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    復(fù)合材料彈性體浮標的研發(fā)及應(yīng)用

    2016-08-26 07:53:02王松北海航標處
    珠江水運 2016年13期
    關(guān)鍵詞:鋼質(zhì)航標玻璃鋼

    ◎ 王松 北海航標處

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    復(fù)合材料彈性體浮標的研發(fā)及應(yīng)用

    ◎ 王松 北海航標處

    浮標是船舶安全航行的重要助航設(shè)施,浮標新材料的應(yīng)用是航道建設(shè)的重要內(nèi)容,符合交通運輸部關(guān)于《航道發(fā)展規(guī)劃》中提出的“積極運用新技術(shù)、新工藝、新材料,全面推進航道建設(shè)與管理工作科技進步”的新要求,本文立足新材料應(yīng)用、新材料特性,克服傳統(tǒng)鋼質(zhì)浮標存在的諸多問題進行論證探討。

    浮標 鋼質(zhì)浮標 復(fù)合材料彈性體浮標 EVA

    1.背景

    傳統(tǒng)的鋼質(zhì)浮標存在如①長期浸泡在海上,易腐蝕。②需兩、三年開展一次陸地維護保養(yǎng)。③笨重、運輸困難。根據(jù)交通部在《航道發(fā)展規(guī)劃》中提出了“積極運用新材料,新科技,新工藝,全面推進航道建設(shè)與管理工作科技進步”的新要求,北海航標處成立技術(shù)攻關(guān)小組,對浮標新材料應(yīng)用進行了大量的研究和探討,近期研發(fā)了“復(fù)合材料彈性體浮標”,一定程度上解決了鋼質(zhì)浮標使用面臨難題。

    2.復(fù)合材料彈性體浮標的結(jié)構(gòu)工藝

    2.1材料的組成

    本項目研發(fā)的復(fù)合材料彈性體浮標規(guī)格有直徑2.4米和1.8米兩款,本文提供技術(shù)指標為直徑2.4米復(fù)合彈性體浮標,浮標由鋼筋、聚氨酯、玻璃鋼、乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚脲等組成。

    2.2復(fù)合材料彈性體航標的結(jié)構(gòu)設(shè)計

    (1)燈架機構(gòu):燈架含電池箱用玻璃鋼材料由模具整體制作。

    (2)浮鼓、尾管結(jié)構(gòu):浮鼓是浮標的核心部件。浮鼓和尾管用玻璃鋼材料(FRP)由模具整體制作,為確保吊裝安全,浮鼓內(nèi)由數(shù)根加強鋼筋連接2個吊環(huán)和一個鏈條環(huán),鼓內(nèi)填滿聚氨酯發(fā)泡材料。玻璃鋼浮鼓表面整體包覆一層乙烯—醋酸乙烯(PUR)共聚物,再在乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)和尾管表面噴涂聚脲彈性材料(SPUA)。尾管內(nèi)加配重塊。

    圖1 復(fù)合材料彈性體浮標結(jié)構(gòu)圖

    2.3各種材料的性能特點

    (1)玻璃鋼(FRP)主要有①強度高、重量輕;②耐腐蝕;③絕緣性能好;④可設(shè)計性好;⑤工藝性優(yōu)良。

    (2)聚氨酯硬質(zhì)泡沫(PUR)是以異氰酸酯和聚醚為主要原料,在發(fā)泡劑、催發(fā)劑等多重助劑的作用下,通過專用設(shè)備混合,經(jīng)發(fā)泡而成的高分子聚合物,主要有①重量輕;②具有優(yōu)良的防水性能;③無氟發(fā)泡,適應(yīng)環(huán)境寬;④不吸水,憎水率96%以上;⑤耐腐蝕。

    (3)乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA),是由乙烯(E)和醋酸乙烯(VA)共聚而成,其主要特點①抗水、鹽分;②柔軟性及堅韌度好,彈性極佳;③重量較輕:EVA的密度為0.91—0.93,而PVC則為1.32。④對環(huán)境友好。

