高压水射流在海生物污损应用的进展和趋势
发布日期：2022-05-30 浏览次数：533
01 、背景介绍
进入21世纪之后，陆上油气资源越来越紧缺，而油气资源是一个国家生存和发展不可或缺的重要资源，因此一些国家将海洋资源的开发作为未来发展战略的重要部分，进入了海洋资源大开发时代。
顺应时代发展，我国在第十三个五年计划中强调要重点推进海底资源开采技术的发展，同时加大了对各项海洋工程的投资力度，使我国进入了海洋资源开发的新阶段。海洋平台是海上油气资源开采工程中非常重要的基础设施，是众多开采设备的载体，在现代海洋开发中扮演着重要的角色。
截至2018年，我国已投入使用海洋平台100余座，其中多为具有导管架结构的固定式平台。导管架结构处在十分恶劣的海洋环境中，随着平台使用年限的增加，大量硬质海生物附着于导管架位于水平面附近的钢结构上。
大量附着的硬质海生物将对导管架平台造成以下影响：（1）海洋平台导管架的自重急剧增加，导致其结构承载力大幅下降；（2）降低了导管架表面的光滑程度，同时增加了导管架的截面面积，导致由洋流引起的桩腿横向载荷增加，降低了平台结构的稳定性；（3）导管架桩腿在海洋环境中的腐蚀速度明显增加。因此，导管架的硬质海生物附着，将会严重威胁海洋平台的安全生产，极大降低使用寿命。定期对导管架附着硬质海生物进行清理作业对于保障海洋生产安全具有重要意义。
传统的清理技术一般都需要潜水员在水下操作清理设备进行作业，常用的清理设备有高压水射流喷枪、空化射流喷枪等。这些清理方法不仅需要操作人员掌握众多操作技巧，而且劳动强度极大、作业效率较低、作业水深有限。清理过程中的碎屑飞溅以及水射流产生的反作用力都有可能对作业人员造成伤害，作业安全性相对较差。
利用传统的清理技术，不仅无法满足导管架附着海生物的清理要求，而且由于其清理效率低下，且需要高水平的潜水员下水作业，所以增加了清理成本，导致我国每年需要花费大量的资金用于海洋平台的清理维护，间接地制约了我国海洋油气资源开发。另外，目前国内尚未有相关单位针对平台导管架硬质附着海生物的自动化清理装备开展设计与研究。因此研制高效、自动化的专用清理设备对我国海洋事业的发展具有较大的促进作用。
02、海生物污损清理技术发展概况
高压水冲洗技术、空化射流冲洗技术和液压打磨技术是目前国内外最常用的几种清理技术。水下喷砂技术也可应用于海底导管架附着海生物的清理，但目前该技术在海生物清理领域仍处于研究试验阶段，因此没有被广泛地应用于海生物的清理工作中。
2.1高压水冲洗技术
高压水冲洗技术的核心设备之一为高压水喷枪，影响高压水喷枪清理效率的工作参数有：喷嘴内部结构、喷嘴出口直径、高压水压力、清理角度、喷枪移动速度等。
实际进行海生物清理作业时的喷射压力通常在50-70MPa之间，具体工作压力根据所清理海域海生物的种类和硬度而定；由于水射流在淹没环境中衰 减较快，因此喷嘴应该尽可能的靠近待清理面，以确保水射流接触到待清理的海生物时还具有足够大的动压和速度；根据实践经验，水射流的轴线方向与待清理表面成30°时，对海生物的破碎效果最好，因此清理角度为30°时水射流的清理效率最高、效果最佳。
如图1-1所示为目前国内所研制的高压水喷枪，其重量超过18kg，枪身长度大约为1.6m。潜水员在施工期间，蕴含着巨大能量的高压水对潜水员的威胁很大，属于高风险作业，图1-2所示为与高压水喷枪配套使用的喷嘴。根据相关作业规范，潜水员在采用高压水喷枪进行海生物清理作业时，在其附近30m的圆周内不允许有其他作业人员。
2.2空化射流冲洗技术
空化射流冲洗技术的核心是利用空化作用使液体形成空化泡，这些空化泡在待清理的导管架表面小区域溃灭时会产生巨大的微射流冲击力（瞬态动压可达140~170MPa），利用这部分微射流冲击力达到破碎和清理海生物的目的。
