通大“绿船”团队研发新技术令设备使用寿命提升四倍——为船舶除锈装备换装“中国心”

“一个遥控器，一辆无人操作车，甚至应用爬壁机器人，就可以远程操作除锈了。这可是我以前的梦想。”17日，记者见到南通克莱芬船舶工程有限公司船体除锈操作工黄成时，他正操作一套超高压水射流除锈设备在船坞内开展除锈工作。而该设备的关键核心——高压柱塞泵正是由南通大学一支平均年龄不到30岁的“绿船”团队研发而来。

打破进口垄断

研发国产核心

船舶在海洋中行驶一段时间后，海水、海洋生物会不断侵蚀船体表面。这种侵蚀轻则影响航速，重则造成安全隐患。所以一般每五年左右，船舶就要进行船检和除锈。

传统的船舶除锈方式为喷砂。除锈工人许舒翔说：“喷砂设备喷出的铁砂高速撞向船舶钢板，高硬度的铁砂会被击碎，产生微小的颗粒悬浮在空中，不仅难以回收，而且产生固体废物，污染环境。”为了防止粉尘吸入，喷砂时操作工要将口罩面罩等防护设备穿戴整齐。许舒翔说：“以前喷砂，哪怕是三伏天也要把自己包裹严实。如果吸入含重金属的粉尘，就容易导致矽肺病。”

南通克莱芬绿色超高压水除锈工程中心主任陈真介绍：“造船、修船都会有除锈环节。船舶制造时，各种分段、部件可以放入专用喷砂间实施除锈，污染少。但船舶维修时，只能在船坞内开展除锈。就算无视各种工作环境，一位工人每小时只能喷砂8平方米左右，提高效率、降低污染势在必行。”

在修船行业，高压水射流除锈因其无污染、高质量和高效率而受市场欢迎。这项技术在国外已经成熟，但是由于相关技术被德、美等国垄断，每年我国超九成高压水射流除锈装备依靠进口。

面对困境，必须赶上。南通大学一支平均年龄不到30岁的“绿船”团队请缨研发该设备的关键核心——高压柱塞泵。

结构材料入手

提升使用寿命

高压水射流除锈原理是利用高压柱塞泵将纯水加压，通过喷嘴喷射出压力高于200兆帕的水柱作用在船舶表面，能够有效去除锈蚀和海洋生物附着，除锈效率每小时可以达到25平方米。

“泵的密封结构是超高压水射流柱塞泵的核心技术之一。”团队负责人、南通大学信息科学技术学院信息与通信工程专业2021级博士研究生周锐告诉记者，它就像一颗跳动的心脏，让超高压水射流高效稳定运转。“心脏”跳动越有力，水压和流量就越大；跳动时间越长，整套装备的使用寿命就越久。

“目前行业内使用的超高压柱塞泵寿命为110小时左右，使用时间过长会使柱塞杆偏磨、密封圈失效，从而导致泄漏。”团队通过调研后发现，要解决设备密封失效问题，提升超高压泵机组的使用寿命，就要针对密封结构和密封材料这两个问题进行系统性的研究。

什么样的密封形式能够满足超高压泵机组的稳定运行？周锐介绍道，传统的填料密封与间隙密封方式在实验过程中总存在着较为严重的振动现象，会对设备造成不可逆的磨损，进而导致泄漏。经过多次仿真与样机测试，通大团队发明了一种新型的间隙节流的密封方式。“通过选取一种弹性耐磨材料，利用内外压差的节流密封方式保证密封性，从而提高密封性能。优化后，超高压柱塞泵的密封性能有了显著提升，从而保证了设备的稳定运行。”

寿命提高四倍

除锈效果满级

密封结构设计优化后，还需要柱塞杆性能的配合。柱塞杆的硬度越高，意味着整套设备的使用寿命越长。团队成员、南通大学机械工程学院机械工程专业2023级硕士研究生郭贵仓表示，传统柱塞杆使用的硬质合金材料，因质量大，不仅容易造成偏磨，还会影响机组使用寿命。“所以我们选择激光表面合金化技术，叠加超声去应力技术，改善了柱塞杆的性能。”

目前，该超高压水射流装备的寿命已增至500小时，超过国内同类产品四倍，能够实现超高压力和超大流量的同步运行。该设备理论状况下水柱扬程可达3万米，除锈效果达到我国除锈处理最高等级——白色清理级，即表面非常洁净无任何杂质和污迹。

陈真说：“2021年开始，公司船舶维修、表面处理时开始尝试该新设备。当年除锈面积就达50万平方米，2023年该数据已经提升至70万平方米。由于该设备环保、高效，可以缩短船舶在坞时间，为企业节省了大量的时间和金钱。”

据了解，南通大学“绿船”团队已经在超高压泵、密封结构以及激光表面改性领域申请20余件国家发明专利。相关成果率先在南通克莱芬船舶工程有限公司的船坞进行试运行，除锈效果优异，满足后续着漆要求。南通大学机械工程学院副教授曹宇鹏说：“未来该技术还将应用到石化、汽车、核工程等更多领域，以科技创新推动产业创新，形成高科技、高效能、高质量的生产力。”

记者 沈樑