超声波除锈技术在油罐维修中应用的设想

马 琳 罗永强

〔中国石化广东石油分公司 广东广州 510730〕

超声波除锈技术在油罐维修中应用的设想

马 琳 罗永强

〔中国石化广东石油分公司 广东广州 510730〕

在简要叙述了目前成品油储罐除锈施工中常用的手工除锈和半机械打磨、喷射除锈、化学除锈、高压水喷射除锈等技术之后，重点介绍了超声波技术的发展现状、除锈原理、表征除锈功能的物理量以及超声波除锈技术在装甲设备、医疗设备和其他工业领域的应用情况，并根据罐壁涂漆的特点及防锈标准，提出了超声波除锈技术用于成品油储罐除锈的设想，认为通过试验等手段确定参数和工艺后在理论上是可以实现的，并展望这一全新构思会有良好的应用前景。

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储油罐防腐层大修，多在清罐后除锈、除漆，满足SYJ4007—97《除锈质量等级标准》后，再进行涂装。因为覆在发生锈蚀的罐壁上涂敷涂层，并不会使腐蚀停止，锈蚀的体积膨胀能破坏涂层[1]，而除锈、除漆的质量严重影响着防腐的质量。由于清罐作业耗时长，投资大，而且在罐区内施工，会对其他油罐的运行产生安全隐患。尤其对于库容紧张的油库，还可能影响收发油作业的平稳运行。为了减少防腐层大修对油库安全生产带来的影响，油库管理者对在不停运清罐的前提下，完成油罐除锈作业有着迫切需求。

1 油罐除锈、除漆技术的现状

除锈时油罐外表面的涂漆也必然被一同清除。除锈和除漆是一体的，为方便起见，以下文中将二者统称为除锈。目前主要的除锈方法包括人工除锈、半机械打磨、喷砂除锈、化学除锈及高压水枪除锈等方法[2]。

1.1 手工除锈和半机械化打磨

使用非黑色金属例如钢丝刷、合金刀或砂轮等工具，可人工清除金属表面附着的锈蚀和氧化皮，但除锈工作强度大，效率低，效果不理想，人工费用在工程成本中占较大比例，且长时间在高处作业可能会发生坠落等事故，现已很少采用。

1.2 喷射除锈

喷射除锈包括抛丸法和喷丸法。抛丸法除锈的原理是使弹丸经过高速旋转的器具获得离心力后抛射到金属表面，达到除锈目的。但该方法灵活性差，受工件形状限制，易产生死角，有盲目性；设备复杂，零件损耗快，维护费用高。喷丸除锈使用的材料有金属丸和砂。喷丸法的打击力强，除锈效果显著，但可能会导致较薄的金属板产生变形。目前我国大型储罐使用的除锈方法多是喷砂法。在离心力或压缩空气的作用下，砂石通过特制的喷嘴，高速喷射于油罐外表面，在产生的冲击力、摩擦力作用下剥去旧漆皮和锈蚀，处理效果好且效率高。不足之处在于喷砂除锈过程中易产生粉尘和火花，环境污染严重、对油库安全构成威胁。目前也有关于开发喷砂喷漆机器人的研究，可以改善喷砂机器笨重的缺点，但仍无法解决污染环境和除锈前需清罐的问题[3]。

1.3 化学除锈

化学除锈是根据锈蚀可与酸性或碱性溶液发生化学反应而溶解的性质，来去除油罐表面的锈蚀。该法适用于薄板件清理，缺点是时间不易控制，即便在溶液中添加了缓蚀剂，也可能产生过蚀现象。结构复杂或有孔的工件，经过溶液清洗后，渗到孔隙中的溶液很难除净，留下隐患。由于油罐待除锈的表面积大，溶液用量大，试剂价格高，致使该方法的成本高昂，且试剂易挥发，处理后的废液排放会污染环境。

1.4 高压水喷射除锈技术

该技术是使用高压泵将自来水增压至180 MPa以上，再经过特殊喷嘴(Φ0.15～0.25 mm)喷射

罐壁。与其他技术相比，具有成本低廉、节约水资源、节约能源、清洗效果好、效率高，不污染环境等特点[4]。但除锈作业时，所需水压极高，通常超过100 MPa。应用该技术除锈，国内无法自给如此高压力的高压水发生设备和高压管、接头等附件的供应，仍有部分设备需进口，不符合我国工业倡导使用国产设备的发展趋势。另外，水压过高具有一定的危险性。有研究将水磨料加入高压水中，形成气、液、固三相磨料水射流除锈[5]，能降低所需水压。

2 超声波除锈技术研究

2.1 超声波技术的发展

超声波除锈技术是当代工业中先进除锈方法之一，上个世纪90年代表面处理工程迅猛发展，多功能钢铁表面处理引入了超声波技术。这一技术在国内外均属先进。随着超声波技术的日趋成熟，已被广泛应用于电气工程、冶金、炼化、机械制造、轻工业、食品加工、医疗卫生等行业，可以高效去除脂类、蜡、锈蚀、表面氧化物、表层涂料和其他多种类型杂质[6]。

2.2 超声波除锈的原理

超声波在介质中传播时，与介质相互作用，继而产生多种超声效应，主要为以下4种：①机械效应。超声波在流体中反向传输会产生驻波，由于机械力的作用，悬浮的微粒会聚集在波节处，形成周期性的积聚，即机械作用。在此情况下液体易于乳化、胶凝物质液化、固体加速分散。②空化作用。超声波属于纵波，传播方向与振动方向一致，造成液体的疏密变化，因为液体受到拉应力后会在该区域内形成负压，使原本溶解的气体过饱和，或因为拉应力足够大把液体扯出空穴，形成小气泡，这种现象称为空化。微小气泡会与附近流体一同运动或者骤然破裂。破裂时周围液体迅速涌入气泡，造成强大的冲击波，局部压力达到上百兆帕。③热效应。超声波的频率超过20 kHz，自身所含能量大，物体吸收后会表现出显著的热效应。④化学效应。超声波可以使某些化学反应发生或加快，并与空化作用相伴随。超声波还能提升多种物质的分解、水解及聚合速度。