空化泡的大致形成过程如下：首先通过加压设备将常压水加压成高压水，然后将高压水转化为速度极高的水流束，水流束进入专用的空化喷嘴之后，速度极大的水流束带动喷嘴内气流急速流动，使得水流束的周围形成负压环境，在巨大压差的驱使下，一部分水迅速蒸发。从而形成空化泡，空化泡的半径通常在20μm以下，其形成过程如图1-3所示。
空化射流冲洗技术使用的设备为空化射流喷枪，如图1-4所示为空化射流清洗设备的输出端，其形状类似于手枪，由于其尺寸小、体积较轻，所以潜水员在进行水下海生物清理作业时使用起来比较轻巧。由于空化泡溃灭时产生的微射流冲击力非常短暂，而水的阻力和粘度又远大于空气，所以空化射流在淹没环境下工作时，能量利用率比较低，有一部分微射流的能量会被海水吸收。
此外，空化射流的形成对设备的压力范围有较高的要求，通常需要将设备的压力控制在27MPa左右，压力过高会造成空化泡溃灭时产生的微射流冲击力互相抵消，压力过低又会导致空化泡的数量不足。不过由于空化射流的工作压力相对较低，潜水员在操作空化射流喷枪进行海生物清理时安全性较好；同样因为工作压力较低，除了枪头附近的磨损比较严重外,其他位置在施工过程中故障率都比较低。
2.3液压打磨技术
液压打磨技术是利用液压马达带动硬质钢丝刷做圆周运动,运动过程中硬质钢丝刷会对海生物进行反复的摩擦，从而达到清理目的。液压马达的动力由施工船上的液压泵站提供，水下的打磨设备通过液压管线与之相连。在进行海生物清理作业时,为了增加钢丝刷对海生物的摩擦力以提高清理效率，潜水员需要给钢丝刷适当的正压力。除此之外，液压驱动力的大小、钢丝刷的硬度以及转速都不同程度地影响着该技术的清理效率。在清理软质海生物时，使用如图1-5所示的小刚度液压打磨刷；在清理硬质海生物时，使用如图1-6所示的大刚度液压打磨刷。
利用液压作为动力源的设备在海洋工程中得到了广泛的应用，利用液压驱动具有诸多优点，比如故障率低、动力足、安全性高、可靠性高等。但是在利用液压打磨技术进行海生物清理时，由于液压打磨刷的体积比较大，所以狭小区域需要采用其它清理技术来清理。
2.4其它清理方法
除了以上三种常用的人工清理技术外，以下几种方法也可用于不同条件下海洋平台导管架附着海生物的清理或防护：
（1）机械式清理
该方法利用海洋自身动力驱动清理装置进行海生物的清理，在海水全浸区和潮差区的清理效果较好。机械式清理的工作原理如下：利用海水涨潮、退潮以及流动时产生的动能驱动安装在导管架附近的清理装置，使其在导管架表面往复运动，从而起到清理已附着海生物或阻止新生海生物附着的作用。该方法不需要额外为清理装置提供动力，所以经济环保，而且结构简单、方便安装，但实施时受自然因素的影响比较大，很容易被大的风浪破坏掉，被破坏的装置结构件甚至会随着风浪剧烈碰撞地碰撞导管架，破坏导管架上原有的防腐涂层，从而降低导管架的防腐性能。
（2）电解清理
该方法主要是将海水电解，使其生成对海生物生长有害的物质，从而破坏了海生物的生长环境，从一定程度上阻止了海生物的生长和附着。但安装电解设施比较麻烦，电解需要消耗大量的电能，而且电解会产生氯气，氯气会加剧导管架的腐蚀，因此该方法不适合大范围的使用。
（3）防污涂料
此方法属于提前预防法，即提前将防污涂料喷洒在导管架的表面，这种涂料可以阻止海生物的生长和繁衍，从而减少了导管架下水之后海生物的附着。但是防污涂料有效时间较短，而且防污涂料的成分中含有少量重金属物质，长期使用会污染海洋的生态环境。
2.5不同清理技术的对比
