船用壓艙管是指用于向船舶的壓載艙中泵出和泵入海水,調整船舶的吃水深度、重心位置及船舶在航行時保持平穩性。由此可見，壓艙管在船舶中的應用,對船舶的航行安全性有著極其重要的作用。目前, 國內大型船舶的壓艙管大都采用碳鋼管,部分船舶采用的玻璃鋼管。之所以如此, 其主要原因是碳鋼管是常規的管道材料,而且具有初期投資稍低,材料來源廣泛等特點。但與玻璃鋼管相比, 有耐海水腐蝕性差、使用期短、船舶的大修費用高等缺點,這是用船用玻璃鋼管代替碳鋼管的主要目的。隨著船用玻璃鋼管的優點越來越被廣泛認可，其作為壓艙管的應用也越來越廣泛。下邊我們就談談船用玻璃鋼壓艙管的技術要求。

 

　　船用玻璃鋼壓艙管管件, 其中法蘭、三通和彎頭應用較多, 是安裝管道必備的產品, 而且成型工藝復雜, 一般采用手糊和纏繞成型等兩種。所以本文著重敘述船用玻璃鋼管件的研制, 并著重研究了日、美兩國的管件技術。日本富士化工公司采用纏繞成型活套法蘭,用手糊成型三通和彎頭等。美國Ameron 公司采用纏繞成型法蘭, 用手糊加纏繞成型三通和彎頭等。其中用于三通的纏繞設備是具有六軸的微機控制纏繞機。

 

　　德國也曾采用多軸纏繞機成型三通管件。

 

　　通過上述國外纏繞設備和管件成型工藝分析,在我們研制管件成型工藝中也選擇了手糊加纏繞并用法, 用于研制各種壓艙管管件。

 

　　各種船用玻璃鋼管件的產品結構主要由四部分組成, 即內防腐層、防滲層、結構層和外防腐層。這四部分由于輸送介質及環境溫度和使用條件不同, 應用中層次結構的選擇各有差異。例如:內、外防腐層要求樹脂含量一般在80～90%以上, 增強材料是雙組份浸潤劑的表面氈或粗紗, 具有浸漬性和適型性好等特點。防滲層樹脂含量要求稍低于防腐層, 一般為60～70%, 增強材料為短切氈, 起防腐層和結構層緩沖作用, 防止管件在長期荷載作用下滲漏, 通常采用韌性較高的基體材料。結構層主要起承載作用, 一般樹脂含量在35～45 %左右, 增強材料通常用粗格布、布帶等, 要求成型后產品具有一定的強度和剛度, 在長期荷載作用下不破壞。所有的船用玻璃鋼管件由于應用場合和產品結構的不同, 而選擇其相應的結構形式和成型工藝方法也不同。

 

　　一、船用玻璃鋼管件成型工藝的研究

 

　　1）、法蘭成型工藝

 

　　船用玻璃鋼法蘭在管道安裝及使用中受力較為復雜, 主要承受軸向拉伸、彎曲和剪切載荷。主要破壞形式為靠近法蘭根部剪切破壞。所以選擇了幾種不同鋪層結構方案, 通過水壓爆破試驗, 全部滿足Ameron 標準要求。

 

　　首先是解決鋪層結構的不同、剪切破壞形式及強度值差別較大的矛盾, 是研制法蘭過程中最大的突破, 其力學性能試驗數據參見法蘭試驗部分。

 

　　研制法蘭的第二個難題是斷面密封水線的成型及加工問題。所以法蘭端面初期研制時采用二次加工。但研制過程中卻出現密封尺寸及同心度誤差較大等現象, 難以保證密封質量。經多次試驗后將模具改為密封水線一次纏繞成型方案, 此方案證明, 產品質量穩定, 外表面光滑平整, 同時也節省了原材料和二次加工的麻煩。

 

　　纏繞法蘭的第三個難題是固化后的三付法蘭表面都有不同程度的裂紋, 經數次試驗研究證明, 樹脂基體材料韌性較差, 經多次調整配方后, 終于解決了表面裂紋現象。

 

　　2）三通成型工藝

 

　　船用玻璃鋼三通成型工藝屬非回轉體異型結構, 無論采用手糊還是纏繞成型, 其成型方法都比較復雜。日本富士化工公司選用了分體手糊成型和整體手糊成型的工藝方案。美國的Ameron公司選擇了手糊加纏繞并用的整體成型方案。其產品質量、結構和力學性能優于富士管件。日本和美國的三通結構參見圖1 和圖2 。

 

圖1 　日本的整體和相貫三通結構

 

　　從圖中可以看出:日、美整體三通結構尺寸差異較大。初期研制三通時想用富士整體三通代替Ameron的產品, 根本不可能實現, 這也是富士和Ameron 管件結構的不同應用場合不同的根本所在。

 

圖2 　美國整體三通結構

 

　　通過分析日、美三通成型工藝, 產品結構及性能,認為我所可以實現美國的Ameron 公司的三通成型工藝方案, 所以選擇了手糊加纏繞整體成型工藝。

 

