船舶水下清洗技术研究

郦智斌，龙 彪

(1.91872部队湛江研究室，广东湛江 524002;2.海装广州局驻427厂军代室，广东广州 510260)

由于海生物附着形成的污底大大增加了船舶阻力，意味着保持一定航速必然导致油耗的增加，为合理利用和节省燃油，科研人员研制了各种防污油漆以减少海生物的附着，但它们都有一定的使用期限，在不同水域使用期限也各不相同，多则20～36个月，少则几个月。为此，在研制防污底漆的同时，科研人员也在寻找另外的解决途径，随着燃油费用的增加，商船使用管理人员发现，在正常入坞检查修理期间，定期对船体、螺旋桨、声呐罩等进行水下清洗是经济有效地措施。美国海军曾进行过各种测定，发现将船体外壳表面的粗糙度减至最小，至少可节省燃油的15%。

1 水下清洗技术和设备的发展

1.1 水下清洗技术的发展

水下清洗技术的发展分为3个阶段，第1阶段为手工操作阶段，由潜水员下水进行清洗工作;第2阶段为机械操作阶段，由专用清洗器、涂装机等机械完成大型船舶的清洗任务，具有较高的工作效率;第3阶段为遥控机械或机器人作业阶段，为在恶劣海洋环境下开展清洗工作提供了保障。

早期的水下清洗一般是由潜水员携带清洁刷进行水下作业，根据附着物类型和厚薄来选择清洗刷和刷子材料。

手工操作最早用于对小型船舶水下海生物的清洗，使用气动或液压清洗器由潜水员来操作完成。随着大型船舶的出现，手工操作不能满足高效率和质量上的要求。同时由于潜水员水下作业时，能见度低，作业强度和难度较大，潜水员易疲劳，作业质量和效率难以保证。另一方面是油价上涨的压力下采取了缩减开支和降低油耗的措施，特别是船级社对船舶进坞间隔期的规定放宽，允许用水下检验代替2年1次的中间检验，使得水下清洗技术的应用得到了多方认可。在此基础上为进一步适应海洋的恶劣环境和在低能见度的情况下工作，出现了较大型的机械装置进行水下清洗作业，其结构是由液压或气动马达带动一个毛刷，毛刷质地根据船体污损情况选择，作业方式是由潜水员手持转刷，利用转刷产生的负压使之紧贴船体，推动器向前运动。

随着科学技术的发展，为进一步适应海洋的恶劣环境和在低能见度的情况下工作，遥控潜水器(俗称水下机器人，简称ROV)逐渐应用于船舶水线以下船体部位核装置的观察、检测和修理作业之中，现在世界各地主要航线上都设有水下清洗维修站，如美国东西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由鹿特丹开始的西北欧、波斯湾、新加坡及日本等地都设有水下维修站。在国外，机器人作业装置已经日趋成熟并走向实用化。对于水下清洗来说，ROV作为载体平台有两种方式可以进行作业:一是加装钢丝刷进行局部清刷;二是在ROV有剩余功率和有效载荷的前提下，加装高压水清洗装置进行大规模水下作业。利用该装置进行水下清理是一种有效的清洗方法，可以提高清洗效率，且不损伤油漆涂层，并可避免潜水员水下作业的危险性。

1.2 水下清洗设备

1)潜水员手持转刷。它是一种常用的清洗装置，液压动力，刷子转速0～450 r/min，清洗效率为17～186 m2/h，水下清洗大多使用此装置。使用其它装置时，螺旋桨、球鼻艏、声呐罩、艏艉部、海水吸入箱以及类似的小曲率或窄通道区域仍需要潜水员手持转刷清洗。

2)刷船。在1艘工作船上装1个长的圆柱形转刷，垂直伸到水面以下2.4～3.7 m，这种装置对清洗如散装货船那样大而平的两舷最为有效，清洗效率为242 m2/h，但对大多数海军作战舰艇而言，不是一种行之有效的装置。