2012年~2013年之间，在我国的惠州油田分别对三种常用的海生物清理技术进行了实际作业对比，对比结果表明：高压水冲洗技术对各种位置的海生物都可以清理，而且花费时间较短，清理效果好；空化射流技术虽然方便操作，但清理花费时间长，而且无法将高硬度的海生物清理掉；液压打磨技术虽然清理效率较高，但无法清理部分狭小区域，而且在清理过程中设备一旦出现故障，维修起来比较麻烦。
基于ROV的高压水射流海生物清理系统，是通过ROV操控清理系统来完成对海生物的清理工作。与传统的三种人工清理技术相比，具有诸多优点，前文已经对比过，此处不再赘述；与其它水下清理方法相比也具有突出的优势：
（1）相比机械式清理方法，可根据所清理海域海生物的种类和硬度调节水射流压力，清洗完之后表面几乎损伤；
（2）相比电解清理方法，设备安装和操作都相对简单，清理过程中不会对导管架造成二次腐蚀，而且清理速度快；
（3）相比于防污涂料法，不会破坏海洋的生态环境，且可以根据需求选择清理时间；
（4）以上三种非人工清理方法，均需在导管架周围配套专门的设施或对导管架提前处理，而ROV操控高压水射流清理系统的清理方式可根据需求定时清洗，设备利用率高，因此该方式是最合适的清理方式。
03、高压水射流技术发展及应用现状
高压水射流作用过程是流体力学、弹塑性力学等相结合的多学科问题，其作用过程的受力变化相对复杂，所以起初在理论研究方面发展较慢。在应用方面，由于高压水射流具有诸多优点，所以在清洗、破碎、除锈、钻孔、切割、采煤等行业得到了广泛的研究和应用。
3.1高压水射流技术的发展历程
高压水射流技术起源于20世纪中期，具有悠久的历史，其发展过程大致可以总结为以下几个阶段：
（1）试验探究阶段：20世纪四、五十年代，水射流技术开始在采矿行业中得到应用，但是其压力较低，增压技术尚未成熟，加压设备比较简陋。
（2）基础设备研究制造阶段：20世纪七十年代初，人们开始专注于大功率加压器、耐高压管线等的研究和制造。
（3）工业化生产及应用阶段：进入20世纪80年代后，高压水射流技术在清洗、切割、采煤等行业已经得到广泛的应用，相应的高压水射流设备实现批量化生产，在市面上随处可见。
21世纪初，美国的Jet-Edge公司致力于车载式高压水射流清洗系统的研究，即将高压水射流系统安装在卡车上，使其具有较强的移动性。终于在2003年成功研发出了第一套车载式水射流清洗系统，如图1-9所示为该清洗系统的实物图。
该系统移动性好，结构紧凑，在卡车的驾驶室里可以控制系统的启动和停止以及水压，还可控制清洗端的位置，但系统整体体积比较大，施工时需要很大的场地。
Jet-Stream公司于2006年成功推出了一款用于混凝土破碎的高压水射流设备，该设备可以对任意厚度的混凝土实施分层破碎，具有破碎效率高、噪声小、节能环保等优点，在破碎废旧桥梁、维修隧道等工程中得到了广泛的应用。
德国在高压水射流技术发展之初就开始研究，所以掌握着相当先进的高压水射流技术，相关的一些先进设备已经实现产品化，处于世界领先水平。2004年，德国的KAMAT公司研发出了一套用于清理道路旧标线的超高压水射流系统，如图1-11所示，该系统由高压泵站、控制回路、路面清洗器等组成。为了方便移动，提高作业效率，该清洗系统的所有部件被集中安装在车载集装箱内。
美国的Stoneage公司一直致力于高压水射流执行元件的研究，相继设计研发出了形式多样的高压水射流喷头以及喷嘴。
如图1-12为该公司研发的Torus高压水射流喷头，该喷头可以在空间内进行三维旋转，其旋转的动力来源于水射流接触到待清理表面后产生的反作用力，喷头的自转由水射流的反作用力直接驱动，而喷头的公转是通过斜齿轮组从喷头的自转中获取的一部分动力实现的，而且通过调节轴芯的位置可以实现对喷头的无级调速。该高压水射流喷头专门用于储罐以及大直径管道内部的清洗，其最大工作压力为150MPa，最大工作流量为300L/min。如图1-13所示为Torus喷头的工作状况图。
