鋼結構半封閉空間噴砂用設備

楊鋒

（南通理工學院，江蘇 南通 226001）

噴砂是一種常用的表面處理技術，它采用壓縮空氣為動力，將磨料從噴砂槍內高速噴射到待處理的鋼結構表面，有效果好、效率高的優點，但一些狹小的半封閉鋼結構空間的噴砂很成問題。如果僅為半封閉空間但不狹小，其噴砂是很容易的，例如船舶的艙室，因為人員可以進入操作，磨料也很容易清除。但狹小的半封閉空間的噴砂就極為困難，一是沒有太多回旋余地而施展不開，二是難以清砂。鋼結構半封閉空間的形式多種多樣，典型的有3種：第一種類似于船用起重機的伸縮臂內壁的箱體結構，第二種是工程機械的小型液壓油箱，第三種為鋼制管道或者內部形狀與之類似的圓形或矩形管狀物。

1 鋼結構半封閉空間的常規噴砂

在上述3種典型的半封閉鋼結構空間中，鋼制管道是最常見的，在石油化工、市政建設等工程中有廣泛的應用[1]。我國每年因管道腐蝕造成大量的經濟損失[2]。故專用于管道內壁的噴砂裝置早已得到研究和開發。如圖1所示，管道內壁噴砂裝置由主體部分、行走機構和噴砂部分所組成。

圖1 管道內壁噴砂裝置Figure 1 Sketch of a sandblasting equipment for internal walls of pipeline

管道內壁噴砂裝置的中心被稱為主體結構，它連接其他各個部分。噴砂管從主體結構中間穿過，是輸送磨料以及驅動磨料用壓縮空氣的管道，壓縮空氣驅動磨料經過噴砂管并從管口噴出。行走機構由滾輪和支撐組成，令裝置能在管道內壁行走。噴砂管的最前端有一個錐形頭，磨料噴出后會噴射到錐形頭上，并通過錐形頭向周圍散射，從而均勻地打在管道內壁。但這款裝置是專門針對鋼制管道設計的，它很難作用于非鋼制管道的半封閉空間。

對于非鋼制管道(類)半封閉鋼結構空間，通常需要噴砂與打磨等其他工藝相結合。半封閉空間不是全封閉的，通常都有一個小孔能夠讓噴砂槍深入其中進行噴砂，難以噴砂的地方主要是反口和側面，尤其是反口。船舶分段T型鋼強肋骨以及一些舾裝件、工程機械的液壓油箱是較為典型的結構。船舶分段強肋骨的反口噴砂處理難度雖然不大，但這種結構幾乎在所有的船舶分段都存在；而液壓油箱的數量在鋼結構中所占的比重雖不大，但它的反口很難進行有效的噴砂，并且液壓油箱的涂裝極為重要。相關調查顯示，由液壓系統所引發的機械故障率達70%～80%[3]，液壓油污染是主要原因之一[4]。液壓油受到污染的一個重要原因是液壓油箱的表面處理和涂裝缺陷導致的涂層剝落和銹蝕，雖然液壓油本身有防腐的作用，但液壓油內混入水分(尤其是在潮濕的作業環境中)就會加速銹蝕[5]。液壓油箱本身對涂層厚度的要求不高，一般只涂裝一道底漆，膜厚不超過100 μm，但對表面處理和涂裝質量要求很高[6]。液壓油箱表面處理和涂裝的難點主要在于空間狹小、密閉。

對于上述較難噴砂的鋼結構反口部位，處理的方法主要是利用反彈磨料進行清理，在這種鋼結構中，噴砂槍可對著正前方直接噴砂，而對于噴砂槍側面的區域，噴砂槍進入小孔后可盡量斜著，讓磨料以一定的角度射向鋼材；至于反口區域，噴砂槍對著正面噴砂，讓噴砂的磨料反彈到反口區域，但此時的動能會有明顯的損失。噴砂后磨料的清理常用刷子掃或以吸塵器、電磁鐵吸?？紤]到磨料的影響，半封閉空間的噴砂應先噴底部，再噴側面，最后噴頂部。因為噴砂過程中，磨料會在半封閉空間沉積，如果先噴頂部的話，磨料在底部沉積后會影響底部和側面的噴砂，增加清理磨料的次數，可能還會有很多區域噴砂不合格，就算再用打磨等方式對這些區域進行表面處理，效率和效果都較噴砂差。對于這些反口的區域，需要涂裝對表面處理要求比較低的涂料，在造船業比較常用的兩種涂料為國際油漆的Intergard 251環氧磷酸鋅底漆和Intergard 269環氧連接漆。