　　三通的結構設計應滿足變形、滲漏、局部補強,耐內、外海水腐蝕性能要求。這是研制三通的關鍵環節。三通的鋪層結構決定著產品質量和性能指標的穩定性。因為Ameron 和富士的三通結構有著明顯的差別。所以通過反復試驗和工藝探索, 最后確定了一種切實可行的鋪層工藝方案。其中克服了國內各種原材料浸漬性, 鋪復性以及適型性差的各種不利因素。下料結構標準可實用于氈和布等各種材料, 其特點是裁剪尺寸規范化, 簡單化, 系統化, 減少了下料工序, 保證了產品質量的穩定性。

 

　　3）彎頭成型工藝

 

圖3 　富士蝦米腰和整體彎頭結構

 

　　船用玻璃鋼彎頭成型工藝也屬于非回轉體異型結構, 用普通纏繞設備難以成型, 因此選擇手糊加纏繞并用的兩種工藝方案。日本富士化工公司采用蝦米腰式管段對接二次手糊成型和整體手糊成型兩種結構與美國的Ameron 公司整體成型有所不同。因為整體成型性能優于蝦米腰結構, 所以只能選擇整體成型方案。其中富士和Ameron 彎頭結構形式如圖3 和圖4 所示。

 

圖4 　Ameron 整體彎頭結構

 

　　由上圖可見富士和Ameron 彎頭結構形狀不同。富士采用公制尺寸, 其中曲率半徑、承插口長度及錐度都不同。所以只能選擇Ameron 整體成型結構作參考。選擇整體成型主要問題是Ameron 彎頭承口短不能整體脫模,而要選擇分瓣式模具, 這是彎頭研制工藝中最大困難。通過反復方案論證和試驗最后確定采用玻璃鋼和鑄鋼分瓣式組合模具與手糊加纏繞工藝研制玻璃鋼彎頭。其產品結構如圖5 所示。

 

圖5 　彎頭結構形式

 

　　船用玻璃鋼彎頭鋪層結構設計和三通結構相同, 具有內襯層、防滲層、結構層和外防腐層等。整體彎頭采用布帶和粗紗纏繞成型, 經成型工藝和力學性能試驗證明工藝方案是可行的, 其特點是產品質量穩定, 易成型, 而且適用于批量生產要求。玻璃鋼管件的測試結果見表1 。

 

表1 　中、美管件化學性能比較

 

　　由上表可以看出, 中、美管件的基本性能相當。試驗結果證明管件的成型工藝、鋪層結構以及材料體系和固化工藝等, 完全滿足Ameron 標準要求。

 

　　二、模具設計

 

　　船用玻璃鋼管件包括法蘭、三通、彎頭、擴散管和四通等。其中前三種是管道連接應用最多, 最廣泛的三大管件體系, 其它管件可參照這三種舉一反三地進行設計。壓艙管管件常用的標準公稱直徑大致有Φ200mm 、Φ300mm 、Φ400mm 、Φ500mm 和Φ600mm五種, 因此我們按大連船舶研究所的要求, 首先選用Φ300mm 管徑系列作為研究和鑒定依據。

 

　　管件的模具設計準則必須根據產品在整個成型工藝過程中的纏繞工藝, 固化工藝, 拆裝模方式以及經濟性和可行性等幾個方面去考慮。其中模具用材料的種類也較多, 如金屬、玻璃鋼、木材和石膏等。模具結構還要滿足強度、剛度和尺寸精度要求。所以選擇了金屬和玻璃鋼作為模具材料。

 

　　從上述模具設計來看, 通過試驗, 完全可以適用于手糊和纏繞成型工藝。各種產品質量穩定, 尺寸精度高, 重復性好, 而且具有易拆裝模方便, 使用期長, 適合于大批量生產等特點。

 

　　另外, 上述三種模具結構適用于研制各種不同直徑和不同角度的各種管件制品, 完全可以替代美國Ameron 管件等進口產品。

 

　　三、　原材料選擇

 

　　船用玻璃鋼管件用原材料, 通常根據管件的結構和性能要求的不同, 所選擇的種類亦有差別。壓艙管件用的增強材料和基體材料選擇如下：

 

　　1）增強材料

 

　　一般選擇能滿足管件的防滲、防腐和結構強度要求即可。最終確定了玻璃氈、玻璃布和玻璃纖維等幾種。

 

　　2）　基體材料

 

表2　基體材料體系

 

　　基體材料見表2 。

 

　　澆鑄體性能和復合材料性能見表3 和表4 。

 

　　由上表可以看出配方Ⅰ 的拉伸強度、延伸率、熱變形溫度及粘度均高于配方Ⅱ , 這些條件符合內襯層及防滲層性能要求, 所以把配方Ⅰ 作為內襯層基體材料。相反配方Ⅱ上述性能低于配方Ⅰ , 而且膠凝時間長, 粘度低, 符合結構層性能要求。通過管件成型工藝及試驗證明, 未曾出現滲漏和破壞, 滿足各種管件技術要求, 可以用于管件的系列化生產之中。

 

表3 　澆鑄體性能

 

表4 　復合材料的基本性能