激光處理設備:橋梁應用潛在市場成長機會

發布日期:2020-06-15

(同高科技)

在橋梁設計和施工過程中,適當考慮日后如何進行養護的觀念,在近幾十年才被工程師們廣泛接受。因此,許多舊橋的業主單位和運營單位都面臨著一個嚴峻的挑戰,那就是如何在保證橋梁正常運營的同時維護大橋的結構安全。以下將以著名的澳大利亞悉尼港灣大橋為例來講述他們的養護經驗。(同高科技)

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具有成本效益的激光處理方法

悉尼港灣大橋是一座單孔拱橋,1932年建成通車以后一直服役至今,曾號稱世界第一單孔拱橋,是悉尼早期的代表性建筑。(同高科技)

每天,悉尼港灣大橋都承載著200多輛火車、160000輛汽車和大約2000輛自行車的往返交通量。這座橋不僅是悉尼文化的象征,更是悉尼城市交通基礎設施至關重要的組成部分。負責這座大橋養護與運營的機構是新南威爾士州道路與海事服務公司(RMS),主要任務是對大橋的鋼結構部分、石質墩臺以及其他區域進行清理和重新噴漆。(同高科技)

由于這座大橋的鋼結構部分最初的防腐涂料含鉛,導致目前大橋鋼桁架存在普遍的老化現象。因此,橋梁養護單位決定使用更耐用、更環保的現代涂料替代之前的防腐涂層。清除原有防腐涂料和鋼結構銹蝕的傳統做法,是使用電動工具和噴砂除銹法,但是這種方法需要耗費大量的體力勞動,而且極易造成工人受傷。不僅如此,在橋梁某些特殊位置,這些養護設備根本無法到達,有時甚至是操作人員也很難到達。為了解決這些難題,新南威爾士州道路和海事服務公司聯合澳大利亞國立大學共同研發了一款結構內部激光清洗設備,整個研發項目為期三年,由澳大利亞研究委員會資助。最近,該團隊首次對這款最新的激光清理技術進行測試,以確定其是否可以在悉尼港灣大橋養護工程中得到應用。

使用連續激光和納秒脈沖激光技術進行油漆剝離的方法已經使用多年,已經形成了一定的工業規模體系,隨處可以找到大量的供應商。但是,納米級脈沖激光在清理結構物體表面銹蝕時會產生大量的熱量,溫度足以使鋼鐵表面達到熔化的程度。因此,有些工程師擔心,如果將納秒激光脈沖技術應用于悉尼港灣大橋,將有可能導致老化的鋼結構更加脆弱,從而引起裂縫的擴散。另外,高溫也容易造成作業工人被灼傷,而且激光處理點周圍的材料也容易被損壞。(同高科技)

為了解決上述問題,養護團隊采用了一種鋼結構表面清理的新技術,這種新技術是基于安德烈·羅德教授(Andrei Rode)和斯蒂芬·馬登(Stephen Madden)教授在澳大利亞國立大學的一項最新研究,這是一種在飛秒范圍內使用的、強大的超短脈沖冷激光新技術,比納秒脈沖短100萬倍。(同高科技)

這種處理技術不僅能夠快速清理金屬和石材表面厚厚的防護底漆,達到工業化應用規模,而且對金屬和石材表面的損害也能達到最小?!帮w秒級冷激光脈沖不會造成金屬表層熔化,就像啄木鳥啄掉油漆一樣,不會造成底層金屬出現裂縫?!毕つ岬缆芳昂J路展緫鹇曰A設施經理皮特·曼恩(Peter Mann)說?!斑@項技術以及它的物理特性非常有價值,因為底部材料的粗糙度會增加防護涂料的附著性?!甭骼^續說,“鋼結構橋梁在養護過程中會遇到很多問題,比如腐蝕和疲勞載荷。因此,在運用激光技術對橋梁進行維護時需要格外小心,以免其對橋梁使用壽命產生不利影響。我們此次研究的目的是找出迄今為止最具成本效益的激光處理方法,并驗證這種方法不會對鋼結構產生損傷?!?span style="color: rgb(255, 255, 255); font-family: 宋體, SimSun; font-size: 18px; text-indent: 28px;">(同高科技)