3.3国内发展及现状
20世纪七八十年代，高压水射流技术传入中国，并且很快得到各行业的认可，从那时起，我国开始大量的引进各国的水射流设备，相关行业的学者和技术人员花费大量的时间用于研究各类水射流设备的工作原理和组成结构，随着研究的深入，国内一些公司开始生产拥有自主知识产权的高压水射流设备，并逐渐应用于清洗、切割等行业。
1987年，北京航空研究所在借鉴美国高压水射流切割技术的基础上，经过研发团队的不懈努力和深入研究，最后成功研制出我国第一台用于切割的高压水射流设备SHG-1，该设备的成功问世，开创了历史先河，推动了我国高压水射流技术的发展。
2005年，南京航天公司的史平等人对车载式高压水射流道路清洗设备的控制系统进行了研究，并对原有的控制系统进行了改进，改进后的清洗系统可实现降尘、高压清洗和浇灌等多种功能。
2007年，李明辉等人首次将高压水射流清洗技术用于石油化工行业，经过不断探索，设计并制造出了一套用于清理油田作业修井车、井架表面油垢的高压水射流自动化清理设备，该设备的成功研制为今后在石油化工行业中广泛应用高压水射流清洗技术奠定了基础。
2016年，北京化工大学的硕士研究生刘霄亮在参考国外相关先进设备的基础上，通过实验验证了淹没环境下利用高压水射流破碎混凝土的可行性，并通过仿真软件研究了入口压力、喷嘴形状、喷嘴直径等参数对淹没环境下高压水射流清除效果的影响，最终结合实际需求设计出了一套用于海底管道配重混凝土层清除的高压水射流设备。这是国内首套将高压水射流技术应用于水下混凝土破碎及清除的设备，该设备由高压水射流系统和水下作业装置两部分组成，如图1-16所示为该系统水下作业装置的三维结构图。
2018年，中国舰船研究设计中心的杨腾飞等人利用高压水射流清洗技术进行船体污垢以及海生物的清理试验，通过试验发现，高压水射流能够很好的清除船体以及供水管道上的污垢和海生物，并且不会损伤船体和管道表面。
随后设计研发出了一套用于船舶海水管线内壁污垢和海生物清理的高压水射流清洗设备，该设备可以利用水射流产生的反作用力驱动蠕动喷嘴实现其在清理过程中同步向前推进，具有清理效率高、节能环保等优点，如图1-17、1-18所示分别为该清理系统的结构示意图和蠕动喷头。
如图 1-19 所示为天津福禄公司研发的用于大直径管道清洗的高压水射流平 面旋转喷头，图 1-20 所示为该公司研发的旋管器，这些产品都可以与高压水射 流清洗机配套使用，促进了我国高压水射流清洗设备多样化的发展。
合肥通用机械研究院长期以来一直专注于高压水射流技术的探索，在我国拥有领先地位，其研发的高压水射流混凝土破碎机、机场跑道清洗车等设备已经产品化，广泛的被应用于生产实践中。
如图1-21所示为该研究院研发的用于机场跑道除胶的高压水射流清洗装置，该装置也是车载式的，所用的卡车经过特殊改装，能以10m/min左右的速度匀速前进以配合清洗装置作业，卡车上安装的蓄水箱可供清理装置连续作业一小时，该清洗装置的单次清洗宽度可达2m，可以高效的完成飞机跑道除胶、停机坪油污清洗等工作。
我国目前的高压水射流技术发展已经相当迅速，很多企业可以对一些陆上作业使用的高压水射流设备进行独立生产制造，并且在工程实际中得到了广泛的应用。但是由于水下作业的特殊性，我国在海生物清理等海洋工程中高压水射流的使用率比较低，能独立生产高性能水下高压水射流设备的企业更是寥寥无几，而随着海洋资源开发力度的不断加大，对水下高压水射流设备的需求量越来越大，所以研究高效、自动化的水下高压水射流设备对于促进我国海洋工程的发展意义重大。
