段成紅，陳曉奎，羅翔鵬

激光清洗在石化領(lǐng)域的應(yīng)用前景淺析

段成紅，陳曉奎，羅翔鵬*

北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029

激光清洗是利用激光高能量特點去除基體表面附著物的表面工程技術(shù)，逐漸在微電子、模具、建筑和航空航天等領(lǐng)域示范應(yīng)用。石化作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，卻鮮有激光清洗技術(shù)應(yīng)用的報道。本文介紹了石化領(lǐng)域清洗需求和技術(shù)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)不能完全滿足石化行業(yè)發(fā)展新要求，綜述了近年來國內(nèi)外激光清洗技術(shù)的發(fā)展，其為激光清洗在石化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和思路參考，分析了激光清洗技術(shù)在石化領(lǐng)域的應(yīng)用場合，并淺析了具體的研究方向及應(yīng)用前景。

激光清洗技術(shù)；石化領(lǐng)域；應(yīng)用場合

1 引 言

激光清洗是通過光學(xué)系統(tǒng)得到高能量激光束，以振動、燒蝕等作用去除基體表面附著物的表面處理技術(shù)，原理如圖1所示。激光清洗有很多優(yōu)點，例如：激光具有高能特性，能夠有效清除微米級與納米級顆粒[1]；激光清洗無機械接觸，不會對清洗對象造成意外的機械損傷，也不存在磨損問題；激光清洗不需要化學(xué)溶劑，省去了廢液處理步驟，同時避免對設(shè)備造成不必要的化學(xué)腐蝕，也無需清洗后的干燥操作[2]；激光清洗的廢料主要是固體碎屑、粉末，體積小易處理，對環(huán)境和人類危害??；相對于超聲波清洗其噪聲更低；激光清洗可進行選擇性清洗；采用光纖激光器可實現(xiàn)遠距離操作；激光清洗操作方式多樣，可手工操作，也易于自動化控制。

圖1 激光清洗原理示意圖

由于具有上述優(yōu)點，激光清洗在很多生產(chǎn)領(lǐng)域迅速得到應(yīng)用，例如模具內(nèi)花紋除膠[3]、古建筑與石質(zhì)文物除塵垢[4-5]、船舶板材表面除銹[6-7]、飛機金屬蒙皮和復(fù)合材料部件除漆[8]、高鐵表面除漆[9]等。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，石化領(lǐng)域現(xiàn)用清洗技術(shù)存在一定的不足[10-13]，難以滿足我國日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)要求，探索激光清洗技術(shù)在石化的應(yīng)用，為傳統(tǒng)清洗技術(shù)替換升級作技術(shù)儲備是必要的，且前景十分廣闊。

2 石化清洗需求及清洗現(xiàn)狀

2.1 清洗需求

2.1.1 污垢清洗

石化企業(yè)擁有數(shù)量龐大的化工設(shè)備，這些設(shè)備往往是露天集中安置，承受高溫或低溫工況，內(nèi)部有腐蝕性或黏性生產(chǎn)原料。與其他行業(yè)相比，石化設(shè)備的這種工作環(huán)境使其更易在與大氣、粉塵、工作介質(zhì)和油類等接觸過程中，在內(nèi)外壁沉積生成一層對運行、產(chǎn)品或人體有害的覆蓋層，稱為工業(yè)污垢。

石化設(shè)備常見污垢主要有五種，即大氣塵垢、水垢、化學(xué)反應(yīng)生成的污垢、腐蝕產(chǎn)物生成的污垢和生物污垢[11]。大氣塵垢中油污較多時會影響傳熱。水垢最為常見，介質(zhì)為水或汽的設(shè)備都會結(jié)水垢，分布量大且面廣?；瘜W(xué)反應(yīng)生成的污垢比較牢固，若壁溫過高，還會導(dǎo)致結(jié)焦。腐蝕產(chǎn)物生成的污垢不僅增加熱阻，污染產(chǎn)品，還會增加表面粗糙度，進一步加劇污垢沉積。如石化管殼式換熱器管板、折流板等處腐蝕性污垢容易積聚，垢下腐蝕連續(xù)進行從而導(dǎo)致泄漏等問題，此類污垢需要及時清除。介質(zhì)里的微生物在設(shè)備和管道內(nèi)會生成生物污垢，且會擴散。

設(shè)備形成的這些污垢一方面會導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，耗費更多的原料、水和能源，降低產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時被迫停產(chǎn)；另一方面會導(dǎo)致部件性能降低，使用壽命縮短，更易出現(xiàn)各種各樣的安全事故，造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。為保證化工設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，在開工前或者運行一段時間后，需對設(shè)備整體或部分進行清洗。

2.1.2 停工維修前清洗

現(xiàn)代石化行業(yè)工序長，工藝更加復(fù)雜，裝備服役過程中一些關(guān)鍵零部件，如攪拌釜的轉(zhuǎn)軸和葉片、塔的塔板和接管等往往會由于磨損、腐蝕、疲勞和事故等原因失效，從而影響設(shè)備正常運行。嚴(yán)重時可能導(dǎo)致腐蝕性物質(zhì)、有毒氣體泄漏，以及火災(zāi)等發(fā)生。為保證安全生產(chǎn)和減少不必要的經(jīng)濟損失，在生產(chǎn)過程中加強設(shè)備的檢查與維護是必要的。

一方面，化工廠通過中控室監(jiān)測設(shè)備實時狀態(tài)與現(xiàn)場巡邏結(jié)合來及時發(fā)現(xiàn)和處理問題；另一方面，化工廠每幾年進行一次停車檢修。根據(jù)裝置規(guī)模大小，檢修時間長短不一，但最少需要兩三周時間。現(xiàn)在由于防護技術(shù)及管理水平的提高，設(shè)備和管道可以三到五年一修。

設(shè)備停工檢修時，需要進行檢測的區(qū)域，尤其是受到腐蝕或應(yīng)力集中、容易產(chǎn)生裂紋、穿孔等缺陷的區(qū)域，必須使用清洗技術(shù)將表面的漆層和垢層去除干凈，露出基材的材料本體。清洗時要求不損傷基材并不擴大缺陷，然后使用無損檢測技術(shù)進行檢查。對于部分缺陷可采用人工修補，比如裂紋，先制坡口并清理污垢，后用原始母材或相應(yīng)合金材料進行堆焊、熔覆并退火消除焊接應(yīng)力，再進行加工、測試等；也可以采用更先進的激光增材制造技術(shù)進行修復(fù)。不管采用何種修復(fù)手段，必須首先對問題區(qū)域進行清洗。

為進一步縮短維修周期、減少停工時間、降低成本，石化行業(yè)停工維修前需要一種比目前傳統(tǒng)方法更便捷高效、綠色環(huán)保和安全可靠的清洗技術(shù)。

2.2 清洗技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外石化設(shè)備的清洗技術(shù)主要分為化學(xué)清洗、物理清洗以及環(huán)保型的微生物清洗技術(shù)。

化學(xué)清洗采用化學(xué)試劑及其水溶液去除物體表面污垢，圖2(a)[12]為工人正在制備化學(xué)清洗溶液。如要清洗設(shè)備的某些零件，需將零件拆除浸泡在化學(xué)試劑中，或在現(xiàn)場對零件涂抹化學(xué)試劑。酸、堿、中性等化學(xué)試劑雖然有效，但是會產(chǎn)生廢液、廢水，環(huán)境污染大；排放前通常需對廢液、廢水進行處理，包括化學(xué)處理，增加成本且易產(chǎn)生二次污染。