3)遥控水下刷车。典型的有英国的SCAMP水下清洗机，它是一种广为使用的水下清洗系统，由美国的巴特沃思系统公司研制，为圆形装置，形状像浅碟子，通过叶轮的作用产生吸力，将清洗剂保持在工作面上，动力由潜水电机驱动双液压泵提供，1个泵驱动叶轮，另1个泵带动3个牵引轮 (其中1个用以保持方向)和清洗刷。牵引力约2 040 N使清洗机以常速移动，速度为987 m/h，清洗带宽约1.7 m，清洗效率为1 653.6 m2/h。操作在母船上执行，通过同轴电缆连接到操作台，清洗机上的电力控制装置在一个密闭的电力分配箱上。清洗机的前进、停止或倒退通过控制台或潜水员控制。由于它的直径相当大，在窄拐角处不能使用，只能适用于曲率较大的水面船舶的船体部位，海水吸入箱、球鼻艏、螺旋桨等不易清理的部位仍需要潜水员手持清洁刷进行作业。

4)刷车。刷车系统类似SCAMP装置，由法国研制，是世界上广为使用的一种装置，北约组织一些国家的海军舰艇都用此装置进行水下清洗，它是一个长1.29 m、宽1.20 m、高0.49m的装置，有3个转刷，靠驱动轮带动它通过要清理的船舶表面，空气中质量为10.87 kg，在水中稍有些正浮力，转刷和驱动轮都靠液压驱动，利用1根同轴软管，油由回路内的水面泵供给。清洗带宽1.18 m，每分钟清理30～40 m，清洗效率为1 951～2 508 m2/h，由1名潜水员操作，通过舵轮和操纵杆保持方向、控制速度。主要支援设备包括1套液压装置、1部软管卷车和100 m同轴液压软管，1部潜水员供气软管卷车和100 m供气软管等。包括刷车在内的整套装置质量约为1 097.71 kg，船体曲率为1.82～2.43 m的船舶可以使用刷车清洗。

5)高压水清洗系统。把高压水清洗用于水下作业，使喷枪紧贴于工作面，形成一个反向射流，可显著地提高清洗速率，适用于海洋平台、螺旋桨等结构复杂的物体。美国海军船厂已经成功地使用了一种新型高压水清洗系统。

6)新型遥控船体水下清洗装置。美国海军水面舰船中心成功地开发了自动水下船体清洗维修车，希望通过该清洗车清洗过的船舶可延长两次进坞修理的周期，以节约燃料费用和维修费用。开发该项目主要目的是将航母、驱逐舰和护卫舰等水面舰船从现在5～6年进坞进行水下维修的时间延长到12年。自动水下遥控船体清洗车的水下清洗装置由水面操作控制，无需潜水员，通过声学跟踪系统的控制系统实现沿着船体运动，水下行走时，利用3 MHz的声呐导航，使其能在浑浊的水下沿船体行走。该装置清洗下来的碎片被吸入一个密封的真空装置中，然后将这些垃圾送到岸上进行再处理。另外这套装置上还装有各种维修传感器，可以测量涂层及钢板厚度，确定外加电流阴极保护系统的工作状态，配备的摄像机可以拍摄水下静态照片和录像。上述这些功能可以辅助制定维修计划和船舶检查。

2 水下清洗指南

2.1 分类

整体清洗:表示清除整个水下船体所有油漆表面和附件，包括推进器、传动杆和各种开口表面的污染物。

阶段清洗:指对推进器、传动杆和舵的清洗，对船体水下其他部位 (如开口和附件)也在此时清洗，通常是在两次整体清洗之间安排，以节省大量的燃油，对螺旋桨的清洗所节省的能源就占整体清洗的50%。

局部清洗:指对船体某一部分进行清洗，如船体的前1/3或2/3、附件 (如舵、声呐舱、稳定翼、水下传感器)和系统 (消声带、船体的开口)，目的是为了在有限的时间和资源下获得最大的效益。

2.2 性能表征

船舶完成任务的能力和运行效率减低的变化情况表示可能需要清洗，表明需要清洗的典型性能变化情况有以下3种:①比每分钟轴转速达到的标准速度减少1 kn;②在以最佳的推进和辅机效率保持额定的轴转速情况下燃油增加5%;③保持额定的速度情况下，每分钟轴转速增减超过5%。

2.3 作业程序

1)潜水准备。①船舷应离码头至少1.2 m并在外侧清洗;②龙骨下面要求有足够的水深，平均低水位最低1.8 m;③水下船体周围没有障碍物;④主、辅循环泵固定;⑤清洗时，船上外加电流阴极保护系统的电能要去除，电解质保护罩要用醒目的警示装置标志出来;⑥潜艇首部声呐罩或消声瓦表面应用醒目的警示装置标示出来。

