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高压/超高压水喷射工艺讲解

浏览次数:10 次 更新时间:2020-06-11

上千年来世界各地的人们都将水用于清洁,但将水作为媒介广泛用于基材表面的高压清洁,只有不过四十余年的时间。

在探讨用水进行表面清洁时,必须牢记下列定义:

水清洗,不同于水喷射,是在很低的压力下进行的,而我们将水清洗分为两级(根据SSPC-VIS 4(I) / NACE7 标准):

•低压水清洗是在低于34 MPa(5000psi)的压力下进行的清洗。

•高压水清洗是在34到70MPa(5000到10000psi)的压力下进行的清洗。

水喷射(根据SSPC-VIS 4(I) / NACE7 标准)包括两级:

•高压水喷射是在70到170MPa(10000到25000psi)的压力下进行的水喷射。

•超高压水喷射是在170MPa(25000psi)以上的压力下进行的水喷射。

以上定义(可能)将在即将推出的标准中用到:

ISO 8501-4 用高压水喷射法完全去除已涂装及未经涂装的钢质基材表面的铁锈           和原涂层的处理等级

高压水喷射是一种用高速水流冲刷所要清洁的基材表面的清洁技术。而这种高速是将水流通过一个专门设计,孔径很小的喷嘴而产生的。

在作者完成本文时,市场上出现了一种能够产生高达345MPa(50000psi)的水压的设备。

注:1 MPa = 10巴= 14.5 psi。

自1934年以来,压力高达5.5 MPa(800psi)的水清洗方法在美国的造纸纸浆业投入了使用,而在欧洲其应用始于1938年(相同的用途)。在20世纪50年代末和六十年代初,人们开发出了能够产生40-70MPa(6-10000psi)水压的设备(主要在美国),但这种早期设备难以操作,操作人员一次只能维持5-10分钟的静态肌肉张力。

此类静态张力问题目前在一定程度上已经得到了解决(或者已经达到了可以接受的水平),而且人们设计出了相当多的设备用于大面积的平坦区域(有水平的,也有垂直的),它们或是采用遥控,或是只需要操作人员消耗很少的肌肉能量。

高压水喷射的使用场所——优点与缺点

上述的高压水喷射方法将迅速去除各种基材表面,如钢材和其他金属、混凝土、木材和塑料表面上的沉积物。这些沉积物可能包括灰尘、油脂、锈垢、粉笔或者涂料。

此外,一些不可见的水溶性化学物质或者盐污染物也会出现在表面上,不论是否生锈和出现凹痕,这些污染物也将通过高压水喷射得到清除。这可能是这种清洁方法最重要的一个方面,因为在涂料施工之前,表面上水溶性物质的存在必将通过渗透性起泡,导致一定程度上涂装的失败,多年来的经验已经证实了这一点。高压水喷射(采用无污染性的水)将有效去除待涂装表面上的此类有害物质。

高压水喷射可能是在不破坏下层涂料的完整性的同时,能去除油漆(环氧)表面粉笔记号的最有效方法。

对于较重而且紧实的锈垢以及较重而且附着力良好的涂层来说,高压水喷射的去除速度可能要比喷砂法略慢一些。但考虑到整个工艺,也就是新砂和废砂的运输、除尘、喷砂前可能要进行的水清洗,在处理相同面积的待涂装区域所需的总生产时间方面,这两种方法有一定的可比性。

如果在水流中加入少量的磨料(加压水喷砂),或者将水压提高到210MPa(30000psi)以上,那么就能加快水喷射过程。如果使用旋转喷嘴的话,也能提高生产效率(通常用于较大的区域)。

即使采用超高水压,水喷射也不能去除紧紧附着的氧化皮,或者形成某种表面结构(粗糙度轮廓+特征密度)。如果要去除氧化皮或者构造某种表面结构,就要在水流中加入磨料。

因此,我们可以看出高压水喷射最适合于二级表面处理,也就是(主要)用于进行维护,因为通过前面的表面处理方法已经形成了表面构造,或者是处理已经施工了一层预制底漆(车间底漆)的表面。

因为高压水喷射不同于喷砂或动力工具清理方法,不会产生火花,完全不存在爆炸危险,因此可以用于处理装载汽油和其他具有强挥发性和高度爆炸危险物质的舱室。

高压水喷射不会产生灰尘,而灰尘如果被附近的人员吸入或者沉积在邻近区域和物体上,可能存在有毒有害的空气污染。

如果不向水流中添加磨料,那么高压水喷射就将大幅度减少必须从现场去除的残渣数量。用过的水可以收集起来,经过机械和化学净化后,排入污水系统。水清理后的残留固体必须以安全的方式清除,并作为化学废物进行处理。不过,高压水射工艺所产生的固体数量,与喷砂所产生的残渣数量相比,(几乎)是可以忽略不计的。

高压水喷射系统的组成

水喷射设备的中心是高压泵,(一般)为活塞型。该水泵能将水压提高到要求的水平。在一些系统中,在进入高压泵之前,水一般都会在提升泵中进行预加压。

加压水通过分流器和软管进入喷嘴。驱动水泵的动力源是一台具备足够功率,用于维持要求压力的发动机——电动或柴油机驱动。

水泵以及系统的管线和配件的设计必须能处理和容纳很高的液压。突发速率水平应至少是系统工作压力的2.5-3倍,以提供安全系数。系统的所有元件都应该互相兼容,并经过单独检测和整体检测。