物理清洗最早是捅、刷、磨、鏟等，其勞動強度大，效率和質(zhì)量取決于工人熟練程度，一般較低，而且難以處理人不易到達的地方。隨著技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，PIG清洗技術(shù)和射流清洗技術(shù)(如噴砂清洗、噴丸清洗、干冰清洗、高壓水射流清洗等)先后出現(xiàn)。前者只適用于管道和設(shè)備內(nèi)部清洗，后者可能對清洗對象造成意外機械損傷和磨損，導(dǎo)致設(shè)備失效。另外這些清洗設(shè)備大多需要存裝清洗劑，不易攜帶和移動，對于位置較高的化工設(shè)備無法直接清洗，往往要將化工設(shè)備拆卸到地面。圖2(b)為PIG清洗技術(shù)，圖2(c)為噴砂清洗，圖2(d)為高壓水射流清洗。此外，還有超聲波清洗技術(shù)，產(chǎn)生的噪聲污染對人體健康有害，清洗后還需干燥等工序。

微生物清洗只適用于特定污垢，受垢型限制其市場份額很小。

我國各類清洗方法所占市場份額如表1所示，可見約70%的市場份額為化學(xué)清洗[13]。現(xiàn)代石化領(lǐng)域?qū)η逑醇夹g(shù)的要求日益提高，要盡可能降低清洗成本、提高清洗效率和質(zhì)量、對環(huán)境友好，顯然化學(xué)清洗技術(shù)和傳統(tǒng)的物理清洗技術(shù)不能完全滿足這些新要求。

石化設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往需要控制清洗區(qū)域，而不同區(qū)域?qū)η逑葱屎唾|(zhì)量要求不同。比如容器筒體連續(xù)區(qū)較難出現(xiàn)缺陷且對表面質(zhì)量要求不高，可選擇快速清洗。對于可能出現(xiàn)缺陷的連接處、焊縫等，要求清洗過程不能擴大缺陷。這需要降低清洗速度，提高清洗質(zhì)量。此時可采用分層剝離清洗的方法，盡量在不損傷基體的前提下完成清洗。然而，不管是化學(xué)清洗還是傳統(tǒng)物理清洗，均不能精確控制清洗區(qū)域和質(zhì)量。

清洗技術(shù)對保證石化設(shè)備安全、正常、高效運轉(zhuǎn)具有重要的現(xiàn)實意義，然而現(xiàn)用清洗技術(shù)并不能完全滿足石化行業(yè)需求。并且近年來，日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)給傳統(tǒng)清洗技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)，因此需要探索和引進新的綠色清洗技術(shù)，如激光清洗技術(shù)。

圖2 (a) 化學(xué)清洗；(b) PIG清洗；(c) 噴砂清洗；(d) 高壓水射流清洗[12]

表1 國內(nèi)各清洗方法所占市場份額[13]

與石化領(lǐng)域傳統(tǒng)清洗技術(shù)對比，激光清洗技術(shù)擁有以下幾個特點：

1) 不需要或僅需少量溶液輔助；

2) 可清洗的附著物和基材種類多；

3) 可有效清除表面附著物而基材損傷?。?/p>

4) 可控制清洗區(qū)域和質(zhì)量；

5) 可制成便攜式，移動性好；

6) 易實現(xiàn)自動化操作；

7) 設(shè)備壽命長，運行僅耗電力，總體成本低。

目前激光清洗技術(shù)在石化領(lǐng)域的應(yīng)用少有報道，作為一項新技術(shù)，在石化領(lǐng)域應(yīng)用還需要開展工藝方法、安全評價、設(shè)備研發(fā)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究。

3 激光清洗技術(shù)

3.1 概念及分類

1916年，物理學(xué)家愛因斯坦提出受激輻射理論，為激光誕生奠定了物理學(xué)基礎(chǔ)。1960年，梅曼制作出世界上第一臺紅寶石激光器[14]，激光由此誕生。激光一經(jīng)問世，其應(yīng)用就飛速發(fā)展，有激光切割、激光焊接、激光打標(biāo)、激光雕刻等。1969年，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的Bedair和Smith率先提出激光清洗的概念[15]。

激光清洗是利用激光與物質(zhì)相互作用去除基體表面附著物的綠色無損表面清洗技術(shù)。激光清洗質(zhì)量和效率受眾多參數(shù)的相互影響。當(dāng)其他參數(shù)相同時，峰值功率越高，峰值功率密度越高，越容易達到附著物被清洗的閾值功率密度，實現(xiàn)需求的清洗效果。平均功率等于單脈沖能量乘以脈沖頻率，是影響清洗效率的重要參數(shù)。當(dāng)其他參數(shù)相同時，平均功率越高，激光清洗效率越高。

激光清洗過程中的作用對象有四種，即：

1) 附著物

激光使附著物受熱膨脹，膨脹力大于附著物和基體間吸引力時附著物脫落；或者激光直接使附著物蒸發(fā)、氣化、分解、燒蝕或燃燒。如美國加州大學(xué)的Barone等人用激光燒蝕清洗了青銅表面腐蝕氯化物孔洞[16]。

2) 附著物層內(nèi)氣體

激光使附著物層內(nèi)的環(huán)境氣體等離子體化，對附著物產(chǎn)生沖擊作用使其剝離。如中國工程物理研究院的葉亞云等人利用這種方法去除了鍍金K9玻璃表面直徑15 nm的SiO2微粒[17]。

3) 基體

激光使基體產(chǎn)生熱彈性波，使附著物破碎脫落。

4) 預(yù)覆液膜

激光作用于預(yù)涂覆的液膜，使液膜發(fā)生爆炸沸騰，能量傳遞給表面附著物，使其粉碎脫離。南開大學(xué)的宋峰等人關(guān)于液膜輔助激光清洗分別對基底強吸收、基底與液膜共同吸收、液膜強吸收的3種情況給予分析討論，揭示了其中的機理[18]。

激光清洗時不同作用對象的示意圖見圖3。前三種稱之為“干式”清洗，在工業(yè)中應(yīng)用最多，對于油漆、橡膠等多種常見附著物，選用合適的激光器和工藝參數(shù)即可有效去除。第四種稱之為“濕式”清洗，液膜起輔助作用，用于去除一些較難清除的附著物。該方法雖然會產(chǎn)生廢液，但是和傳統(tǒng)化學(xué)清洗方法相比，其產(chǎn)生的廢液數(shù)量很少，危害性更小。對于石化行業(yè)的易燃、有腐蝕性或有毒污垢，為避免激光清洗時造成污染物燃燒或擴散，可采用“濕式”清洗，即選用合適的液膜阻燃或者吸收污染物，根據(jù)需求還可從廢液中提取有用成分，節(jié)約原料。也可采用高功率、高重復(fù)頻率的脈沖激光進行“干式”清洗，使部分光束轉(zhuǎn)換成聲波。反射聲波和入射聲波相互干涉產(chǎn)生高能波，小范圍內(nèi)爆炸沖擊將污垢層化成粉末，用吸塵裝置清除，避免污染物擴散。

