引言
LNG模塊化工廠的作業(yè)環(huán)境一般為高緯度寒冷靠海陸地，常年氣溫低多積雪，現場維護成本較高，因此對鋼結構的表面防腐要求較高，如高溫涂層多采用免維護的熱噴鋁涂層、常規(guī)涂層修補的表面處理也多采用噴砂來保障施工質量。
相較LNG等工業(yè)建造常采用的噴砂表面清潔技術，激光清潔是利用表面雜質、氧化層吸收激光能量后發(fā)生振動、氣化、剝離，達到清潔金屬表面的目的，具有更加清潔、可控、高效等優(yōu)勢。本文嘗試在LNG模塊建造過程中用激光清潔代替噴砂處理現場涂層破損區(qū)域表面和熱噴鋁、熱浸鋅等特殊涂層表面污染物，測試清潔效果及涂層性能。
1.1理論模型
激光清洗是利用附著物吸收激光能量，極短時間內形成光熱效應，附著物被電離形成等離子體，等離子體快速膨脹形成沖擊波振動實現清洗的效果。當前國內外關于激光清洗的模型研究也提出了如氣化剝離、相爆炸、燒蝕、瞬時熱處理四種模型。
典型的激光清洗方法有干式、濕式激光清洗和等離子體沖擊波。濕式激光清洗因表面存在液膜，導致清潔完后表面殘留水分導致二次返銹，等離子體沖擊波僅靠沖擊波清潔，一般用于清洗表面亞微米或納米級顆粒。干式激光清洗是目前大面積應用激光清潔的最佳選擇。
1.2能量密度與能量分布
附著物剝離的能量閾值為清洗閾值，金屬的清洗閾值一般在1.0-10.0J/cm2之間，有機物的清洗閾值一般在0.1-1.0J/cm2之間。能量密度只有達到對應的清洗閾值才能完成相應的清洗。
I=4p/fπd2 式（1）
式中：
I為光斑平均能量密度；d為光斑直徑；p為激光的功率；f為脈沖頻率。由式（1）可知，光斑平均能量密度與激光功率、脈沖頻率有關，激光能量密度受激光器本身限制有最大值。
單模脈沖激光器所激發(fā)的光斑能量呈高斯函數分布，可稱為高斯光斑，如圖1所示。高斯光斑能量分布特點在于光斑中心的能量密度較高，四周的能量密度較低，這種能量分布特點可使設備的光斑平均能量密度低于清洗閾值時，因光斑中心處能量密度超過金屬的清洗閾值而達到清洗效果。
圖1 單模脈沖激光器光斑能量分布模擬
2、實驗部分
2.1 清洗設備
實驗采用波長λ=1064nm的單模脈沖光纖激光器，相關參數如下：最大功率200W，光斑直徑0.25 mm，脈寬350 ns，最大掃描速度20 000 mm/s，填充間距0.01~1.00 mm，掃描寬度5~200 mm，光斑最大平均能量密度為3.06 J/cm2。
2.2 實驗應用項目
表1列出了所開展的具體應用實驗。
表1 激光清潔應用實驗
2.3 性能與表征
針對激光清潔后的表面，施工涂層需進行涂裝常規(guī)性能檢測,具體指標如表2所示。
表2 涂裝常規(guī)性能檢測
激光清潔后的金屬表面微觀形貌觀察，采用手持式數字顯微鏡（Inskam-316，Inskam公司）實時觀察放大50倍清潔效果。
3、結果與討論
3.1 清洗效果
圖2給出了針對熱浸鋅、不銹鋼、熱軋鋼、涂層破壞后四種表面的清潔效果。
圖2 激光清潔效果：1）熱浸鋅；2）不銹鋼；3）熱軋鋼；4）涂層破壞
激光清潔可有效清除熱浸鋅、不銹鋼表面附著的鐵銹、有機膠帶、膠質物、記號筆標記等，清潔后基材表面呈均勻網紋布形貌，觀察放大50倍后微觀形貌可見點狀光斑移動形成的點狀線性密排，無遺漏位置，實測處理后基材溫度升高小于15 ℃，表面無明顯氧化現象。
激光清潔去除熱軋鋼表面的原始致密氧化層后，基材外觀呈均勻網紋布形貌，觀察放大50倍后微觀形貌可見點狀光斑移動形成的點狀線性密排，無遺漏位置，實測處理后基材溫度升高33℃，顏色呈輕微氧化的淡黃色。