高压水喷射枪中喷嘴的孔口(或者多重孔口)很小,可以产生必需的水流速度、流量、压力、形态和分布。针对高生产量或者高负荷的工作,一般采用旋转喷嘴。像管道内部清洁这样的专门清洁工作可以采用特殊的喷嘴。

高压水喷射设备的用水量一般在5到175升/分钟,它取决于喷嘴的孔口大小和压力。一般来说,压力较低的设备的每分钟用水量要大于高压或者超高压设备。

喷枪的旁通阀系统可以帮助操作人员启动或者关闭通过喷嘴的水射流。一般来说,这种旁路都是一个倾倒系统,由操作人员用喷枪上的一个手持弹簧式阀门开关来进行控制的。操作人员必须用力关闭旁通阀,从而强迫水流通过喷嘴。当操作人员释放压力时,旁通阀会重新打开,整个系统通过水泵产生的分流实现降压,水流从旁路出口流出。出于安全的原因,大多数国家都通过法律强制使用这样的旁路系统。

操作与安全

在高压水喷射设备的操作过程中,必须遵守良好的基本惯例。在为系统加压之前,操作人员必须握住喷嘴或者喷枪,将其对准工作区域或者工作对象。压力应逐步增大,这样操作人员才能感受并逐步调节其后座力,直至达到所要求的工作压力为止。后座力不应超过操作人员体重的三分之一。在设备出现故障的情况下,如出现软管漏水等,应立即为系统减压,而且在损坏修复之前不得再次加压。

用水喷射设备清理表面的技术有点类似于喷砂技术,但高压水喷射的喷嘴离表面要近得多(约为1-5cm)。这是因为当水喷出软管和喷嘴时,其液压将迅速降低。

高压水喷射枪的操作人员只要通过改变喷嘴与表面之间的距离,就能对清洁程度进行调节。举例来说,一名经验丰富的操作人员可以使涂层系统(在一定程度上)实现逐层脱落。用高压水喷射枪进行的毛边处理可以产生极好的效果,工作区域的边缘周围不会发生喷砂常见的边缘卷曲现象。

喷嘴与表面成85 - 90o 时能够最有效地去除锈的氧化皮或脆弱的旧漆。不过当角度(约)为45 - 60o 时,将有效去除较厚而且附着力较强的涂层。其中后者不适合使用旋转喷嘴,因为旋转喷嘴与基材表面应当始终保持85 - 90o角。

必须牢记的是虽然高压水喷射能够产生金属清洁度等同于Sa 3水平(ISO8501-1)的表面,但它无法在金属基材表面上形成表面构造。尽管如此,它可以用于清洁和恢复已有的表面构造,而且由于水分子较小,因此这种清洁可以直接深入现有表面构造中最微细的小孔。因此,当这种设备用于二级表面处理时,如去除现有的涂层系统,及对在钢厂或车间喷涂了预制底漆的表面进行清洁等,高压水喷射的卓越性能可达到最佳状态。

用高压水喷射清理钢材时,只要表面潮湿,基材表面的金属清洁度就将保持不变。当表面干燥后,腐蚀就会(根据情况迅速)重新形成,也就是我们常说的闪锈(或飞锈)。如果使用防锈剂的话,就能避免(在一段时间内)这种闪锈的形成。常用的防锈剂是基于[正]磷酸或者某种胺的。此类防锈剂都是特殊的化学产品,我们可以在表面干燥前,以雾状形式将其喷涂在经过清洁的表面上,也可以将其加入加压水中,以防止钢制基材表面发生闪锈。有些规规格书可能要求使用特定的抑制剂,或者某种特定的商业产品。在任何情况下,咨询涂料生产商,确认准备使用的抑制剂与将在清洁表面上使用的涂料是否相容,都是非常重要的。采用正确的抑制剂比例是关键所在。抑制剂过少就无法控制闪锈,而抑制剂过多则会引起涂料起泡或者附着力等问题。有些抑制剂,可能由于其成分或者使用过量,会在表面留下水溶性残留物,导致所喷涂的涂料系统在使用过程中出现渗透性起泡,尤其是在浸没的环境中。

必须牢记,几乎所有的油漆生产商都不允许在施工他们的涂料系统前使用此类防锈剂。

由于涉及到极高的压力,因此高压水喷射可能具有很高的危险性。当人员近距离被加压水击中时,可能造成断臂、身体被击穿等严重的人身伤害。在极端情况下,此类伤害可能导致受害者的死亡。因此,对操作人员进行设备使用的全面培训,使其对操作高压水喷射设备时可能存在的危险性有充分的认识,是非常重要的。操作人员以及进入设备操作范围的其他人员(如检查员)必须使用个人防护设备。和喷砂一样,至关重要的是只能将喷嘴对准需要清理的表面。

个人防护设备应保护操作人员免遭水射的危险,包括头、眼、身体、手脚等。现有的和推荐使用(在一些国家是通过法律强制使用的)的防护设备包括:头盔和全遮面面罩(或者脸罩和护目镜的组合)、防水服、防护手套、配有钢制护趾护腕的防水靴,再加上跖骨和听力保护装置。

在密闭空间中操作高压水射设备必须采取特殊措施,确保密闭空间内的空气不被水蒸气所饱和,因为这种情况下,操作人员可能会被淹死。如果空气中的水蒸气含量过高,无法控制在安全水平以下,那么可能需要对操作人员进行单独供氧。

操作高压水喷射设备时,必须遵守关于必要防护措施的国家、地方和设备生产商的安全健康法规。


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