圖3 激光清洗不同作用對象示意圖。(a) 附著物；(b) 附著物層內(nèi)氣體；(c) 基體；(d) 預(yù)覆液膜

3.2 發(fā)展概況

激光清洗概念提出于20世紀(jì)60年代末期，但直到20世紀(jì)90年代初期才真正在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的研究與發(fā)展，激光清洗已成為能夠清洗大量不同基材和附著物的可靠技術(shù)[19]?？汕逑吹幕念愋陀秀~、鐵、鋼、鈦、鋁、復(fù)合材料、硅、玻璃、石材和紙等，附著物類型有涂層、橡膠、硫化物、氧化物、微粒、泥垢、油污、油漆、水垢、鐵銹和霉菌等等，基本滿足石化領(lǐng)域的清洗需求。目前，激光清洗在工業(yè)上的應(yīng)用覆蓋微電子、建筑、模具、汽車、高鐵、文物、核電、船舶、航空航天等領(lǐng)域，而石化領(lǐng)域亟待開發(fā)。

近年來，國外研發(fā)出了更高功率的激光器，激光清洗設(shè)備體系更加完備，研究范圍不斷擴大，層次不斷深入，研究方向主要為工藝優(yōu)化、質(zhì)量監(jiān)測與表征以及探索最新應(yīng)用上。國內(nèi)雖然起步晚，但是院校、企業(yè)和研究院所已經(jīng)做了大量基礎(chǔ)工藝、機理研究和設(shè)備研發(fā)等工作。受環(huán)保需求和政策驅(qū)動，國內(nèi)激光清洗呈集群產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，核心部件如高功率激光器國產(chǎn)化還有較長路要走。國內(nèi)外研究人員在機理研究、實驗驗證、工藝優(yōu)化和實際應(yīng)用等方面的工作為激光清洗在石化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實踐參考。

3.2.1 國外進展

國外激光清洗技術(shù)起步早，誕生了如德國CleanLASER、美國IPG和意大利EL.EN.S.p.A等專業(yè)提供激光清洗設(shè)備和服務(wù)的大型企業(yè)。CleanLASER公司提供背包式低功率清洗機及大型高功率清洗系統(tǒng)或工作站。目前公司主要開發(fā)方向是可在線清洗塑膠擠出和橡膠硫化模具的設(shè)備。光纖激光器領(lǐng)導(dǎo)者IPG專業(yè)研發(fā)用于激光清洗的光纖激光器，針對汽車行業(yè)的白車身研發(fā)的高功率脈沖激光器能夠成功清除鋁-硅涂層而不影響焊縫力學(xué)特性。2015年，IPG使用6 kW連續(xù)光纖激光器實現(xiàn)了對美國空軍F-16和C-130的全機身除漆。EL.EN.S.p.A公司專業(yè)研制文物用激光清洗機，清洗機結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序優(yōu)化保證清洗的精密度和準(zhǔn)確度，可清洗珍貴的壁畫、鍍金文物和雕塑等。

近年來，在前人工藝和機理研究基礎(chǔ)上，國外關(guān)于激光清洗的研究集中在工藝優(yōu)化、質(zhì)量監(jiān)測與表征和探索新應(yīng)用上。如西班牙Mateo等人使用激光清洗黃銅樣品上帶有污染物和顏料的漆層。保證清洗效果的前提下降低了每個脈沖所需能量和激光發(fā)射量。用光學(xué)顯微鏡和傅里葉變換紅外光譜儀對清洗前后的樣品進行檢測，如圖4所示，結(jié)果顯示樣品表面樣貌完整，漆層完全消除[20]。其通過監(jiān)控等離子體發(fā)射信號判斷清洗進程，從而精細(xì)調(diào)控清洗工藝參數(shù)。但該方法成本較高，工業(yè)應(yīng)用存在效益問題。

意大利Striova等人用激光和傳統(tǒng)化學(xué)清洗方法從壁畫底材上去除自然老化和人工老化的蟲膠漆，并用光學(xué)工具評估清洗過程。比如顯微輪廓儀評估表面形貌變化以及光學(xué)相干層析儀評估清漆厚度，還考慮了反射模式下的傅里葉變換紅外光譜和比色測量提供的分子表征。這種全面的分析方法可保證清洗過程可控性和安全性[21]。意大利Senesi等人用激光去除風(fēng)化石灰?guī)r古跡中的黑色結(jié)殼。首次引入微計算機斷層掃描(μ-CT)和微X射線熒光光譜(μ-XRF)技術(shù)評估兩個具有相似化學(xué)成分的樣品。結(jié)果顯示，在一個樣品中，硫酸鈣在黑殼去除后仍有部分殘留；而另一個樣品中，硫酸鈣層由于結(jié)構(gòu)更緊湊、黑殼幾乎完全燒蝕。在這兩種情況下，激光清洗均未導(dǎo)致原始石材的結(jié)構(gòu)改變或機械損傷[22]。葡萄牙Gemeda等人通過實驗室試驗評估使用激光技術(shù)從巖石基質(zhì)中去除生物性斑塊的可行性，結(jié)果表明激光清洗可應(yīng)用于多礦物巖型，而紫外光照射可成功去除菌落。對于高孔隙率石頭還需進一步研究優(yōu)化激光工藝[23]。

圖4 激光清洗試樣顯微照片及紅外光譜圖。(a) 清洗后顯微照片；(b) 清洗前后紅外光譜[20]

意大利Genna等人研究了激光清洗預(yù)處理對碳纖維增強基復(fù)合材料(CFRP)與聚碳酸酯板(PC)連接性能的影響。首先采用30 W調(diào)Q的Yb: YAG光纖激光器清洗CFRP材料表面，然后采用200 W連續(xù)激光器連接CFRP和PC板。對比未預(yù)處理試樣，預(yù)處理可顯著提高連接強度，最佳工藝可提高兩倍以上強度[24]。意大利Maffini等人對由氧化鎢化合物污染的托卡馬克第一鏡進行了激光清洗實驗研究。分析了不同激光波長對清洗過程的影響，以及多重污染/清洗循環(huán)對清洗結(jié)果的影響。從鏡面反射率恢復(fù)和鏡面完整性方面評價了清洗效果。結(jié)果表明，激光清洗是清洗第一鏡非常有潛力的手段[25]。西班牙Palomar等人使用1064 nm、532 nm和266 nm的激光清洗受污銀件，清洗效果通過重量法、比色法、掃描電子顯微鏡、X射線光電子能譜和顯微拉曼光譜進行表征。根據(jù)結(jié)果，532 nm激光最適合清洗純銀制品，但是三種波長激光均不推薦用于清洗純銀歷史文物[26]。

3.2.2 國內(nèi)進展

國內(nèi)關(guān)于激光清洗的研究和設(shè)備開發(fā)起步較晚，整體水平與國外差距較大[27]，尤其是高功率的激光清洗設(shè)備和方案。近年來，部分高校、企業(yè)和研究院所逐漸開展了激光清洗在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并開發(fā)了激光清洗設(shè)備，實際應(yīng)用案例不斷增多。如華中科技大學(xué)自主研發(fā)了平均功率250 W的脈沖式Y(jié)AG激光清洗設(shè)備，用于清洗輪胎模具[3]。江蘇國源激光智能裝備有限公司研發(fā)了平均功率100 W、200 W、500 W和1000 W的光纖激光清洗機，并做了金屬模具、車輪車架等對象的清洗實驗，結(jié)果顯示清洗效果很好，基體未損傷，激光清洗機及清洗案例如圖5所示。

近年來，國內(nèi)激光清洗研究主要集中在工藝和機理探索，按照研究對象來看，研究主要集中在激光除漆、激光除銹和激光清洗文物等方面。除漆、除銹、除煙熏物和除氧化膜等在石化領(lǐng)域是比較常見的清洗需求，前人研究成果可為激光清洗技術(shù)引入石化領(lǐng)域提供參考。