进入21世纪之后，陆上油气资源越来越紧缺，而油气资源是一个国家生存和发展不可或缺的重要资源，因此一些国家将海洋资源的开发作为未来发展战略的重要部分，进入了海洋资源大开发时代。
顺应时代发展，我国在第十三个五年计划中强调要重点推进海底资源开采技术的发展，同时加大了对各项海洋工程的投资力度，使我国进入了海洋资源开发的新阶段。海洋平台是海上油气资源开采工程中非常重要的基础设施，是众多开采设备的载体，在现代海洋开发中扮演着重要的角色。
截至2018年，我国已投入使用海洋平台100余座，其中多为具有导管架结构的固定式平台。导管架结构处在十分恶劣的海洋环境中，随着平台使用年限的增加，大量硬质海生物附着于导管架位于水平面附近的钢结构上。
大量附着的硬质海生物将对导管架平台造成以下影响：（1）海洋平台导管架的自重急剧增加，导致其结构承载力大幅下降；（2）降低了导管架表面的光滑程度，同时增加了导管架的截面面积，导致由洋流引起的桩腿横向载荷增加，降低了平台结构的稳定性；（3）导管架桩腿在海洋环境中的腐蚀速度明显增加。因此，导管架的硬质海生物附着，将会严重威胁海洋平台的安全生产，极大降低使用寿命。定期对导管架附着硬质海生物进行清理作业对于保障海洋生产安全具有重要意义。
传统的清理技术一般都需要潜水员在水下操作清理设备进行作业，常用的清理设备有高压水射流喷枪、空化射流喷枪等。这些清理方法不仅需要操作人员掌握众多操作技巧，而且劳动强度极大、作业效率较低、作业水深有限。清理过程中的碎屑飞溅以及水射流产生的反作用力都有可能对作业人员造成伤害，作业安全性相对较差。
利用传统的清理技术，不仅无法满足导管架附着海生物的清理要求，而且由于其清理效率低下，且需要高水平的潜水员下水作业，所以增加了清理成本，导致我国每年需要花费大量的资金用于海洋平台的清理维护，间接地制约了我国海洋油气资源开发。另外，目前国内尚未有相关单位针对平台导管架硬质附着海生物的自动化清理装备开展设计与研究。因此研制高效、自动化的专用清理设备对我国海洋事业的发展具有较大的促进作用。
02、海生物污损清理技术发展概况
高压水冲洗技术、空化射流冲洗技术和液压打磨技术是目前国内外最常用的几种清理技术。水下喷砂技术也可应用于海底导管架附着海生物的清理，但目前该技术在海生物清理领域仍处于研究试验阶段，因此没有被广泛地应用于海生物的清理工作中。
2.1高压水冲洗技术
高压水冲洗技术的核心设备之一为高压水喷枪，影响高压水喷枪清理效率的工作参数有：喷嘴内部结构、喷嘴出口直径、高压水压力、清理角度、喷枪移动速度等。
实际进行海生物清理作业时的喷射压力通常在50-70MPa之间，具体工作压力根据所清理海域海生物的种类和硬度而定；由于水射流在淹没环境中衰 减较快，因此喷嘴应该尽可能的靠近待清理面，以确保水射流接触到待清理的海生物时还具有足够大的动压和速度；根据实践经验，水射流的轴线方向与待清理表面成30°时，对海生物的破碎效果最好，因此清理角度为30°时水射流的清理效率最高、效果最佳。
如图1-1所示为目前国内所研制的高压水喷枪，其重量超过18kg，枪身长度大约为1.6m。潜水员在施工期间，蕴含着巨大能量的高压水对潜水员的威胁很大，属于高风险作业，图1-2所示为与高压水喷枪配套使用的喷嘴。根据相关作业规范，潜水员在采用高压水喷枪进行海生物清理作业时，在其附近30m的圆周内不允许有其他作业人员。
2.2空化射流冲洗技术
空化射流冲洗技术的核心是利用空化作用使液体形成空化泡，这些空化泡在待清理的导管架表面小区域溃灭时会产生巨大的微射流冲击力（瞬态动压可达140~170MPa），利用这部分微射流冲击力达到破碎和清理海生物的目的。