    (4)聚脲彈性體(SPUA)技術(shù)是一種新型“萬能”涂裝技術(shù)。主要特性①優(yōu)異的綜合力學(xué)性能:拉伸強度最高達27.5MPa,硬度A30—D65 (shore),伸長率最高達1000%;②耐介質(zhì)性能十分突出,它可耐受絕大部分腐蝕介質(zhì)的長期浸泡;③防腐性能優(yōu)異:SPUA材料致密、連續(xù)、無針孔、無接縫,有效地阻止了外界腐蝕介質(zhì)的侵入;涂層不會產(chǎn)生開裂和脫落現(xiàn)象;④耐老化性能;⑤附著力強;⑥施工性能優(yōu)異,它徹底改變了傳統(tǒng)噴涂工藝中普遍存在的溶劑污染、厚度薄、流掛、固化時間長等缺點,給噴涂帶來了革命性飛躍。⑦快速固化:5秒鐘凝膠,不會在垂直面(甚至頂面)產(chǎn)生流淚現(xiàn)象,1分鐘即可達到可用強度。⑧對環(huán)境友好。

    2.4復(fù)合材料彈性體航標的制造技術(shù)

    (1)浮鼓、燈架、望板、電池箱的制造工藝技術(shù)。分別制做浮鼓、燈架、望板、電池箱母模,成型加工后達到制模的要求,進行翻模工作,制做模具的材料為玻璃鋼原材料,鋪層厚度達到模具使用要求。模具固化后,脫模、脫模修整、打磨、拋光、打蠟,達到模具使用要求。產(chǎn)品的原材料選用:①樹脂:產(chǎn)品用基體樹脂,具有耐腐蝕性能。我們選擇乙烯基酯樹脂;②增強材料:選用增強材料有:表面氈、短切氈、玻璃纖維布;③固化系統(tǒng):選用過氧化苯甲酰糊—二甲基苯胺的苯乙烯溶液。

    (2)浮鼓內(nèi)填充聚氨酯:將聚酯多元醇(白料)和多異氰酸酯(黑料)、催化劑、表面活性劑、發(fā)泡劑、其他添加劑等原料同步加入,通過專用設(shè)備混合,經(jīng)現(xiàn)場發(fā)泡而成。通過計算,我們采用的密度為50kg/m3。

    (3)EVA的粘接:通過直接購買EVA材料,加工成設(shè)計的厚度和形狀,通過特殊的粘接劑粘接到玻璃鋼浮鼓上面,并用模具固定成型,12~20個小時即成。

    (4)配重塊的加入:通過實驗,計算出航標的配重重量,將所需重量的鑄鐵塊和水泥沙漿一同鑄入玻璃鋼配重箱體內(nèi)。

    (5)聚脲彈性體的噴涂:選用專用配方和專用的噴涂設(shè)備將A組分異氰酸酯和B組分氨基化合物高壓噴涂在已加工成型的浮鼓上,根據(jù)不同部位,噴涂不同的厚度。

    圖2 聚脲彈性體的噴涂及浮標成品

    圖3 北海港14號燈浮投放

    圖4 復(fù)合材料彈性體浮標使用1年實拍照(2016年5月拍攝)

    3.技術(shù)創(chuàng)新及特點

    (1)選擇多種非金屬材料在浮標上進行應(yīng)用,合理性的結(jié)構(gòu)組合,通過揚長避短,充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)點來達到我們所需的要求,利用玻璃鋼復(fù)合材料的重量輕、強度高、耐腐蝕,防水、材料性能的可設(shè)計性,成型工藝的一次性,成型方便性等特點,完全能代替鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。浮鼓可整體一次性模具成型,可根據(jù)受力情況局部增強。利用聚氨酯硬質(zhì)泡沫的重量輕、防水、耐腐蝕、緩沖防震抗壓、強度高等特點,澆鑄進入玻璃鋼浮鼓內(nèi)腔,能大大加強玻璃鋼浮鼓的結(jié)構(gòu)力和強度,吸收和緩解外部帶來的沖擊力,以防萬一被撞破玻璃鋼浮鼓,內(nèi)腔進水。