1) 激光除漆

四川大學(xué)的鮮輝等人用電磁場理論描述了激光在油漆層中傳輸過程，然后利用激光器清洗兩種不同顏色的油漆，結(jié)果驗證了理論分析的正確性[28]。四川大學(xué)的劉彩飛等人用有限元法模擬不銹鋼激光除漆過程的溫度場。結(jié)果顯示，溫度場呈帶尾彗星狀，激光能流密度和重復(fù)率越大，掃描速率越小，溫度累積效應(yīng)越明顯，激光除漆效率越高[29]。四川大學(xué)的陳康喜等人根據(jù)激光除漆時的發(fā)射光譜及元素成分變化研究激光除漆機理。油漆中碳含量明顯降低說明發(fā)生的是燒蝕，激光能量越高則油漆燒蝕越劇烈[30]。四川大學(xué)的陳林等人基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)測量激光除漆過程等離子體的發(fā)光光譜。結(jié)果表明，在清洗即將結(jié)束時等離子體電子密度和溫度呈下降趨勢，結(jié)束時Ti元素信號強度呈現(xiàn)跳躍減少，該現(xiàn)象可用于判斷除漆進程[31]。

圖5 (a) 200 W激光清洗機；(b) 激光清洗輪轂；(c) 激光清洗模具

南開大學(xué)的宋峰等人計算了短脈沖激光清洗油漆過程中的熱應(yīng)力和粘附力，對比得到清洗條件，建立了一維短脈沖激光除漆模型[32]。南開大學(xué)的田彬等人詳細(xì)分析了激光波長、激光能量、脈沖寬度、材料性質(zhì)等工藝參數(shù)對除漆閾值和除漆效率等的影響，并歸納了激光除漆的特點、原理和應(yīng)用[33]。

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的胡太友等人研究激光除漆對Ti17合金表面組織性能的影響，觀察除漆后基材表面三維形貌圖，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)大量凹坑和褶皺硬化層，表面顯微硬度提高[34]，但顯微硬度提升較小，工程應(yīng)用價值較低，且其試驗激光功率較小，不超過20 W，后續(xù)需作進一步探討。華中科技大學(xué)的郭為席等人運用數(shù)碼照片分析程序計算激光清洗油漆的清潔率，找出其完全清洗閾值和損傷閾值[35]。長春理工大學(xué)的李帥等人研制了高功率光纖調(diào)Q脈沖激光器及剝離實驗系統(tǒng)，對高鐵車廂表面清漆層剝離效率可達到1 m2/h[9]。華中理工大學(xué)的王澤敏利用脈沖激光清洗3種顏色漆層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光能量密度改變時，清洗過程存在4種閾值，最終能夠完全清除表面油漆而不損傷基體[36]。

2) 激光除銹

上海交通大學(xué)的解宇飛等人針對造船業(yè)清洗要求，提出采用單線掃描溝槽輪廓特征的方法確定激光除銹工藝。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)該方法確定的工藝能夠達到船板涂裝清潔度標(biāo)準(zhǔn)及表面粗糙度要求[6]。南開大學(xué)的王歡等人用聲光調(diào)激光器進行除銹實驗，并建立ANSYS激光除銹三層模型，模擬和實驗得到最佳的激光能量密度及清洗機理[37]。裝甲兵工程學(xué)院的喬玉林等人用高重頻高能量的激光清洗碳鋼表面銹蝕，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光能將表面完全清洗干凈，而且不會使表面發(fā)生氧化反應(yīng)[38]。軍械技術(shù)研究院的宋佳飛等人用20 W光纖激光器對彈藥進行除銹除漆試驗，證明了激光清洗技術(shù)應(yīng)用于彈藥清洗維護是可行的，但需調(diào)控工藝參數(shù)保證表面處理質(zhì)量和作業(yè)效率[39]。長春理工大學(xué)的王曼曼等人對比了激光清洗與傳統(tǒng)清洗方式的區(qū)別，并用自研的手持式激光清洗機對金屬表面進行清洗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)清洗時采用慢速和快速掃描組合的方式效果最好。過高的激光掃描頻率會使基材氧化，過低則清洗不干凈[40]。

3) 激光清洗文物

中國地質(zhì)大學(xué)的齊揚等人分別采用激光“干式”和“濕式”方法清洗山西大同云岡石窟砂巖遺址，砂巖表面存在墨跡、煙熏黑垢、漆層和石灰，實驗確定其損傷閾值和清洗閾值，然后對西43窟墨跡和煙熏現(xiàn)場實施了安全有效的清洗[41]。此外，該團隊到四川綿陽碧水寺進行清洗實驗，現(xiàn)場效果如圖7所示，可見激光能夠有效清除建筑表面煙熏污染物[5]，但未考慮清洗效率，而效率作為實際應(yīng)用的重要參數(shù)，需作進一步研究。

圖6 不同激光功率除漆后基材表面三維形貌圖。(a) 10 W；(b) 15 W；(c) 20 W[34]

圖7 煙熏污染物激光清洗前(a)和部分清洗后(b)照片[5]

北京大學(xué)周雙林等[42]采用適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)清洗鎏金造像，清洗后造像輪廓清晰并恢復(fù)鎏金光澤。上海博物館張力程等[43]使用激光垂直照射液膜法清洗漢代彩繪陶俑表面的黑斑，部分區(qū)域清洗效果較好，部分區(qū)域需要其他清洗方法來達到最佳的清洗效果。

4) 激光清洗其他相關(guān)研究

西安航天復(fù)合材料研究所的韓紅敏等人采用短脈沖激光處理鋁合金表面，合適的峰值功率、清洗速度和清洗次數(shù)可使鋁合金表面生成更加致密的氧化膜，抗氧化性提升，并且工件有效粘接面積增加，粘接可靠性提升[44]。蘇州熱工研究院有限公司的陳國星等人用不同激光功率(300 W、400 W、500 W)清洗不銹鋼表面氧化層，借助能譜儀和掃描電子顯微鏡檢測樣品清洗前后表面成分分布及形貌，白光干涉儀檢測粗糙度變化及清洗厚度，最終確定400 W時清洗效果最佳，部分檢測結(jié)果如圖8所示[45]。但文中未對400 W功率時的工藝參數(shù)，如掃描速度、離焦量等進行深入研究，以達到最佳的工藝效果。

大連理工大學(xué)的劉偉嵬等人用Nd: YAG固體脈沖激光器清洗磷酸鐵鋰電池正極，實現(xiàn)廢舊電池電極片的再制造，并通過熱傳導(dǎo)模型獲得清洗過程的溫度分布函數(shù)，確定最佳脈沖激光能量密度為0.142 J/mm2[46]。南京航空航天大學(xué)的占小紅等人用50 kHz的紅外脈沖激光清洗碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，改變激光功率和掃描速度，觀察表面形貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)功率合適時可完全清除表層樹脂和污染物而不損傷碳纖維[47]。華中科技大學(xué)的張自豪等人使用自主研發(fā)的250 W脈沖式激光清洗機清洗輪胎模具，得到清洗閾值約為250 mJ/mm2，更高的激光峰值功率與平均功率有助于提升清洗速度和質(zhì)量[3]。

綜上所述，目前國內(nèi)外院校、企業(yè)和研究院所研發(fā)激光清洗設(shè)備的技術(shù)日益提高，有能力針對石化需求研發(fā)專用設(shè)備。其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用是激光清洗技術(shù)安全引入石化領(lǐng)域的有力保障。研究人員的工藝和機理探索工作證明激光清洗技術(shù)對于多種領(lǐng)域不同的基體和附著物是安全有效的，其效率和質(zhì)量可通過工藝優(yōu)化提高；質(zhì)量監(jiān)測與表征研究工作改善了激光清洗的過程調(diào)控。激光清洗技術(shù)引入石化領(lǐng)域已經(jīng)有了大量可以借鑒的研究基礎(chǔ)。