空化泡的大致形成过程如下：首先通过加压设备将常压水加压成高压水，然后将高压水转化为速度极高的水流束，水流束进入专用的空化喷嘴之后，速度极大的水流束带动喷嘴内气流急速流动，使得水流束的周围形成负压环境，在巨大压差的驱使下，一部分水迅速蒸发。从而形成空化泡，空化泡的半径通常在20μm以下，其形成过程如图1-3所示。
空化射流冲洗技术使用的设备为空化射流喷枪，如图1-4所示为空化射流清洗设备的输出端，其形状类似于手枪，由于其尺寸小、体积较轻，所以潜水员在进行水下海生物清理作业时使用起来比较轻巧。由于空化泡溃灭时产生的微射流冲击力非常短暂，而水的阻力和粘度又远大于空气，所以空化射流在淹没环境下工作时，能量利用率比较低，有一部分微射流的能量会被海水吸收。
此外，空化射流的形成对设备的压力范围有较高的要求，通常需要将设备的压力控制在27MPa左右，压力过高会造成空化泡溃灭时产生的微射流冲击力互相抵消，压力过低又会导致空化泡的数量不足。不过由于空化射流的工作压力相对较低，潜水员在操作空化射流喷枪进行海生物清理时安全性较好；同样因为工作压力较低，除了枪头附近的磨损比较严重外,其他位置在施工过程中故障率都比较低。
2.3液压打磨技术
液压打磨技术是利用液压马达带动硬质钢丝刷做圆周运动,运动过程中硬质钢丝刷会对海生物进行反复的摩擦，从而达到清理目的。液压马达的动力由施工船上的液压泵站提供，水下的打磨设备通过液压管线与之相连。在进行海生物清理作业时,为了增加钢丝刷对海生物的摩擦力以提高清理效率，潜水员需要给钢丝刷适当的正压力。除此之外，液压驱动力的大小、钢丝刷的硬度以及转速都不同程度地影响着该技术的清理效率。在清理软质海生物时，使用如图1-5所示的小刚度液压打磨刷；在清理硬质海生物时，使用如图1-6所示的大刚度液压打磨刷。
利用液压作为动力源的设备在海洋工程中得到了广泛的应用，利用液压驱动具有诸多优点，比如故障率低、动力足、安全性高、可靠性高等。但是在利用液压打磨技术进行海生物清理时，由于液压打磨刷的体积比较大，所以狭小区域需要采用其它清理技术来清理。
2.4其它清理方法
除了以上三种常用的人工清理技术外，以下几种方法也可用于不同条件下海洋平台导管架附着海生物的清理或防护：
（1）机械式清理
该方法利用海洋自身动力驱动清理装置进行海生物的清理，在海水全浸区和潮差区的清理效果较好。机械式清理的工作原理如下：利用海水涨潮、退潮以及流动时产生的动能驱动安装在导管架附近的清理装置，使其在导管架表面往复运动，从而起到清理已附着海生物或阻止新生海生物附着的作用。该方法不需要额外为清理装置提供动力，所以经济环保，而且结构简单、方便安装，但实施时受自然因素的影响比较大，很容易被大的风浪破坏掉，被破坏的装置结构件甚至会随着风浪剧烈碰撞地碰撞导管架，破坏导管架上原有的防腐涂层，从而降低导管架的防腐性能。
（2）电解清理
该方法主要是将海水电解，使其生成对海生物生长有害的物质，从而破坏了海生物的生长环境，从一定程度上阻止了海生物的生长和附着。但安装电解设施比较麻烦，电解需要消耗大量的电能，而且电解会产生氯气，氯气会加剧导管架的腐蚀，因此该方法不适合大范围的使用。
（3）防污涂料
此方法属于提前预防法，即提前将防污涂料喷洒在导管架的表面，这种涂料可以阻止海生物的生长和繁衍，从而减少了导管架下水之后海生物的附着。但是防污涂料有效时间较短，而且防污涂料的成分中含有少量重金属物质，长期使用会污染海洋的生态环境。
2.5不同清理技术的对比
2012年~2013年之间，在我国的惠州油田分别对三种常用的海生物清理技术进行了实际作业对比，对比结果表明：高压水冲洗技术对各种位置的海生物都可以清理，而且花费时间较短，清理效果好；空化射流技术虽然方便操作，但清理花费时间长，而且无法将高硬度的海生物清理掉；液压打磨技术虽然清理效率较高，但无法清理部分狭小区域，而且在清理过程中设备一旦出现故障，维修起来比较麻烦。
