01 、背景介紹
進入21世紀之后，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，進入了海洋資源大開發(fā)時代。

順應時代發(fā)展，我國在第十三個五年計劃中強調(diào)要重點推進海底資源開采技術(shù)的發(fā)展，同時加大了對各項海洋工程的投資力度，使我國進入了海洋資源開發(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設施，是眾多開采設備的載體，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，其中多為具有導管架結(jié)構(gòu)的固定式平臺。導管架結(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)海生物將對導管架平臺造成以下影響：（1）海洋平臺導管架的自重急劇增加，導致其結(jié)構(gòu)承載力大幅下降；（2）降低了導管架表面的光滑程度，同時增加了導管架的截面面積，導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）導管架樁腿在海洋環(huán)境中的腐蝕速度明顯增加。因此，導管架的硬質(zhì)海生物附著，將會嚴重威脅海洋平臺的安全生產(chǎn)，極大降低使用壽命。定期對導管架附著硬質(zhì)海生物進行清理作業(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備進行作業(yè)，常用的清理設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，導致我國每年需要花費大量的資金用于海洋平臺的清理維護，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)單位針對平臺導管架硬質(zhì)附著海生物的自動化清理裝備開展設計與研究。因此研制高效、自動化的專用清理設備對我國海洋事業(yè)的發(fā)展具有較大的促進作用。

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)也可應用于海底導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)域仍處于研究試驗階段，因此沒有被廣泛地應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。

實際進行海生物清理作業(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)實踐經(jīng)驗，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，蘊含著巨大能量的高壓水對潛水員的威脅很大，屬于高風險作業(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140~170MPa），利用這部分微射流沖擊力達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)使用的設備為空化射流噴槍，如圖1-4所示為空化射流清洗設備的輸出端，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備的壓力范圍有較高的要求，通常需要將設備的壓力控制在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行海生物清理時安全性較好；同樣因為工作壓力較低，除了槍頭附近的磨損比較嚴重外,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)是利用液壓馬達帶動硬質(zhì)鋼絲刷做圓周運動,運動過程中硬質(zhì)鋼絲刷會對海生物進行反復的摩擦，從而達到清理目的。液壓馬達的動力由施工船上的液壓泵站提供，水下的打磨設備通過液壓管線與之相連。在進行海生物清理作業(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?shù)恼龎毫?。除此之外，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備在海洋工程中得到了廣泛的應用，利用液壓驅(qū)動具有諸多優(yōu)點，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管架附著海生物的清理或防護：

（1）機械式清理

該方法利用海洋自身動力驅(qū)動清理裝置進行海生物的清理，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)動安裝在導管架附近的清理裝置，使其在導管架表面往復運動，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)濟環(huán)保，而且結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝，但實施時受自然因素的影響比較大，很容易被大的風浪破壞掉，被破壞的裝置結(jié)構(gòu)件甚至會隨著風浪劇烈碰撞地碰撞導管架，破壞導管架上原有的防腐涂層，從而降低導管架的防腐性能。

（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

此方法屬于提前預防法，即提前將防污涂料噴灑在導管架的表面，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)進行了實際作業(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，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，設備安裝和操作都相對簡單，清理過程中不會對導管架造成二次腐蝕，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，均需在導管架周圍配套專門的設施或?qū)Ч芗芴崆疤幚?，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)展及應用現(xiàn)狀
高壓水射流作用過程是流體力學、彈塑性力學等相結(jié)合的多學科問題，其作用過程的受力變化相對復雜，所以起初在理論研究方面發(fā)展較慢。在應用方面，由于高壓水射流具有諸多優(yōu)點，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）試驗探究階段：20世紀四、五十年代，水射流技術(shù)開始在采礦行業(yè)中得到應用，但是其壓力較低，增壓技術(shù)尚未成熟，加壓設備比較簡陋。

（2）基礎設備研究制造階段：20世紀七十年代初，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)及應用階段：進入20世紀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)得到廣泛的應用，相應的高壓水射流設備實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，在市面上隨處可見。

（3）快速發(fā)展階段：進入九十年代初期，人們對高壓水射流技術(shù)以及設備的研究更加深入，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，因此在清洗行業(yè)的應用最為廣泛，逐漸占據(jù)了主導地位，成為清洗行業(yè)的龍頭。

3.2國外發(fā)展及應用現(xiàn)狀

21世紀初，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備，該設備可以對任意厚度的混凝土實施分層破碎，具有破碎效率高、噪聲小、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在破碎廢舊橋梁、維修隧道等工程中得到了廣泛的應用。

德國在高壓水射流技術(shù)發(fā)展之初就開始研究，所以掌握著相當先進的高壓水射流技術(shù)，相關(guān)的一些先進設備已經(jīng)實現(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現(xiàn)的，而且通過調(diào)節(jié)軸芯的位置可以實現(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)的認可，從那時起，我國開始大量的引進各國的水射流設備，相關(guān)行業(yè)的學者和技術(shù)人員花費大量的時間用于研究各類水射流設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)的高壓水射流設備，并逐漸應用于清洗、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)的基礎上，經(jīng)過研發(fā)團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備SHG-1，該設備的成功問世，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備的控制系統(tǒng)進行了研究，并對原有的控制系統(tǒng)進行了改進，改進后的清洗系統(tǒng)可實現(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備，該設備的成功研制為今后在石油化工行業(yè)中廣泛應用高壓水射流清洗技術(shù)奠定了基礎。

2016年，北京化工大學的碩士研究生劉霄亮在參考國外相關(guān)先進設備的基礎上，通過實驗驗證了淹沒環(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)合實際需求設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備。這是國內(nèi)首套將高壓水射流技術(shù)應用于水下混凝土破碎及清除的設備，該設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，中國艦船研究設計中心的楊騰飛等人利用高壓水射流清洗技術(shù)進行船體污垢以及海生物的清理試驗，通過試驗發(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備，該設備可以利用水射流產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動蠕動噴嘴實現(xiàn)其在清理過程中同步向前推進，具有清理效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，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 流清洗機配套使用，促進了我國高壓水射流清洗設備多樣化的發(fā)展。

合肥通用機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、機場跑道清洗車等設備已經(jīng)產(chǎn)品化，廣泛的被應用于生產(chǎn)實踐中。

如圖1-21所示為該研究院研發(fā)的用于機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2m，可以高效的完成飛機跑道除膠、停機坪油污清洗等工作。

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備進行獨立生產(chǎn)制造，并且在工程實際中得到了廣泛的應用。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，能獨立生產(chǎn)高性能水下高壓水射流設備的企業(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備對于促進我國海洋工程的發(fā)展意義重大。