圖8 400 W激光清洗后304不銹鋼試件表面成分(a)及三維形貌(b)[45]

4 激光清洗在石化領(lǐng)域的應(yīng)用前景

為解決目前石化在役設(shè)備清洗時停工時間長、成本高、環(huán)保差、不易選區(qū)清洗、可能二次受損和對于位置較高的設(shè)備不易直接清洗等問題，需要前沿性探索更加便捷高效、綠色環(huán)保、安全可靠的激光清洗技術(shù)在石化在役設(shè)備上的應(yīng)用，新技術(shù)引進需求迫切。

4.1 應(yīng)用場景

激光清洗在石化領(lǐng)域可以應(yīng)用的設(shè)備非常多，如換熱器、罐、釜、塔、儲槽、管道、壓縮機和離心機等。本文選擇兩種石化領(lǐng)域應(yīng)用較多的設(shè)備，對比傳統(tǒng)清洗方法展示激光清洗的優(yōu)越性和適用性。

4.1.1 板式換熱器

板式換熱器是一種由花紋狀換熱板依次重疊在框架上，壓緊而成的換熱器，如圖9(a)所示[12]。其傳熱效率高，體積相對緊湊，大量應(yīng)用于石油、化工、冶金、紡織等行業(yè)[48]。當(dāng)板式換熱器內(nèi)部結(jié)垢增多時，其傳熱效率下降，壓降超標(biāo)，影響系統(tǒng)正常運行，所以需要定期清洗。

板式換熱器常見污垢有水垢、黏泥、結(jié)焦和腐蝕產(chǎn)物。對于不易拆卸的板式換熱器，常用化學(xué)清洗劑反向反復(fù)沖洗，但是效果不太理想?？蚣苁桨迨綋Q熱器拆卸簡單，大多采用機械法和化學(xué)法結(jié)合的方式進行清洗。具體流程是首先進行拆解，將板片從設(shè)備上取下。然后進入清洗階段，板片分解后用高壓水槍順著紋理反復(fù)沖刷，去除表面泥土、渣粒等異物，過程中可配合軟刷使用，如圖9(b)所示[12]。結(jié)垢較多的板片需要放入脫脂槽、清洗槽浸泡，去除表面油脂、水銹等異物。板片清洗完成后檢查清洗效果、缺陷等，干燥后裝回?fù)Q熱器。

傳統(tǒng)清洗方式會產(chǎn)生廢液、廢水，不符合我國對工業(yè)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。清洗完成后板片的干燥也費時費力。本團隊使用手持式激光清洗機清洗換熱板，如圖9(c)所示，可見較厚垢層被完全去除，后續(xù)可直接組裝，簡單方便。

4.1.2 汽包罐

汽包是指極限壓力下水汽融合形成的分子集合。汽包罐是能夠承受汽包壓力的一種容器，是鍋爐中最重要、最笨重且價格昂貴的部件，而鍋爐是石化行業(yè)常用加熱、加壓設(shè)備。汽包罐的壓力和壁溫變化會產(chǎn)生疲勞效應(yīng)和熱應(yīng)力，設(shè)備可靠性要求高[49]，因此石化企業(yè)會定期對汽包罐進行清洗和檢查維護。

汽包罐常見污垢有油污、鐵銹及水垢，常見缺陷有鍋筒焊縫、集箱、接管等部位存在的裂紋、氣孔等。汽包罐筒體上有上升管、下降管等諸多接管，內(nèi)部分汽空間和水空間兩部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要清洗維護的區(qū)域多卻不易清洗。化工領(lǐng)域現(xiàn)在常用的清洗方法是將位置較高的汽包拆卸到地面進行清洗和檢查維護，由人工采用軟化水清洗或刷子清掃。圖10(a)是在拆卸鍋爐汽包罐，圖10(b)是工人在對汽包清洗維護[12]。

汽包罐清洗需求明確，然而現(xiàn)用清洗方式費時費力，勞動強度大，不易控制清洗力度和區(qū)域，清洗過程可能導(dǎo)致缺陷擴大。激光清洗可以在不損傷基體的前提下選區(qū)精確去除油污、鐵銹、水垢等污染物，并且可制作成便攜式設(shè)備，由工人帶到高空作業(yè)，減少設(shè)備拆卸時間，節(jié)約人工等成本。圖10(c)為本團隊采用200 W手持式激光清洗機對焊縫區(qū)清洗的情況，清洗4次后可見亮白色的基底和焊接痕跡，清洗時未損傷基底及周邊區(qū)域。

圖9 (a) 板式換熱器[12]；(b) 高壓水清洗換熱板[12]；(c) 激光清洗換熱板

圖10 (a) 鍋爐汽包罐[12]；(b) 清洗維護[12]；(c) 激光清洗設(shè)備焊縫

4.2 難點分析

激光清洗技術(shù)在石化領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用存在以下難點：

1) 石化行業(yè)現(xiàn)場可能存在殘留的易燃易爆氣體、液體等，激光清洗石化在役設(shè)備時必須做好防護工作，在保證清洗過程人員和設(shè)備安全的前提下也要兼顧清洗效率和質(zhì)量。如何制定合適的工藝規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)和安全評價體系是應(yīng)用的關(guān)鍵難點；

2) 激光清洗的效率和質(zhì)量與激光能量密度、掃描速度、掃描間距、焦點精準(zhǔn)度及監(jiān)測反饋等諸多因素有關(guān)。各因素的影響規(guī)律如何，如何精準(zhǔn)調(diào)控單個影響因素，如何協(xié)調(diào)多因素共同作用，最終實現(xiàn)清理需求，尤其是超快或微損要求是應(yīng)用的另一個難點。

4.3 研究內(nèi)容

模具、建筑等行業(yè)的激光清洗技術(shù)經(jīng)驗可為石化應(yīng)用提供參考，但不能直接借用。石化行業(yè)與其他行業(yè)相比，污垢類型、安全系數(shù)、工況、效率等要求存在差異，必須進行針對性的工藝研究和設(shè)備研發(fā)。這些工作不僅需要人才和時間的投入，而且需要大量資金和設(shè)備支撐。具體研究工作可從以下幾個方面開展：

1) 對不同清洗層、不同區(qū)域制定相應(yīng)的激光清洗工藝指標(biāo)和安全防護標(biāo)準(zhǔn)；

2) 探究激光清洗參數(shù)對材料清洗效率與質(zhì)量影響規(guī)律；

3) 采用有限元法模擬激光清洗過程溫度場和應(yīng)力場，研究其清洗機理；

4) 研發(fā)設(shè)備并采用合適的激光清洗工藝參數(shù)及防護措施對在役設(shè)備進行激光清洗，形成經(jīng)驗證合格有效的石化在役設(shè)備用激光清洗工藝規(guī)程及安全評價體系；

5) 探討激光清洗在石化領(lǐng)域應(yīng)用的評價方法?；谝陨瞎ぷ?，評價可從以下幾個方面入手，即是否符合清洗工藝指標(biāo)和安全防護標(biāo)準(zhǔn)，工藝調(diào)控機制是否完善，清洗機理是否明確，設(shè)備是否可靠以及是否通過實踐驗證等；