2)潜水检查。利用潜水员或ROV水下观察防污底漆状况、船体污底程度或类型。

3)清洗作业。根据潜水检查的结果、全船系统的状态来确定是否需要进行清洗作业。为了保证限定的清洗工作能获得最大的回报，在时间和资源有限的情况下，水下清洗的优先程序如下:①螺旋桨;②船体首部1/3;③船体尾部1/3。

4)洗后评估。清洗后要对以下区域进行检查和评估:①全部声呐导流罩和未涂漆的表面;②全部凸出的附体;③阴极保护系统，包括牺牲阳极、外加电流、基准电池组和电解质防护层;④船体表面与支架、艉轴、声呐导流罩和其他附体的结合部;⑤进坞前龙骨墩和侧龙骨承坐座;⑥海底门、压载水舱和船体开口;⑦以前验明的受损部位。

由于不同种类的船舶被污染的程度和速度不一样，以及在不同防污油漆表面，前一次清洗的质量和船舶所处的地理位置和活动情况、污染物的声场速度也不一样，因而没有固定的清洗间隔。所有船舶都应定期检测以决定是否需要清洗，延迟对船体的清洗会造成硬体污染物的滋生。

2.4 标准

1)船体。①自溶释放型和自抛光型防污油漆:为除去所有的生物污物，应以最没有伤害性的刷子进行适当地清洗，清除后的船体应露出红色的表面 (或在船舶水线区和潜艇外壳最大水线区表面显现黑色)，在清洁表面上不应造成擦伤或刷痕，或在突出表面的部位，如边缘、角落、接合部、焊接处、铆钉等处不应造成油漆擦伤。②非自溶释放型防污油漆，自2005年虽然不再被使用，但当涂层系统变老的时候，在这些表面上将会形成一层绿色的不可化学溶解的物质，将会很难去除。这层亚铜氧化物不能溶解、无毒、将不会阻止海生物的生长。对此类油漆进行清洗时，应将这些绿色的化合物部分清洗掉，露出40%～60%红色防污漆。清洗控制在这种程度才能在保持涂层受最小伤害情况下激活他的防污效能，并能避免在防污油漆上形成一层不可溶解的强硬化合物。潜艇外壳在最大水线到较低的龙骨部分通常使用黑色的防污漆，不形成绿色的化学层，不能使用清除绿色污物层的标准。需要特别小心避免过量除去防污漆，以免暴露黑色的艇体。

2)螺旋桨表面。①未涂漆的螺旋桨，在水中清洗螺旋桨表面的目的是除去污物以提供一个平滑的表面，因此清洗时应除去所有污物和钙质沉积物的痕迹，螺旋桨抛光将随着清洗程序除去任何污物和所有钙质沉积物后再打磨出平滑的表面。②涂有油漆的螺旋桨，油漆表面应达到船体油漆表面清洗的标准。

3)螺旋桨轴表面。螺旋桨轴水下清洗的目的是清除全部生物污底，呈现一个光滑的表面，便于检查轴的损伤迹象，如玻璃钢脱胶、涂层龟裂以及轴的腐蚀和锈斑，清洗过的轴在颜色上应该呈现红色 (使用剥落防污漆)，或红到杂色 (使用非剥落乙烯基防污漆)，清洗使用非残存漆的玻璃钢是白颜色的。

4)声呐舱。清洁后的声呐舱应无任何杂物，不应造成任何损伤的痕迹，不恰当的清洗造成的损伤包括划痕和弧形伤痕。

5)海底门。由于水流速度的增加以及特殊的几何形状，海底门的污染情况以及清洗后涂层的破损情况要比临近船体涂层严重，典型海底门表面的清洗与其临近船体表面涂层相同，清洗后的海底门外部表面、滤网以及潜水员和工具所能接触到的地方都不应含有生物污染。

6)稳定翼。清洗后的稳定翼外部油漆表面没有任何形状的污染物，前沿的金属表面、喷气嘴外部和空气系统的内表面应无污染物，系统应由专业人员依照技术标准进行测试，以确保达到设计流量。

2.5 记录

清洗过程中，要求完整记录船体水下状况，包括污染物的种类、程度和分析，清洗过程等，采用统一的表格采集数据或填写报告，以保证每次的检测数据可用于到船体状况的分析。

3 视情清洗及措施

视情清洗及措施见表2。

表2 船体状况和建议采取的措施