基于ROV的高压水射流海生物清理系统，是通过ROV操控清理系统来完成对海生物的清理工作。与传统的三种人工清理技术相比，具有诸多优点，前文已经对比过，此处不再赘述；与其它水下清理方法相比也具有突出的优势：
（1）相比机械式清理方法，可根据所清理海域海生物的种类和硬度调节水射流压力，清洗完之后表面几乎损伤；
（2）相比电解清理方法，设备安装和操作都相对简单，清理过程中不会对导管架造成二次腐蚀，而且清理速度快；
（3）相比于防污涂料法，不会破坏海洋的生态环境，且可以根据需求选择清理时间；
（4）以上三种非人工清理方法，均需在导管架周围配套专门的设施或对导管架提前处理，而ROV操控高压水射流清理系统的清理方式可根据需求定时清洗，设备利用率高，因此该方式是最合适的清理方式。
03、高压水射流技术发展及应用现状
高压水射流作用过程是流体力学、弹塑性力学等相结合的多学科问题，其作用过程的受力变化相对复杂，所以起初在理论研究方面发展较慢。在应用方面，由于高压水射流具有诸多优点，所以在清洗、破碎、除锈、钻孔、切割、采煤等行业得到了广泛的研究和应用。
3.1高压水射流技术的发展历程
高压水射流技术起源于20世纪中期，具有悠久的历史，其发展过程大致可以总结为以下几个阶段：
（1）试验探究阶段：20世纪四、五十年代，水射流技术开始在采矿行业中得到应用，但是其压力较低，增压技术尚未成熟，加压设备比较简陋。
（2）基础设备研究制造阶段：20世纪七十年代初，人们开始专注于大功率加压器、耐高压管线等的研究和制造。
（3）工业化生产及应用阶段：进入20世纪80年代后，高压水射流技术在清洗、切割、采煤等行业已经得到广泛的应用，相应的高压水射流设备实现批量化生产，在市面上随处可见。
（3）快速发展阶段：进入九十年代初期，人们对高压水射流技术以及设备的研究更加深入，一系列新型射流技术的研究和发展因此被带动起来，比如空化射流、磨料射流等。而且由于高压水射流具有诸多优点，因此在清洗行业的应用最为广泛，逐渐占据了主导地位，成为清洗行业的龙头。
21世纪初，美国的Jet-Edge公司致力于车载式高压水射流清洗系统的研究，即将高压水射流系统安装在卡车上，使其具有较强的移动性。终于在2003年成功研发出了第一套车载式水射流清洗系统，如图1-9所示为该清洗系统的实物图。
该系统移动性好，结构紧凑，在卡车的驾驶室里可以控制系统的启动和停止以及水压，还可控制清洗端的位置，但系统整体体积比较大，施工时需要很大的场地。
Jet-Stream公司于2006年成功推出了一款用于混凝土破碎的高压水射流设备，该设备可以对任意厚度的混凝土实施分层破碎，具有破碎效率高、噪声小、节能环保等优点，在破碎废旧桥梁、维修隧道等工程中得到了广泛的应用。
德国在高压水射流技术发展之初就开始研究，所以掌握着相当先进的高压水射流技术，相关的一些先进设备已经实现产品化，处于世界领先水平。2004年，德国的KAMAT公司研发出了一套用于清理道路旧标线的超高压水射流系统，如图1-11所示，该系统由高压泵站、控制回路、路面清洗器等组成。为了方便移动，提高作业效率，该清洗系统的所有部件被集中安装在车载集装箱内。
美国的Stoneage公司一直致力于高压水射流执行元件的研究，相继设计研发出了形式多样的高压水射流喷头以及喷嘴。
如图1-12为该公司研发的Torus高压水射流喷头，该喷头可以在空间内进行三维旋转，其旋转的动力来源于水射流接触到待清理表面后产生的反作用力，喷头的自转由水射流的反作用力直接驱动，而喷头的公转是通过斜齿轮组从喷头的自转中获取的一部分动力实现的，而且通过调节轴芯的位置可以实现对喷头的无级调速。该高压水射流喷头专门用于储罐以及大直径管道内部的清洗，其最大工作压力为150MPa，最大工作流量为300L/min。如图1-13所示为Torus喷头的工作状况图。