6) 研究高功率快掃激光清洗工藝，分層剝離精細(xì)化激光清洗工藝，外壁、內(nèi)壁等不同場景激光清洗工藝；

7) 與傳統(tǒng)清洗工藝進行效率、成本和效果對比，形成復(fù)合清洗工藝。

4.4 市場前景及意義

激光清洗板式換熱器，可有效減少廢水、廢渣排放，省略干燥步驟，提高效率；激光清洗汽包罐可控制清洗力度和區(qū)域，保護設(shè)備。由此可見，激光清洗具有高效、精確、環(huán)保等優(yōu)點，是石化行業(yè)實現(xiàn)提質(zhì)增效，減排節(jié)能，由傳統(tǒng)清洗方式向新型清洗方式轉(zhuǎn)變的理想手段。

石化行業(yè)是我國經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，激光清洗技術(shù)的推廣應(yīng)用預(yù)計會帶來可觀的經(jīng)濟和社會效益。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2017年我國治理工業(yè)污染投資高達682億元。石化行業(yè)是工業(yè)污染的重要源頭之一，采用更環(huán)保的激光清洗技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)可減少三廢排放，有效節(jié)約企業(yè)和國家的污染治理投資，符合國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略要求。此外，化學(xué)清洗等對工人健康有害，即使提高待遇，依然很少人愿意從事該工作。激光清洗技術(shù)可為工人降低健康成本，為企業(yè)降低招工難度和用工成本。

根據(jù)中國清洗協(xié)會統(tǒng)計，目前中國工業(yè)清洗行業(yè)市場規(guī)模約為1500億元，激光清洗相比傳統(tǒng)清洗方法具有許多優(yōu)勢，有望逐漸增大市場份額。市場調(diào)研報告顯示，2018年全球激光清洗市場達5.89億美元，預(yù)計未來五年復(fù)合年增長率為4.22%，打開石化市場后年增長率有望進一步提高，推動激光清洗產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展。中國石化市場僅占全球石化市場的27%，如果激光清洗全球推廣，市場前景廣闊。

此外，石化設(shè)備經(jīng)過激光清洗后，如需后續(xù)處理，仍可選擇激光技術(shù)。例如，對于缺陷檢查，使用激光全息檢測技術(shù)；對于缺陷修復(fù)，使用激光增材制造技術(shù)，恢復(fù)其原始結(jié)構(gòu)，或者新增高性能材料，提高設(shè)備壽命；對于表面改性，使用激光沖擊強化和激光毛化技術(shù)，提高其服役性能。由此可見，激光清洗技術(shù)在石化在役設(shè)備的應(yīng)用對于激光全技術(shù)鏈條引入石化領(lǐng)域、推動石化行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

5 結(jié)論與展望

石化領(lǐng)域現(xiàn)用清洗技術(shù)存在不易選區(qū)清洗、可能二次受損等問題，不能很好滿足行業(yè)需求。近年來，日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)也給傳統(tǒng)清洗技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。便捷高效、綠色環(huán)保、安全可靠的激光清洗技術(shù)在石化應(yīng)用中有望解決當(dāng)前困境。激光清洗被評為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵓夹g(shù)，但目前激光清洗技術(shù)在石化領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報道，其在石化應(yīng)用還需要開展工藝方法、安全評價、設(shè)備研發(fā)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究?；谖覈褪澜绗F(xiàn)有研究成果和技術(shù)水平，未來針對石化領(lǐng)域進行激光清洗產(chǎn)業(yè)化推廣是切實可行的。

[1] Shi X K, Xu C Y, Wang J. Research on mechanism of laser-assisted cleaning micron contaminate particulates on substrate with supersmooth surface[J]., 2000, 11(10): 1138–1141.

史興寬, 徐傳義, 王健. 超光滑基底表面污染微粒的激光清洗技術(shù)[J]. 中國機械工程, 2000, 11(10): 1138–1141.

[2] Zhou G L, Wu J F, Chen J G,. Laser technology applied for moulding cleaning[J]., 2002, 28(9): 13–15.

周桂蓮, 吳俊飛, 陳建國, 等. 激光技術(shù)應(yīng)用于模具清洗[J]. 橡塑技術(shù)與裝備, 2002, 28(9): 13–15.

[3] Zhang Z H, Yu X C, Wang Y,. Experimental study about cleaning of tire molds with pulse YAG laser[J]., 2018, 42(1): 127–130.

張自豪, 余曉暢, 王英, 等. 脈沖YAG激光清洗輪胎模具的實驗研究[J]. 激光技術(shù), 2018, 42(1): 127–130.

[4] Zhang B J, Tie J H, Liu J W. Cleaning technique for ancient architecture and stone relics[J]., 2004, 20(5): 25–28.

張秉堅, 鐵景滬, 劉嘉瑋. 古建筑與石質(zhì)文物的清洗技術(shù)[J]. 清洗世界, 2004, 20(5): 25–28.

[5] Ye Y Y, Qi Y, Qin L,. Laser cleaning of contaminations on the surface of stone relics[J]., 2013, 40(9): 0903005.

葉亞云, 齊揚, 秦朗, 等. 激光清除石質(zhì)文物表面污染物[J]. 中國激光, 2013, 40(9): 0903005.

[6] Xie Y F, Liu H W, Hu Y X. Determining process parameters for laser derusting of ship steel plates[J]., 2016, 43(4): 0403008.

解宇飛, 劉洪偉, 胡永祥. 船舶板材激光除銹工藝參數(shù)確定方法研究[J]. 中國激光, 2016, 43(4): 0403008.

[7] Liu H W, Zhou Y M. Technology and application of optical fiber laser derusting of ship steel plates[J]., 2016(6): 87–93.

劉洪偉, 周毅鳴. 船用板材激光除銹應(yīng)用技術(shù)[J]. 造船技術(shù), 2016(6): 87–93.

[8] Jin S, Wang J X, Yuan X D,. Laser paint removal technology for aircraft metal skin and composite materials[J]., 2018, 61(17): 63–70.

靳森, 王靜軒, 袁曉東, 等. 飛機金屬蒙皮以及復(fù)合材料表面激光除漆技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2018, 61(17): 63–70.

[9] Li S, Li Y, Li P,. Study on the varnish stripping experiment based on the high power fiber laser[J]., 2017, 46(S1): S106008.

李帥, 李野, 李磐, 等. 基于高功率光纖激光器的清漆剝離實驗研究[J]. 紅外與激光工程, 2017, 46(S1): S106008.

[10] Wang Y F. Discussion on off-line cleaning of petrochemical equipment[J]., 2018, 34(8): 16–19.

王懿峰. 淺談石油化工設(shè)備的離線清洗[J]. 清洗世界, 2018, 34(8): 16–19.

[11] Jin Z W. Development of petrochemical equipment cleaning technology[J]., 2008, 45(4): 62–64.

靳兆文. 石化設(shè)備清洗技術(shù)進展[J]. 化工設(shè)備與管道, 2008, 45(4): 62–64.

[12] Baidu contributors. Baidu image[EB/OL]. (2020-03). https://image.baidu.com.

[13] Zhou Y W, Xu B C, Han F. Application status and developing trends of Chinese I & I cleaning technology[J]., 2010(1): 33–36.

周雅文, 徐寶財, 韓富. 中國工業(yè)清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國洗滌用品工業(yè), 2010(1): 33–36.

[14] Zhou B K, Gao Y Z, Chen T R,.[M]. 7th ed. Beijing: National Defense Industry Press, 2014.

周炳琨, 高以智, 陳倜嶸, 等. 激光原理[M]. 7版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2014.

