，停泊时间越长海生物附着量越大。船壳海生物附着在一定时期内按线性规律增加，超过一定时期滋生增长速度减缓。船舶部位不同，船壳海生物附着滋生程度不同。由于船舶不同位置的水动力性差异，特别容易受到海生物污染的部位是海底阀箱、螺旋桨等。藤壶可能是造成船壳污损的主要海生物，在热带、亚热带摄氏25℃以上海水中，附着于抛锚船舶船壳的藤壶14～20天就能长到10 mm高。停泊船舶船壳防污漆最多可以耐污12～14天。航行船舶船壳藤壶、海蛎幼虫难以附着，静态船舶船壳海生物繁衍快，并且不易脱落。停泊于热带海域船舶船壳超过3～4周，通常会附着大量海生物造成船壳严重污损，影响船舶性能。海洋水生生物除了对船体造成危害外，对于海洋观测设备的危害同样明显。以海洋测绘为例，现在多数测量单位采用水位计来进行水位自动观测，但工作周期一长，几个月后有些单位会发现水位计的入口被这些海洋水生生物附着了，导致传感器失效，无观测数据。对于水下的其他观测设备（如海底观测网），它产生的影响也非常严重。海洋是一个非常严酷的腐蚀环境，桥梁、船舶、管线、码头等以钢铁为主要结构材料的设施也时常面临腐蚀的危害，腐蚀不仅造成材料的浪费，有时还导致灾难的发生。海洋生物对腐蚀的影响很复杂，但仍会造成以下几种腐蚀破坏：海洋生物的附着并非完整均匀，内外形成氧浓差电池；局部改变了海水介质的成分，造成富氧或酸性环境等；附着生物穿透或剥落破坏金属表面的保护层和涂层。据有关资料显示，“我国每年因海洋腐蚀的损失在1000亿元，其中39％是生物污损造成的。”因此，防止海水腐蚀和海洋生物污损已成为防腐蚀科学的重要研究内容，具有重要的经济意义和实用价值。下面就来谈谈在已经被海洋生物附着的情况下，如何利用现代的空化射流清洗技术进行合理有效清洗的话题。船体清刷创新模式消除船舶污底的常规方法 水下轻刷行业虽已有百年历史，但因其工作条件困难，专业要求高等限制一直发展较为缓慢。消除船舶污底影响常规方法是让船只进坞或上滩进行无水作业，用化学药剂清洗或者是人工用简单的器具敲打腐蚀垢层。但这些方法均存在较多的缺点：一是清理工作只能在船坞进行，而基于成本的考量船只进厂修理又不能过于频繁，会造成清洗不及时降低船的使用寿命；其次是如果使用化学药剂清洗，清洗液会污染环境还会加剧船的腐蚀，并且清洗效率较低；再次，人工敲打不光效率低，还会损坏船的涂膜，后果十分严重；最后，进坞作业会造成污染严重或者浪费大量淡水资源且噪音巨大。

空化射流清洗技术 随着空化射流技术的问世，国外专家将空化作用引入水射流技术中而形成的新型水下清洗技术。通过控制压力、流速等参数使水流束经过空化喷嘴时产生大量的空化泡，利用空化泡在材料表面狭小区域内溃灭产生高达140～170MPa的微射流冲击，达到清理设施表面附着物和污垢层的目的。该技术不但具有高效、节能、环保、安全等优点，而且不伤害设施母材，极少或者完全不伤害完整的防腐层，可对船舶螺旋桨等设备薄片区域进行合理有效的清洗。就用下面的视频来演示一下空化射流技术的清洗过程，给大家增加一些感性认识。