在考察過程中，發現有企業嘗試過對噴砂槍進行改造，但效果不理想，并且沒有找到更好的解決辦法，故沒有采用。主要辦法是把噴砂頭做成彎的，這樣就能夠對側面和反口進行更好的處理。不同場合下，噴砂頭的彎曲程度也可以不同。通過在噴砂槍口設置螺紋，再利用螺紋連接一段有長柄且彎曲的噴砂頭(長柄與噴砂頭為一體)，根據不同的需要來連接彎曲程度不同的噴砂頭。

按實際需要來選擇不同規格的噴口和握把，這樣就有很多種產品組合，會給企業增加很大的負擔。筆者對握把及噴頭進行了模塊化設計，企業只要買不同長度、不同規格的握把，再選購不同彎度的噴頭，通過螺紋連接即可。圖2a所示的噴砂頭彎度小，用于側面部分的噴砂；圖2b所示的噴砂頭彎度大，用于反口部分的噴砂。這種改造的弊端在于對側面噴涂時，彎度過小就起不到很好的效果，因為即使噴口沒有彎度，斜著對側面進行噴砂也能起到不錯的效果，而對反口噴涂時如果彎度過大，噴砂過程中動能的損失就太大，達不到應有的噴砂效果。

圖2 對噴砂槍的簡單改造Figure 2 Simple transformation of sandblasting gun

針對彎管噴砂頭的噴砂動能損失，研究了一種與拋丸器相結合的新型噴砂槍；針對類似伸縮臂結構的半封閉空間的噴砂困難，研究了一種半封閉空間輔助噴砂機器人；針對磨料清理的困難，研究了一種磨料清理裝置。以上3項技術全部申報了發明專利，并均進入了實質審查階段[7-9]。

2 一種帶有拋丸頭的噴砂槍

為了解決噴砂槍槍口磨料噴出的動能衰減問題，可以在噴砂槍端口位置增加一個類似于拋丸機拋丸頭的拋丸裝置，圖3就是這種裝有拋丸裝置的噴砂槍。該噴砂槍將噴砂槍與拋丸機的拋頭相結合，相當于把拋丸機的拋丸頭安裝在噴砂槍上。拋丸機的拋丸原理是用電動機帶動葉輪體旋轉，靠離心力的作用將鋼丸拋向工件的表面，拋丸機內部安裝有多個拋丸頭。噴砂槍下部裝有一個小型拋丸頭(比拋丸機用的拋丸頭小得多)，也可以理解成由拋丸頭來代替噴砂頭，起到噴砂頭的作用。拋丸頭由外殼、葉輪、電機等組成，磨料通過握把內部的空心結構被送進拋丸頭，輸送的過程同噴砂過程一樣利用了壓縮空氣，再通過拋丸頭內的葉輪轉動，將磨料拋出。磨料同時受到壓縮空氣的噴射作用以及葉輪的拋射作用，所以這是一種噴砂和拋丸相結合的裝置，通過拋丸頭的葉輪轉動對磨料增添動能來抵消噴砂頭彎曲帶來的動能損失。

圖3 帶有拋丸頭的噴砂槍Figure 3 Sketch of a sandblasting gun with an impeller head

因為噴口比較朝上，所以方便對反口進行噴砂處理，但也有個弊端，就是如果操作不當，磨料容易打到人身上。故為了安全起見，在握把上安裝一塊擋板(如圖3所示)，用來阻擋磨料。上述噴砂槍在噴砂過程中會產生一定的后坐力。為了抵消或者減少后坐力的影響，可以在下部安裝支撐，使用時將支撐頂在鋼結構上，就像槍托一樣。

3 半封閉空間輔助噴砂機器人

從圖4的上部可以看出，伸縮臂內壁上部在完成涂裝工作一段時間后出現了銹蝕。出現這種情況有的是因為伸縮臂內壁沒有進行有效的涂裝，甚至有大面積漏噴，銹蝕部位周圍的涂層厚度不達標；有的則是因為伸縮臂內壁沒有進行有效的噴砂，導致涂層剝落，這種情況下銹蝕部位周圍的涂層厚度通常達標，在箱體內能夠看到脫落的涂層。對于因涂裝問題造成的銹蝕，筆者之前研究過針對半封閉空間的涂裝設備和方法，開發了一款輔助噴涂支架和輔助噴涂機器人[10-11]。于是采用與之類似的方法，制作了一種輔助噴砂支架和輔助噴砂機器人。它們的結構類似，噴砂機器人是在噴涂支架的基礎上增加了相應的設備，該組件與管道內壁噴砂裝置結合，使之能用于鋼結構半封閉空間的噴砂。