傳統的表面處理方法是噴砂處理法,但是由于悉尼港灣大橋的特殊性,噴砂處理法在該項目中無法得以應用。原因有以下幾點:1.大橋拱門由數量龐大的中空鋼結構桿件拼接而成,這些桿件形成了一個總長約7.2公里的密閉作業空間,無法進行噴砂處理;2.這些桿件位于拱圈的不同位置,工程技術人員作業困難;3.桿件每6米有一個出入孔洞,但是這些孔洞直徑只有300毫米,大多數工人無法進入;4.桿件內部空間狹窄、位置錯綜復雜、可見度低。由于上述原因,大橋自建成以來,拱圈內部從未進行再噴涂。但是,隨著科技的進步,激光清理技術逐漸成為一種可能的解決方案。(同

高科技)

高效的超快激光清潔設備(同高科技)

養護團隊面臨的第二個挑戰是鋼結構桿件清理機器人研發,這種清理機器人不僅需要在空間狹窄的鋼結構桿件中行走,還需要攜帶激光清理設備。雖然養護團隊之前已經開發出一款可行走機器人,但是他們還需要縮小激光處理設備,以便機器人攜帶并進入作業區域。(同高科技)

曼恩表示,激光處理還沒有成為基礎設施養護技術的主流,還有一些困難需要克服?!澳壳暗暮笄诓块T面臨的困難,是如何在現場部署和使用這種激光設備,尤其是在橋梁工程上??紤]到悉尼港灣大橋的規模和桿件的難以接近性,激光設備和機器人需要足夠小才能進入結構內部。但是對于大多數有足夠功率的既有激光器,都需要使用大型電力設備來驅動鐳射頭,比如激光掃描儀、制冷設備和真空裝置?!彼f。

雖然鐳射頭上有一個用于凈化激光照射區域的小型真空吸塵器,但是設備另外還安裝了一個獨立的集塵設備,用以過濾空氣中的雜質。在噴漆之前,機器人會使用真空吸塵器清理鋼結構表面掉落的較大碎屑,并將把表面吹干凈。(同高科技)

澳洲國立大學研發團隊的首要任務,是開發出一種在最佳激光輻射條件和最高效率情況下的超快激光清潔技術,清潔速度按照1平米/小時,激光功率按照1平米/小時瓦特,所有技術的前提是最小化殘余應力和金屬破壞。澳大利亞核科學技術與技術組織和悉尼大學將對殘余應力和疲勞強度性能進行測試,道路及海事服務公司將為測試提供橋梁實際使用的鋼材和油漆樣本,并組織橋梁現場測試??芭嗬髮W的專家將評估激光處理技術在橋梁主塔花崗巖部分的測試情況。(同高科技)

一旦激光清理技術通過測試以后,下一階段將是開發一種可以安裝在沃姆博特(Waumbot)上的特殊輔助連接設備。沃姆博特是道路與海事服務公司和悉尼理工大學(University of Technology,Sydney)經過數年共同研發的一種橋梁養護機器人,目前已經應用于橋梁工程。這種激光清理技術不僅適用于鋼構件內壁清理,通過使用手持式激光器,也適用于結構外部的維修。(同高科技)

假設這個研究項目能夠成功,根據現在的激光處理設備使用數量,對橋梁內部結構進行清理和重新噴涂仍然需要5年時間才能完成。按照目前的估計,即使有10個功率為1千瓦的激光器每天工作24小時,每周工作7天,那么完成這項工作仍需3-5年的時間。(同高科技)

盡管如此,激光處理技術仍然擁有巨大的潛在市場,而且不僅僅局限于交通運輸領域。單從橋梁方面說,世界范圍內就有數以萬計的鋼結構橋梁亟待維護。對于其他基礎設施,這種技術也能派上用場,比如飛機整修方面。如果一項技術可以消除基礎材料損壞所帶來的風險,那這項技術將在未來大有可為。

這項新技術也有可能應用于文物修復領域,因為在進行文物修復時,技術人員不用擔心溫度過高的問題。一些實際的案例也證明使用納秒脈沖激光清理技術,對雕塑、青銅雕像、精美的陶土,甚至整個建筑立面進行修復也是非常經濟的。然而,對于像繪畫、鍍金表面和紡織物等不能承受溫度上升的精致物品來說,超短脈沖法也許能夠提供一些啟發。超快激光清潔已經被用于清理復雜而且易碎的鍍金層,這在之前是無法處理的。但是,隨著大功率新技術的出現,這種技術的應用范圍將會更大,比如應用于嚴重污染的結構。

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