通常情况下，水在高速运转的过程中，沿物体某处所产生的局部压力小于此处饱和蒸汽所产生的压力，此时，溶在水中的空气不但会浮出，而且水本身也会被汽化，产生大量的空泡。当高压水射流作用于物体表面时，所产生的空泡到达高压区时就会破碎，与此同时产生许多微射流或者压缩波。这个时候就会在物体表面及附近区域产生巨大的集中应力。这种作用力对物体的伤害是非常大的。因此，对高速运转的水力机械，要尽量避免这种空化现象的产生。视频中所采用的空化射流技术，其技术基础是气蚀机理--水流速度和剧烈改变产生的气泡在周围水环境压力下气蚀气泡在极短时间内破裂。在几微秒时间内产生高压（近4000大气压）和高密度位置加热量（近5000K），这一过程产生的流体冲击结果形成水冲击波来进行表面清理和破坏去除滋生物，在周围冷的液体中气蚀是可控的，选择最优的工具参数可解决专门的清理任务。利用空化射流水下清刷代替传统的用带有硬金属或复合材料旋转刷头机械清刷的方法，完全克服了传统方法在清刷过程中损坏物体表面保护涂层，使用寿命短和许多特殊部位（如通海阀，转轴，删网等）不能清刷的诸多缺点。更重要的是设备仅仅使用水产生气蚀，对环境没有任何影响。水下清洗新利器空化射流清洗产品种类天津瑞金华鼎科技有限公司（以下简称天津瑞金华鼎科技）专业从事船舶配套设备、海洋装备的技术研发、技术服务、生产、组装及相关产品销售；水运及环境污染防治工程设计、施工、及技术服务；潜水及水下救捞设备、机器人、机械设备的设计、生产、销售、上门维修及租赁等。他们基于空化射流清洗技术开发的水下清刷设备，由俄罗斯专家长期参与，经过团队长时间测试改进，目前已推出四款成熟产品，分别如下。①枪式清刷器：操作简单方便，可清刷异型物体及死角部分，产品经久耐用。②盘式清刷器：清洗面积大，清洗力度强，适用于表面附着物坚固的物体的清洗。③扫把清刷器：清洗面积大，清洗效率高，适用于船舶等大型物体的清洗。④清刷机器人：解放潜水员繁重的劳动，操作受限小，安全环保，不受水深光线温度等等诸多限制，是未来水下清刷行业的趋势。水下清洗机器人下面重点来谈谈第四代产品水下清洗机器人，是和天津海之星水下机器人有限公司共同研发，具有全天候，大深度，连续工作时间长，图像实时传送，遥控操作简便等特性，同时也避免了潜水员水下作业造成的伤害。其核心技术特点是水下工具可控卸荷装置，目的是对卸荷装置结构进行改进，扩大其应用范围，使得工作喷嘴成为牵引的方向。为了达成设定的技术目标，他们提供了一种可控卸荷装置，包括（顺着水流）用螺纹链接相连的塞有密封胶圈的壳体1和扩散器2，可允许调整流量，如下图所示。卸荷装置壳体带有轴向孔，轴向孔的直径取决于水泵的生产能力，而圆锥面上有4～6个钻孔，用来相连壳体主管道与扩散器的内部。扩散器拧上下时，针形阀也随着它而移动，更改卸荷装置流通截面。等扩散器完全拧紧时，出口封闭，整个水流将通过工作喷嘴流出，后坐力最大。出口敞开时，水流按扩散器出口面积和喷嘴工作直径比例来分配，基本上整个水流通过出口来流出，造成向前的牵引力。扩散器终端装有收缩角（开度角30～40°），该锥体上装有排出软管。有必要时，该卸荷装置可以替代工作喷嘴使用。空化射流技术虽然已是许多国家掌握的技术，但其源于俄罗斯，是俄罗斯科学家于1996年开始研发并与2000年最先设计成型。天津瑞金华鼎科技现研发团队核心成员(库津.菲拉基米尔.谢尔盖耶维奇)就是当时俄罗斯专家团队的领头人，并在俄罗斯拥有该项专利。经过近20年的不断改进和更新，目前推出的清洗产品已经是世界上气蚀发生效果最好的产品之一。