2.3 影响超声波除锈功能的物理量

表示超声波除锈功能的主要物理量包括介质、功率密度、超声波频率、清洗温度等。功率密度的表达式为：

其中P为发射功率密度，W为发射功率，A为发射面积，功率密度一般≥3×10-5W/m2。

经研究，超声波的频率越低，功率密度越高，“空化”作用越显著，除锈效果越佳，此外30 ℃～40 ℃时的空化效果最好。

2.4 国内超声波除锈技术的应用

(1)装甲设备器材装备[7]。超声波除锈以“空化效应”为基础，对于表面不牢固的锈蚀，除锈主要靠空化气泡振动力的作用；当锈迹与器材表面的结合较为牢固，则利用空化气泡爆破时所产生的压力，使锈迹脱落。毕丛学等梳理了针对各类锈蚀程度适用的除锈剂及几种典型的超声波除锈工艺，形成了黑色金属零部件除锈技术[8]。孟令东等人利用环保型水基除锈溶液与超声波的“声化协同”效应，对装甲装备器材进行除锈。采取PLC控制技术，研发了装甲装备自动化除锈设备，实现了装甲装备器材保养自动化，装置结构简单、性能稳定，应用效果良好。

(2)目前已有医院将精密的医疗器械用特定的除锈剂浸泡，配合医用超声波清洗机的方法除锈，效果很好，且基本不损害器械。医用超声波清洗机加除锈剂取代人工除锈，可以达到人工除锈无法达到要求。尤其是以往较难除锈的关节和齿槽等，由于超声波的空化效果大大促进了表面膜的溶解，除锈更彻底[9,10]。此外，在刑侦领域中也有了关于超声波清除锈迹技术的研究[11]。

(3)其他工业领域。超声波技术理念先进，在多个领域都有很好的商业价值，特别使用于涂装前的表面处理，应用前景十分广阔。张明华等人[12]进行了低浓度硫酸加超声波酸洗试验，得出用超声波酸洗比传统酸洗的效率提高10倍以上。刘康平等[13]将超声波技术应用于预处理，解决了强酸除锈时对零件的腐蚀问题，能尽量在不产生过蚀的情况下清除焊接组件夹缝，提高工件磷化处理质量及后续喷涂加工质量。目前已有多个公司的超声波清洗机投入生产和使用，主要是对各种金属结构件进行涂漆前处理，包括超声波除油、除锈、除氧化皮和磷化[14]。

3 超声波油罐除锈技术的应用展望

3.1 罐壁涂漆的特点

由于油罐服役时间长，涂层多采用防锈性强的底漆，附着性好的中间漆和蔽光保色性好、易敷涂和维修的面漆等防腐时间久的涂料[15]。常用的防腐涂料根据成膜的物质分类主要有：聚氨酯类(面漆)、环氧树脂类(中间漆)、橡胶类、玻璃鳞片类和富锌涂料类(底漆)等。

金属外防腐蚀涂料的特性主要有附着力、抗水抗气性、耐候性(紫/红外线、燥热与寒冷、降水和风沙)、抗碳氢化合物等。分析超声波除锈、除漆工作的原理，主要是通过“空化作用”气泡溃灭，巨大强差产生的冲击作用，在理论上是可以抵御防腐蚀涂料的特性而实现的。

3.2 相关标准

目前金属油罐除锈质量评判的标准主要为GB8923—2011《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》、SYJ4007—97《除锈质量等级标准》，当超声波除锈技术被广泛应用后，其除锈质量评判也会被列入相关标准。目前，只能在油罐进行超声波除锈后检测其是否达到以上现有标准[16]。

3.3 油罐的超声波除锈

综合以上各行业对超声波清洗技术的应用，都是将待除锈的工件浸入槽中，适合体积较小的工件，不符合油库大型储罐的实际情况。但这些应用却可以证明利用超声波除锈、除漆的想法，在理论上是可以实现的。目前国外有使用超声波清除管内壁油泥[17]的研究，但在除锈、剥落油漆方面尚未有研究。

应用超声波除锈、除漆，应先确定目前储罐所用涂料和产生铁锈的种类，并采用多种频率的超声波对储罐进行除锈试验，找到除锈效果最佳的频率。需要注意的是，前面文中所述的超声波除锈均是在液体介质中产生“空化作用”，而由于空气属于气相介质，其在空气中的效果可能会大打折扣甚至失效，因此还应考虑，是否可以采取在储罐内外壁涂敷一层水膜等手段来增强该作用，水膜的厚度和成分也是需要通过反复试验确定。

本文提出的超声波油罐除锈方法虽然还处于设想阶段，但通过试验等手段进行参数和工艺确定后，在理论上是可以实现的，并且调整超声波的波谱和功率可用于罐内外防腐层的清除，是一种全新的构思。超声波除锈外、除漆技术具有许多其他方法不可相比的优势，为了应对石油石化领域对环境保护和安全生产日益升高的要求，超声波油罐除锈独有的优势将会使其在石油石化领域中有很良好的应用前景。

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2016-12-16。

马琳(1991-)女，硕士研究生，中国石油大学(北京)，石油与天然气工程专业，现从事油库技术及管理相关工作。