    (2)利用EVA的抗水、重量輕、柔軟性、堅韌度和彈性極佳的特點,選擇一定厚度的EVA整體包覆在玻璃鋼浮鼓上,彌補了玻璃鋼材料抗沖擊性差的缺點。具有吸能的作用,自身壓縮變形可達85%以上,在外力消失后會迅速回復(fù)原型。

    (3)利用SPUA拉伸強度高、抗沖擊強度高、伸長率高、柔韌性好、耐磨、耐老化、防腐蝕、附著性好等特點。

    (4)大大降低了航標的重量(浮標整體重量約為2.2噸),是鋼質(zhì)的40%,投放、吊換方便,降低對海上大型起吊設(shè)施的依賴。

    (5)創(chuàng)造性地將鏈系環(huán)裝在尾筒凹型槽里面,并將配重塊放入尾管和配重箱內(nèi),減少配重塊的卸裝,可防腐。將配重箱做大,能使整座航標立放,節(jié)省擺放空間。

    (6)在浮鼓的下方,裝了4塊平衡板,減少航標的搖擺。

    (7)燈架、望板采用全玻璃鋼復(fù)合材料制作,防腐蝕,減少了防銹工序。

    (8)燈架與浮鼓的連接創(chuàng)造性地改為沉式連接,增加了連接處的強度,方便航標工人的安裝。

    4.使用情況及取得成效

    委托廣東海事工程咨詢檢驗公司對浮標的凈水性能進行計算,計算結(jié)果能滿足《浮標通用技術(shù)條件》要求。2015年1月,該型復(fù)合材料浮標投入使用,首次投放選擇在北海港14號燈浮,并進行了穩(wěn)性試驗。通過陸續(xù)選擇深水區(qū)、淺水區(qū)、碰撞多發(fā)區(qū)開展試驗,至2015年底已在轄區(qū)投放了13座該型浮標,均能正常使用,其中北海港17、19號燈浮使用已滿一年。

    5.經(jīng)濟效益

    復(fù)合材料彈性體浮標制作能統(tǒng)一模具,統(tǒng)一生產(chǎn),具有制作簡單、快速等優(yōu)點,與鋼質(zhì)浮標對比,①重量大大減輕,只有鋼質(zhì)浮標40%;②防腐性好,附著海生物少,顏色維持穩(wěn)定,維護成本低;③混凝土配重澆筑在尾管里面,消除配重掉落問題;④擴大尾管直徑,浮鼓可以直立安全堆放;⑤水密性高、回彈性好,號稱永不沉沒的航標。

    6.建議

    為實現(xiàn)更大的綜合效益,下一步應(yīng)逐步擴大使用范圍,加大試驗力度并做好以下改進工作:①改進復(fù)合材料燈架的材質(zhì),降低燈架的鋼性,增強燈架的韌性,降低浮標受撞后燈架的損毀率;②跟進海生物附著情況,制定海上維護方案;③做好浮標使用壽命的跟蹤,加快復(fù)合材料彈性體浮標推廣應(yīng)用的步伐。

    [1]黃微波.噴涂聚脲彈性體技術(shù)——噴涂設(shè)備,上海涂料,2006(02).

    [2]趙燕,王景政,何穎等.乙烯-醋酸乙烯共聚物的生產(chǎn)技術(shù)與市場分析及預(yù)測,石油化工應(yīng)用,2011(10).

    [3]陳柱.新型超高分子量聚乙烯柱形航標的研制與應(yīng)用,中國海事,2016(03).

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