3.3国内发展及现状
20世纪七八十年代，高压水射流技术传入中国，并且很快得到各行业的认可，从那时起，我国开始大量的引进各国的水射流设备，相关行业的学者和技术人员花费大量的时间用于研究各类水射流设备的工作原理和组成结构，随着研究的深入，国内一些公司开始生产拥有自主知识产权的高压水射流设备，并逐渐应用于清洗、切割等行业。
1987年，北京航空研究所在借鉴美国高压水射流切割技术的基础上，经过研发团队的不懈努力和深入研究，最后成功研制出我国第一台用于切割的高压水射流设备SHG-1，该设备的成功问世，开创了历史先河，推动了我国高压水射流技术的发展。
2005年，南京航天公司的史平等人对车载式高压水射流道路清洗设备的控制系统进行了研究，并对原有的控制系统进行了改进，改进后的清洗系统可实现降尘、高压清洗和浇灌等多种功能。
2007年，李明辉等人首次将高压水射流清洗技术用于石油化工行业，经过不断探索，设计并制造出了一套用于清理油田作业修井车、井架表面油垢的高压水射流自动化清理设备，该设备的成功研制为今后在石油化工行业中广泛应用高压水射流清洗技术奠定了基础。
2016年，北京化工大学的硕士研究生刘霄亮在参考国外相关先进设备的基础上，通过实验验证了淹没环境下利用高压水射流破碎混凝土的可行性，并通过仿真软件研究了入口压力、喷嘴形状、喷嘴直径等参数对淹没环境下高压水射流清除效果的影响，最终结合实际需求设计出了一套用于海底管道配重混凝土层清除的高压水射流设备。这是国内首套将高压水射流技术应用于水下混凝土破碎及清除的设备，该设备由高压水射流系统和水下作业装置两部分组成，如图1-16所示为该系统水下作业装置的三维结构图。
2018年，中国舰船研究设计中心的杨腾飞等人利用高压水射流清洗技术进行船体污垢以及海生物的清理试验，通过试验发现，高压水射流能够很好的清除船体以及供水管道上的污垢和海生物，并且不会损伤船体和管道表面。
随后设计研发出了一套用于船舶海水管线内壁污垢和海生物清理的高压水射流清洗设备，该设备可以利用水射流产生的反作用力驱动蠕动喷嘴实现其在清理过程中同步向前推进，具有清理效率高、节能环保等优点，如图1-17、1-18所示分别为该清理系统的结构示意图和蠕动喷头。
如图 1-19 所示为天津福禄公司研发的用于大直径管道清洗的高压水射流平 面旋转喷头，图 1-20 所示为该公司研发的旋管器，这些产品都可以与高压水射 流清洗机配套使用，促进了我国高压水射流清洗设备多样化的发展。
合肥通用机械研究院长期以来一直专注于高压水射流技术的探索，在我国拥有领先地位，其研发的高压水射流混凝土破碎机、机场跑道清洗车等设备已经产品化，广泛的被应用于生产实践中。
如图1-21所示为该研究院研发的用于机场跑道除胶的高压水射流清洗装置，该装置也是车载式的，所用的卡车经过特殊改装，能以10m/min左右的速度匀速前进以配合清洗装置作业，卡车上安装的蓄水箱可供清理装置连续作业一小时，该清洗装置的单次清洗宽度可达2m，可以高效的完成飞机跑道除胶、停机坪油污清洗等工作。
我国目前的高压水射流技术发展已经相当迅速，很多企业可以对一些陆上作业使用的高压水射流设备进行独立生产制造，并且在工程实际中得到了广泛的应用。但是由于水下作业的特殊性，我国在海生物清理等海洋工程中高压水射流的使用率比较低，能独立生产高性能水下高压水射流设备的企业更是寥寥无几，而随着海洋资源开发力度的不断加大，对水下高压水射流设备的需求量越来越大，所以研究高效、自动化的水下高压水射流设备对于促进我国海洋工程的发展意义重大。