圖4 伸縮臂副吊臂內壁的涂裝缺陷Figure 4 Defect of the coating on internal walls of an auxiliary telescopic jib

首先要對管道內壁噴砂裝置進行改造，拆除其行走機構，再將管道內壁噴砂裝置與連接桿相連，通過連接桿將管道內壁噴砂裝置伸入鋼結構的半封閉空間之中，最后打開噴砂泵進行噴砂作業。這種方法對半封閉空間內壁的噴砂非常方便，但其缺點是噴砂時后坐力較大，不容易保持穩定，且時間長了操作人員會感到疲勞，較適用于以石榴石對鍍鋅件的掃砂，因為此時需要的氣壓很低，主要是為了在鋅層上產生粗糙度。如果是正常的噴砂，就需要使用如圖5所示的支架。該支架底座帶有4個滾輪用來移動，支架就位后滾輪可以向上收齊，支架上設有2根伸縮桿，伸縮桿可通過插銷調節高矮(不需要太過精確)，伸縮桿副桿上有圓環可讓連接桿插入。在連接桿后面連一根繩子，噴砂時將連接桿伸入伸縮桿副桿上的圓環中，一邊噴砂一邊拉動繩子就可以了，操作極為方便。因為噴砂過程中會產生很大的后坐力，所以輔助噴砂支架的底板上需要放置一些重物作為配重，以防止支架在后坐力作用下發生移動。

圖5 半封閉空間輔助噴砂支架Figure 5 Sketch of an auxiliary support for sandblasting the semi-closed space

如果要自動化操作，只需如圖6所示，加入自動化控制的絞車系統，組成半封閉空間輔助噴砂機器人即可。其原理就是設置一個根據程序自動控制拖動的絞車，絞車由電機驅動，電機由PLC(可編程控制器)自動控制，絞車平臺上也連有連接桿，同樣可以通過連接桿上的插銷調整高度，絞車系統的底盤和支架一樣，由4個可以收起的輪子組成。這種機器人系統造價非常便宜，鋼結構企業基本都能承受。

圖6 半封閉空間輔助噴砂機器人Figure 6 Sketch of an auxiliary robot for sandblasting the semi-closed space

4 半封閉空間的磨料清理

除了鋼制管道以外，半封閉空間內的磨料清理是一大問題。液壓油箱還好一點，用刷子、電磁鐵之類操作的話，工作量并不大。但對于類似于伸縮臂的半封閉箱體空間，因為通常內部會存在很多筋板，磨料會被截留，非常難清理。這正是目前鋼結構企業遇到的主要困難。為此，特研究了這款半封閉空間吸砂機器人，如圖7所示。目前我國鋼結構制造企業所用的磨料基本都是鐵質磨料，故可以通過電磁鐵來進行磨料的清理。

圖7 半封閉空間吸砂用設備Figure 7 Sketch of a sand collecting equipment for semi-enclosed space

該機器人的核心部件是中間的箱體，箱體上方設有一個開口，開口內設置帶有一定傾斜的滑道，滑道末端與一收集桶相連，磨料進入滑道后沿著它滑落至收集桶內。箱體通過一套能夠上下、前后伸縮的伸縮桿固定于帶有滾輪的底座上，通過調節底座和伸縮桿來將箱體伸入半封閉空間內。箱體的前端裝有一個能夠360°旋轉的曲柄，電磁鐵安裝在曲柄頂端，電磁鐵與曲柄的連接部位可設置伸縮桿，一邊能夠伸到半封閉空間的任意位置，這一過程可通過測距儀或程序編寫來控制。電磁鐵在360°沿箱體旋轉的過程中吸附磨料，電磁鐵除了位于正上方時之外全程通電，位于正上方時電磁鐵斷電而失去磁性，磨料脫落后掉進滑道。操作時需要注意不要讓曲柄打到筋板上，同時確保曲柄在伸縮桿收縮后能通過筋板。

5 結語

具有不規則半封閉空間的鋼結構雖然較少，但對其進行有效噴砂也是必要的。本文涉及的相關技術能夠提高鋼結構半封閉空間內噴砂的質量和效率。