[15] Bedair S M, Smith Jr H P. Atomically clean surfaces by pulsed laser bombardment[J]., 1969, 40(12): 4776–4781.

[16] Barone P, Stranges F, Barberio M,. Application of laser ablation to cleaning process of the corrosion chloride patina formed on bronze surfaces in air and marine water[J]., 2013, 3(3): 135–140.

[17] Ye Y Y, Yuan X D, Xiang X,. Clearance of SiO2particles on K9 glass surfaces by means of laser shockwave[J]., 2011, 35(2): 245–248.

葉亞云, 袁曉東, 向霞, 等. 激光沖擊波清洗K9玻璃表面SiO2顆粒的研究[J]. 激光技術(shù), 2011, 35(2): 245–248.

[18] Song F, Liu S J, Zou W F,. Steam laser cleaning[J]., 2005, 21(9): 27–29, 34.

宋峰, 劉淑靜, 鄒萬芳, 等. 蒸氣式激光清洗[J]. 清洗世界, 2005, 21(9): 27–29, 34.

[19] Lei Z L, Tian Z, Chen Y B. Laser cleaning technology in industrial fields[J]., 2018, 55(3): 030005.

雷正龍, 田澤, 陳彥賓. 工業(yè)領(lǐng)域的激光清洗技術(shù)[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2018, 55(3): 030005.

[20] Mateo M P, Ctvrtnickova T, Fernandez E,. Laser cleaning of varnishes and contaminants on brass[J]., 2009, 255(10): 5579–5583.

[21] Striova J, Salvadori B, Fontana R,. Optical and spectroscopic tools for evaluating Er:YAG laser removal of shellac varnish[J]., 2015, 60(S1): S91–S96.

[22] Senesi G S, Allegretta I, Porfido C,. Application of micro X-ray fluorescence and micro computed tomography to the study of laser cleaning efficiency on limestone monuments covered by black crusts[J]., 2018, 178: 419–425.

[23] Gemeda B T, Lahoz R, Caldeira A T,. Efficacy of laser cleaning in the removal of biological patina on the volcanic scoria of the rock-hewn churches of Lalibela, Ethiopia[J]., 2018, 77(2): 36.

[24] Genna S, Lambiase F, Leone C. Effect of laser cleaning in Laser Assisted Joining of CFRP and PC sheets[J]., 2018, 145: 206–214.

[25] Maffini A, Uccello A, Dellasega D,. Laser cleaning of diagnostic mirrors from tungsten–oxygen tokamak-like contaminants[J]., 2016, 56(8): 086008.

[26] Palomar T, Oujja M, Llorente I,. Evaluation of laser cleaning for the restoration of tarnished silver artifacts[J]., 2016, 387: 118–127.

[27] Shi S D. Researches on theoretical model, numerical simulation and application of painting removal by laser cleaning[D]. Tianjin: Nankai University, 2012.

施曙東. 脈沖激光除漆的理論模型、數(shù)值計算與應(yīng)用研究[D]. 天津: 南開大學(xué), 2012.

[28] Xian H, Feng G Y, Wang S P. Laser transmission model in paint and related experimental[J]., 2012, 49(5): 1036–1042.

鮮輝, 馮國英, 王紹朋. 激光透過油漆層的理論分析及相關(guān)實驗[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012, 49(5): 1036–1042.

[29] Liu C F, Feng G Y, Deng G L,. Temperature field analysis and experiment study about paint irradiated by moving laser based on FEM[J]., 2016, 40(2): 274–279.

劉彩飛, 馮國英, 鄧國亮, 等. 有限元法移動激光除漆的溫度場分析與實驗研究[J]. 激光技術(shù), 2016, 40(2): 274–279.

[30] Chen K X, Feng G Y, Deng G L,. Study on the mechanism of laser paint removal based on emission spectrum and composition analysis[J]., 2016, 36(9): 2956–2960.

陳康喜, 馮國英, 鄧國亮, 等. 基于發(fā)射光譜及成分分析的激光除漆機理研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2016, 36(9): 2956–2960.

[31] Chen L, Deng G L, Feng G Y,. Study on the mechanism of laser paint removal based on LIBS and time resolved characteristic signal[J]., 2018, 38(2): 367–371.

陳林, 鄧國亮, 馮國英, 等. 基于LIBS及時間分辨特征峰的激光除漆機理研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2018, 38(2): 367–371.

[32] Song F, Zou W F, Tian B,. Model of one-dimensional thermal stress applied in paint removal by Q-switched short pulse laser[J]., 2007, 34(11): 1577–1581.

宋峰, 鄒萬芳, 田彬, 等. 一維熱應(yīng)力模型在調(diào)Q短脈沖激光除漆中的應(yīng)用[J]. 中國激光, 2007, 34(11): 1577–1581.

[33] Tian B, Zou W F, He Z,. Paint removal experiment with pulsed Nd:YAG laser[J]., 2007, 23(10): 1–5.

田彬, 鄒萬芳, 何真, 等. 脈沖Nd:YAG激光除漆實驗[J]. 清洗世界, 2007, 23(10): 1–5.

[34] Hu T Y, Qiao H C, Lu Y,. Effects of laser De-painting on microstructure and properties of Ti17 alloy[J]., 2018, 47(3): 7–12.

胡太友, 喬紅超, 陸瑩, 等. 激光除漆對Ti17合金表面組織性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(3): 7–12.

[35] Guo W X, Hu Q W, Wang Z M,. Paint removal research on high power pulse TEA CO2laser[J]., 2006, 4(3): 32–35.

郭為席, 胡乾午, 王澤敏, 等. 高功率脈沖TEA CO2激光除漆的研究[J]. 光學(xué)與光電技術(shù), 2006, 4(3): 32–35.

[36] Wang Z M, Zeng X Y, Huang W L. Parameters and mechanisms of palntcoat laser cleaning[J]., 2000, 33(4): 21–22, 59.

王澤敏, 曾曉雁, 黃維玲. 脈沖激光除漆機理及工藝參數(shù)的研究[J]. 材料保護, 2000, 33(4): 21–22, 59.

[37] Wang H, Man S J, Liu L S,. Mechanism of derusting by laser-diode pumped acousto-optic Q-switch Nd:YAG laser[J]., 2018, 34(5): 37–41.

王歡, 蔄詩潔, 劉麗颯, 等. LD泵浦聲光調(diào)Q Nd:YAG激光掃描除銹機制[J]. 清洗世界, 2018, 34(5): 37–41.

[38] Qiao Y L, Zhao J X, Wang S J,. Laser cleaning and elemental composition analysis of rusty surface[J]., 2018, 48(3): 299–304.

喬玉林, 趙吉鑫, 王思捷, 等. 銹蝕表面的激光清洗及其元素組成分析[J]. 激光與紅外, 2018, 48(3): 299–304.

[39] Song G F, Li L C, Xia F J,. Application study on laser washing technology in ammunition repair[J]., 2017, 47(1): 29–31.

宋桂飛, 李良春, 夏福君, 等. 激光清洗技術(shù)在彈藥修理中的應(yīng)用探索試驗研究[J]. 激光與紅外, 2017, 47(1): 29–31.

[40] Wang M M, Zhang X M, Ding Y F. Development of hand held laser cleaning system[J]., 2017, 7(12): 1–6.

王曼曼, 張心明, 丁蘊豐. 手持式激光清洗系統(tǒng)的研制[J]. 新型工業(yè)化, 2017, 7(12): 1–6.

[41] Qi Y, Zhou W Q, Chen J,. Laser cleaning of contaminants on the surface of Yungang grottoes[J]., 2015, 22(2): 32–38.