激光清除涂層破壞后銹蝕的同時，實現了周邊完好涂層的坡口拉毛，基材表面呈均勻條紋形貌，未焊接、打磨區(qū)域清除鐵銹、燒糊涂層后表面可見原涂層施工時噴砂形成的不規(guī)則形貌，觀察放大50倍后微觀形貌證實，表面微觀形貌為噴砂形成不規(guī)則山地形貌與點狀光斑移動形成點狀線性密排的組合形貌。
3.2 表面狀態(tài)檢測
針對熱浸鋅、不銹鋼、熱軋鋼及涂層破壞后銹蝕采用激光清潔后檢測表面數據指標見表3。
表3 表面狀態(tài)檢測
熱浸鋅、不銹鋼及熱軋鋼經激光清潔后表面粗糙度均達到40μm左右；涂層破壞后銹蝕的鋼板因表面經噴砂處理過，原始粗糙度在75-100μm左右，激光清潔后測得表面粗糙度為87 μm，結合3.1中微觀形貌表分析，可視為還原了初次噴砂后的表面粗糙度。
各試樣的鹽分測試結果均遠低于常規(guī)涂裝要求的25mg/m2，清潔度均達到1級標準。因無激光清潔相關表面處理等級評定標準，參考傳統(tǒng)清潔方式的目測檢驗標準SSPC-VIS-1(噴砂)/SSPC-VIS-3(打磨)，目測激光清潔后表面的處理等級達到SSPC SP 10/SSPC SP 11標準要求，理論上可替代噴砂/打磨用于鋼材的表面處理。
3.3 涂層附著力及耐腐蝕性研究
對上述四個樣品進行涂裝后測試涂層附著力，測試結果見表4。
表4 涂層附著力測試結果
涂層附著力測試結果表明，激光清潔后表面可實現涂層的牢固附著。浸鋅涂層清潔時因需要避免鋅層的破壞，激光清潔次數較少，表面粗糙度較低，涂層附著力低于其他試樣。涂層破壞后二次銹蝕鋼板經激光清潔后還原了原始噴砂粗糙度，較高的粗糙度也提供了較好的涂層附著性能，涂層附著力明顯高于其他試樣。將試樣放入中性鹽霧環(huán)境運行480 h，觀察表面狀態(tài)及腐蝕情況，詳見表5。
表5 鹽霧試驗情況
鹽霧試驗數據分析表明，各試樣經長時間鹽霧試驗后表面涂層防護性能仍較好，激光清潔滿足LNG模塊建造過程中防腐涂層對表面處理的要求。
3.4 現場應用效果
針對LNG模塊建造現場常規(guī)需要噴砂/打磨的位置，進行激光清潔替代的實際應用測試，應用效果見表6。
表6 現場應用效果
針對現場小管線焊道表面，常規(guī)焊道表面處理常采用噴砂，圍擋防護、設備準備等前期準備工作較多，效率低且存在周邊污染、破壞情況，激光清潔可有效避免此類問題，現場激光清潔測試結果表明激光清潔可有效清除表面銹蝕，同時實現一定的表面粗糙度，滿足替代噴砂的可行性。
4、結 語
綜上所述，本文通過采用較高功率的單模脈沖光纖激光器，對金屬表面實現了很好的清潔效果，清潔度達到1級，表面鹽分殘留普遍控制在10mg/m2，可在金屬表面實現40μm左右的可控粗糙度。激光清潔涂層破損后二次銹蝕區(qū)域可還原初次噴砂形成的表面形貌，粗糙度達到87μm，整體表面處理等級達到SSPC SP10/SSPC SP11，附著力測試和鹽霧試驗證明激光清潔后表面具有良好的涂裝性能。
LNG建造現場存在大量涂層修補點，這些修補點位置狹小很難采用噴砂或打磨進行高質量表面處理，激光清潔在LNG建造現場的涂層修補、清潔方面具有操作簡單、無死角、深度可控等優(yōu)勢，可有效代替噴砂/打磨，提高小面積涂層修補的施工質量。
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