水下清洗产品的七大市场需求天津瑞金华鼎科技依托自有的两个研发中心，以近40名中外专家为技术保障团队，以哈尔滨工程大学（研发中心）为新技术人才主要来源，从而确保了技术开发资源和技术储备的长久性和稳定性。所属研发中心已拥有多项各类专利和新技术，并进行了知识产权保护的规划与保障。其中配套的元器件完全可国产化，力争在今年底使国产化率达到90%以上。经对市场的调研，水下清洗涉及的行业共有以下七大部门。①修造船厂：国内修造船单位可应用空化射流清洗产品替代传统的喷砂或高压水轻刷方式，从而达到节能环保，高效降噪的效果。②船公司：诸如中远集团，中海，天海等等众多大型船公司，在船舶年检前或自检时产生大量的船舶清刷工作，空化射流清洗产品应该是不二之选。③港务局及港口服务公司：几乎每个港务局海岸线外（锚地）都停泊着数量不等的船舶等待进港，港务局或港口服务公司完全可以利用这段时间对船舶进行有偿水下清刷，此业务既节约了船方的宝贵时间又给港务局或港口服务公司开创了新的利润增长。④海洋工程公司及潜水服务公司等：随着世界各国对海洋资源的开发日益扩大，各类海洋工程也在高速的发展。以中海油为例，海上平台水下部分清刷需求就相当大。另外为海洋工程公司服务的潜水服务公司对此类产品更加需求。⑤水产养殖业：近年来我国水产养殖业发展迅猛，其水下删网等因滋生海洋生物和其他附着物，存在着定期清刷的需求。⑥港口，水库大坝，桥梁（含水下基础的）等基础设施：此类设施因长期置于水下必定滋生和附着各类生物，在对其进行安检时，为保证检测效果必须对其先行清刷。由于上述基础设施存量巨大，（例如：中国水库大坝就有9.8万座）因此需求也非常巨大。⑦海洋科技，打捞及其他:此类也对水下清刷有一定需求。未来展望海洋生物污损和海水腐蚀所造成的损失是巨大的，海洋产业包括临海工业、海洋大通道工程、滨海旅游业及运输业的发展，特别是为海洋资源和能源开发建造的跨海大桥、港口码头、人工岛、海上平台、海底油气输送管线等钢铁设施将成倍增加，这些钢铁构筑物在海洋环境中会遭受到严重的腐蚀破坏。亡羊补牢、为时不晚，如何最大程度减少海洋环境中腐蚀的影响，就是海洋清洗行业未来的机会。空化射流技术改变了传统的水下清洗模式，属于政府提倡的环保产品。尤其是水下清洗机器人的出现，真正把潜水员从繁重的劳动中解放出来，目前国内生产还接近空白，市场需求将会十分广泛，其优势还体现在不受水深限制、不受温度限制、具有安全环保等特点。经相关市场调查和综合的需求分析，水下清刷市场潜力巨大，年需求量应该不低于10亿元，但因种种原因市场供给不足，造成大量客户还延续着传统的清刷模式。天津瑞金华鼎科技将利用先发优势，领跑于全行业，预计达到市场占有率将超50%，实现年营业收入可超过2亿元。目前他们正与国内一些大型从事海洋工程的单位建立了合作关系，在全国沿海、沿江地区组建销售代理网络，统一定价、返点奖励，也欢迎有需求单位上门租赁。心动不如行动，如果您看好水下清刷市场的未来机会，有合作意向，那就快快联系他们吧。他们诚邀各方有志者加盟。文章最后提供了他们公司制作的企易秀，在最后左下角位置点击“原文阅读”，可以进入此界面，以便大家进一步了解该公司及产品状况。■文章部分材料来自网络，部分相关资料及图片由天津瑞金华鼎科技有限公司提供，特此说明。相关阅读推荐：

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