高压水喷砂喷嘴在海工项目中的应用

陈健++王家鹏

摘 要：将含有湿砂的高压射流水砂混合物撞击金属表面，清除金属表面的毛刺、氧化层、杂物等，以达到国际防腐标准对金属表面粗糙度的要求，保证金属表面的防腐层质量。同时减少喷砂工作对环境的污染以及对其他工种的施工影响，确保海工项目的顺利完工。

关键词：高压水喷砂除锈；喷嘴；质量；海工项目

中图分类号：U671.1 文献标识码：A

Application of High-Pressure Water-Sand Jet in FPSO Project

CHEN Jian，WANG Jiapeng

（ Chengxi Shipyard （Guangzhou） Co.， Ltd.Guangzhou 511462 ）

Abstract： A high-pressure water and sand mixture is jetted and hit the metal surface to remove the burr， oxide layer， clutter， etc. in order to meet the requirements of the international standard for corrosion protection of metal surface roughness， ensure the quality of the metal surface coating， reduce the pollution to the environment and the impact to other types of work in FPSO project.

Key words： High-pressure water-sand blasting； Jet； Quality； FPSO project

1 前言

某FPSO轮改装项目是将一艘超大型油轮改装为集生产处理、储存和卸载一体的30万吨级海上浮式生产储油装置（FPSO），被称为“海上石油工厂”。该项目是目前世界上最先进的第三代FPSO，能够日处理原油15万桶、天然气600万ft3，能储存原油160万桶。改装工程的顺利完成，刷新了由澄西（广州）公司保持的世界上同类型FPSO改装史上工程量最大、工程最复杂、功能最先进的新纪录。

某FPSO轮项目完工交付后，作业油田离岸250 km，作业水深2 120 m，在未来25年不需要进行大的维修，因此对质量要求极高。该轮总长346.5 m、型宽58 m、型深31 m、设计吃水22.7 m、甲板面面积相当于3个足球场。设计要求对整个甲板表面采取整体防腐处理，其存在以下主要困难：

（1）若采用压缩空气作喷砂处理，对厂内环境污染严重，粉尘大、噪音大，工作环境恶劣，严重影响其他工种的施工，防尘保护施工难度大；

（2）若采用喷丸处理方法，厂内没有喷丸大型设备；

（3）若采用手工除锈，因为甲板表面粗糙，有很多微小的凹坑，用人工打磨的方法很难将凹坑里的氧化物杂质去掉，且施工面积巨大需花费周期超长。

因此，采用高压水喷砂的方法对甲板表面进行处理比较合适。

2 高压水喷砂除锈机理和特点

一般金属表面产生腐蚀的主要原因是电化学腐蚀，导致金属表面出现很多凹坑和机械强度下降（见图1）。

高压水喷砂除锈机理是：在高速高压水中混入湿细砂，因为湿细砂密度大于水的密度，以同样速度撞击甲板面时，含砂水撞击力比纯水要大一倍左右。高压含砂水的撞击能够去掉凹坑中的杂质和消除焊缝表面的应力集中，减少应力腐蚀。因此，采用高压水喷砂除锈，既能使金属表面达到防腐处理要求，又能减少环境污染和节约费用。

高压水喷砂的缺点是金属表面与水的反应容易生成二次氧化物，为了解决这个问题在高压水中加入一定量的金属钝化剂，可以防止二次氧化过程的出现。

根据以上分析，结合我厂有一台36 Mpa、流量50 L/min的高压电动水泵的条件，决定采用高压水喷砂的防腐方案。同时也研究出一种结构简单、操作方便的高压水喷砂喷嘴。

3 高压水喷砂喷嘴的设计

见图2。

3.1 现有喷砂喷嘴分析

高压水喷砂喷嘴是射流喷砂设备的关键零件，设计喷嘴时要考虑以下两种常见的不良现象：一是吸砂困难；二是喷嘴磨损严重。

吸砂困难的原因主要是：喷嘴的湿砂入口真空度差；湿砂入口口径太小。

喷嘴磨损严重的原因是：内喷水孔与砂水混合直管段入口距离不合适；砂水混合直管材质不合适。

喷嘴的性能好坏主要由吸砂管直经、喷水孔直经、喷水孔与砂水混合直管段的距离、砂水混合直管段的直经与长短、材质等因素来控制。

砂水混合直管段过长，则真空度好但喷嘴磨损严重；直管段过短，则真空度差、喷嘴出口端磨损严重、水、砂混合不充分。

3.2 喷砂喷嘴设计

已知条件：高压水泵压力36 Mpa；排水量50 L/min；喷水孔直径=2 mm；高压水流速=250 m/s。

（1）将喷水嘴出口与砂水混合直管段的入口距离设计成相同；吸砂管直径、砂水混合直管段直径设计成相同。这样湿砂在流动过程中就不会出现瓶颈现象；

（2）砂水混合直管的内径取喷水孔直径的5倍，即10 mm；

（3）砂水混合直管的材质选碳化硅或1Cr18Ni9Ti；

（4）砂水混合直管段的长度是决定真空度和磨损的关键，实验结果是：不同的压力和高压水流速，需要砂水混合直管段的长度不一样，一般取砂水混合直管段的长度为管直径3.5倍对射流压力的适应范围较好。

4 高压水喷砂过程

（1）高压水喷砂过程中同时安排足够的配合工，以确保有较好的排水能力；

（2）高压水采用两种用水：一种是普通水做射流喷砂用；另一种是加入缓蚀剂的混合水，作为保护喷好后的金属表面不二次氧化的使用，见图3；

（3） 湿砂采取细黄砂做粒料，注意砂桶内一定要把砂浸在水里。吸砂管插入水下面的细砂中，不断的搅动湿砂水，射流开关打开时从透明吸管能看到细砂不断的流到射流枪中。在喷砂过程中要控制好喷嘴与钢板的距离，以便达到最佳喷砂效果，对于焊缝位置要多喷一会以便消除焊缝表面残余应力；

（4）施工人员要穿好防水服装、戴好头盔和护镜、保护手套和钢头防滑鞋；

（5）采用这种喷嘴对整个甲板面分区域进行处理，平均每3.5分钟可除锈1 m2，每块区域300 m2，花费时间约17.5个小时（包括喷缓蚀剂的时间）。

5 结论

经过高压水喷砂处理的金属表面完全达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》中的Sa3等级，即钢材表面无可见油脂、污垢、氧化皮、油漆涂层附着物，表面显示均匀的金属色泽。

经过射流喷砂处理后的甲板面，喷了2度防锈底漆、1度甲板耐磨面漆。整个甲板面经过了28天的处理，保质、按期的完成了任务。

参考文献

[1]郭士望.理论力学[M].北京：高等教育出版社，1982.

[2]闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]刘新，时虎.钢结构防腐蚀和防火涂装[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]《涂装前钢材表面锈蚀等级和防锈等级》GB8923-88.endprint