齊揚, 周偉強, 陳靜, 等. 激光清洗云岡石窟文物表面污染物的試驗研究[J]. 安全與環(huán)境工程, 2015, 22(2): 32–38.

[42] Zhang X T, Zhang P Y, Yang C,. Laser cleaning technology in the conservation of gilt bronze[J]., 2013, 25(3): 98–103.

張曉彤, 張鵬宇, 楊晨, 等. 激光清洗技術(shù)在一件鎏金青銅文物保護修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 文物保護與考古科學(xué), 2013, 25(3): 98–103.

[43] Zhang L C, Zhou H. Restoration of a polychrome female pottery figurine from Han Dynasty using laser cleaning techniques[J]., 2017, 29(2): 67–75.

張力程, 周浩. 激光清洗技術(shù)在一件漢代彩繪女陶俑保護修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 文物保護與考古科學(xué), 2017, 29(2): 67–75.

[44] Han H M, Han J P, Song K W,. A method of laser purge aluminum alloy[J]., 2017, 40(6): 776–779.

韓紅敏, 韓建平, 宋可為, 等. 鋁合金的一種激光表面處理方法[J]. 固體火箭技術(shù), 2017, 40(6): 776–779.

[45] Chen G X, Lu H F, Zhao Y,. Effect of power on laser cleaning result of stainless steel surface[J]., 2017, 44(12): 1217–1224.

陳國星, 陸海峰, 趙瀅, 等. 激光功率對不銹鋼表面清洗效果影響的研究[J]. 光電工程, 2017, 44(12): 1217–1224.

[46] Liu W W, Liu L H, Zhang H,. Theoretical and experimental study on laser cleaning of cathode from lithium-ion batteries[J]., 2016, 32(6): 17–23.

劉偉嵬, 劉麗紅, 章恒, 等. 鋰離子電池電極片的激光清洗理論與實驗研究[J]. 清洗世界, 2016, 32(6): 17–23.

[47] Zhan X H, Fan X X, Gao C Y,. Study on the surface of carbon fiber reinforced epoxy resin composites for pulse laser cleaning technology[J]., 2017, 60(20): 38–42.

占小紅, 范喜祥, 高川云, 等. 脈沖激光清洗碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料表面研究[J]. 航空制造技術(shù), 2017, 60(20): 38–42.

[48] Yang G, Feng H X, Wang X L,. Research progress of plate heat exchanger[J].2019(5): 240–241, 74.

楊剛, 馮翰翔, 汪向磊, 等. 板式換熱器的研究進展[J]. 化學(xué)工程與裝備, 2019(5): 240–241, 74.

[49] Liu Y, Yang X X, Gong L Z,. Risk assessment for boiler drum on fuzzy comprehensive evaluation[J]., 2013, 42(3): 16–20.

劉蕓, 楊曉翔, 龔凌諸, 等. 基于模糊綜合評價的鍋爐汽包風(fēng)險評估[J]. 石油化工設(shè)備, 2013, 42(3): 16–20.

Application prospect of laser cleaning in petrochemical field

Duan Chenghong, Chen Xiaokui, Luo Xiangpeng*

College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

Different objects for laser cleaning. (a) Attachment; (b) Gas in attachment layer; (c) Matrix; (d) Pre-coated membrane

Overview:Laser cleaning is a surface engineering technology that uses the high-energy characteristic of laser to remove attachments on the substrate.It was first applied in the field of microelectronics. Because of its green environmental protection, high efficiency, high precision, and wide application range, it has been gradually promoted in the fields of mould, building, ship, aerospace, high-speed railway, and so on. It is regarded as the most potential cleaning technology in the 21st century. As a pillar industry of national economy, there are rare reports on the application of laser cleaning technology in petrochemical industry. During the operation of petrochemical equipment, many kinds of dirt (such as atmospheric dirt, water scale and the dirt generated by chemical reaction) are deposited, and defects (such as wear and corrosion) may be generated in critical areas and parts of the equipment. Whether it is dirt removal or surface cleaning before defect detection, cleaning technology is needed. Petrochemical industry now commonly uses chemical cleaning technology and physical cleaning technology. Chemical cleaning technology produces waste liquid and waste water, which will cause the problem of environmental protection. The physical cleaning technology includes traditional poking, brushing, grinding, shoveling and so on, which is highly labor intensive and inefficient. Later, PIG cleaning technology and jet cleaning technology (such as sandblast cleaning, shot peening cleaning, dry ice cleaning, and high-pressure water jet cleaning) are developed. The former is only applicable to the internal cleaning of pipes and equipment, and the latter may cause accidental mechanical damage and wear to the cleaned objects. In addition, ultrasonic cleaning technology is harmful to human health due to its noise pollution, and drying process is needed after the cleaning. The demand of cleaning technology has become increasingly urged in modern petrochemical industry, the cleaning costs should be reduced and cleaning efficiency, and the quality should be improved. Moreover, the cleaning technology must be environmentally friendly. Obviously, chemical cleaning technology and traditional physical cleaning technology cannot fully meet these new requirements. Hence, it is necessary to explore and introduce new green cleaning technology, such as laser cleaning technology. In recent years, the work of mechanism research, experimental verification, process optimization, and practical applications conducted by domestic and foreign colleges, enterprises and research institutes has provided a theoretical basis and ideal reference for the application of laser cleaning in the petrochemical field. In this paper, the cleaning needs and technology status of petrochemical industry and the development of laser cleaning technology are introduced, and the application occasions of laser cleaning technology in petrochemical field are analyzed. In addition, the specific research directions and application prospect are pointed out.

Citation: Duan C H, Chen X K, Luo X P. Application prospect of laser cleaning in petrochemical field[J]., 2020,47(11): 200030

Application prospect of laser cleaning in petrochemical field

Duan Chenghong, Chen Xiaokui, Luo Xiangpeng*

College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

Laser cleaning is a surface engineering technology which uses the high-energy characteristic of laser to remove attachments on the substrate. It has been gradually promoted in the fields of microelectronics, mould, building, aerospace, and so on. However, as a pillar industry of national economy, there are rare reports on the application of laser cleaning technology in petrochemical industry. In this paper, the cleaning needs and technology status of petrochemical industry are introduced, the existing technology cannot fully meet the new requirements of petrochemical industry development. The development of laser cleaning technology both at home and abroad in recent years is reviewed, the work has provided a theoretical basis and ideal reference for the application of laser cleaning in the petrochemical field. And the application occasions of laser cleaning technology in petrochemical field are analyzed. In addition, the specific research directions and application prospect are pointed out.

laser cleaning technology;petrochemical field; application occasion

TN249；TE98

A

段成紅，陳曉奎，羅翔鵬. 激光清洗在石化領(lǐng)域的應(yīng)用前景淺析[J]. 光電工程，2020，47(11): 200030

10.12086/oee.2020.200030

: Duan C H, Chen X K, Luo X P. Application prospect of laser cleaning in petrochemical field[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(11): 200030

2020-01-16；

2020-04-24

段成紅(1963-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事增材制造與激光制造技術(shù)應(yīng)用、過程設(shè)備設(shè)計開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及復(fù)合材料的研究。E-mail: duanch@mail.buct.edu.cn

羅翔鵬(1987-)，男，博士，講師，主要從事增材制造與激光制造技術(shù)應(yīng)用、計算機輔助工程等研究。 E-mail: xpluo@mail.buct.edu.cn

* E-mail: xpluo@mail.buct.edu.cn