玻璃鋼游艇船體工藝檢驗(yàn)分析

陳學(xué)誠(chéng)， 鄭振豪

(1.中國(guó)船級(jí)社福州分社， 福建 福州 350000； 2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

玻璃鋼游艇船體工藝檢驗(yàn)分析

陳學(xué)誠(chéng)1， 鄭振豪2

(1.中國(guó)船級(jí)社福州分社， 福建 福州 350000； 2.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院， 山東 青島 266071)

玻璃鋼游艇的船體制造環(huán)節(jié)不僅是游艇制造的基礎(chǔ)，而且對(duì)安全有著重要影響，本文主要介紹了船體制造工藝檢驗(yàn)環(huán)節(jié)中的重點(diǎn)，論述了玻璃鋼材料力學(xué)性能的重要性，并提出了檢驗(yàn)中的改進(jìn)意見(jiàn)與建議。

工藝認(rèn)可 手工積層 真空導(dǎo)入 樹(shù)脂含量

1 前言

近年來(lái)受歐美國(guó)家的影響，游艇行業(yè)尤其是高端游艇行業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)逐漸發(fā)展起來(lái)。由于游艇制造在我國(guó)是一種新興的制造產(chǎn)業(yè)，國(guó)內(nèi)游艇檢驗(yàn)市場(chǎng)剛啟動(dòng)，中國(guó)船級(jí)社的游艇檢驗(yàn)原則是有選澤性、穩(wěn)步推進(jìn)游艇檢驗(yàn)業(yè)務(wù)，并著力在游艇高端市場(chǎng)上對(duì)檢驗(yàn)方面進(jìn)行不斷地深入研究。

2 檢驗(yàn)重點(diǎn)及建議

工藝認(rèn)可是衡量玻璃鋼游艇廠制造質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合當(dāng)前手工糊制與真空導(dǎo)入工藝的形式，進(jìn)行工藝評(píng)定時(shí)應(yīng)該包括以下內(nèi)容。

2.1 制定纖維船舶建造成型工藝規(guī)程

在造船開(kāi)工前，工藝流程需制定完成，在建造條件說(shuō)明中，應(yīng)包括環(huán)境控制、材料貯存和管理。在材料方面，船用增強(qiáng)材料應(yīng)為認(rèn)可的無(wú)堿玻璃纖維等制品，不應(yīng)使用中堿玻璃纖維及其織物作為玻璃鋼船建造增強(qiáng)材料。在工藝流程中，應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明船體的鋪敷方法。鋪敷成型工藝中，常用的有短切氈和無(wú)捻粗紗正交布交替鋪敷、或4比1無(wú)捻單向布等。而對(duì)于夾層板鋪敷成型，建議緊靠著芯材兩側(cè)的增強(qiáng)材料應(yīng)為短切原絲氈。

2.2 試板制作

對(duì)于采用新的工藝、新的鋪層方式或新的樹(shù)脂及增強(qiáng)材料建造的纖維增強(qiáng)塑料船，在一般情況下，從船體上取樣不現(xiàn)實(shí)。一般在開(kāi)工之前，由鋪敷人員按送審的工藝流程糊制單層板試板與夾層板，用于驗(yàn)證玻璃鋼船體的設(shè)計(jì)。

待檢試板厚度應(yīng)為主船體最薄處的厚度。一般選取舷側(cè)或船體部位，且制作試板的樹(shù)脂和增強(qiáng)材料的材質(zhì)應(yīng)和船體相同，增強(qiáng)材料的層數(shù)和船體相當(dāng)。在試板脫模之前，如果廠方在有條件的情況下，可用巴柯?tīng)栍捕葴y(cè)試儀測(cè)量固化程度，這樣可預(yù)防因試板質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。脫模后，試板應(yīng)表面平整、均勻、無(wú)氣泡、無(wú)分層和纖維裸露等缺陷，最終厚度測(cè)量時(shí)其測(cè)量點(diǎn)要均勻，不少于10點(diǎn)，最終測(cè)量結(jié)果不得低于圖紙要求。建議由制造廠方提供試板制作過(guò)程監(jiān)控報(bào)告，詳細(xì)記錄上述制作過(guò)程的中間檢驗(yàn)結(jié)果。

2.3 試板試驗(yàn)

建議要求制造廠在試驗(yàn)送檢之前，向CCS驗(yàn)船師提交試板試驗(yàn)大綱。其內(nèi)容應(yīng)至少包含：材料及配合比、試板數(shù)量和尺寸、試件數(shù)量和尺寸(由檢測(cè)機(jī)構(gòu)確定)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)指標(biāo)等。其力學(xué)性能試驗(yàn)應(yīng)在中國(guó)船級(jí)社承認(rèn)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)或組織進(jìn)行，并采用公認(rèn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行以下測(cè)試，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：樹(shù)脂(或纖維)含量、強(qiáng)度與模量、單層板的層間剪切強(qiáng)度等。

2.4 工藝試驗(yàn)考核及報(bào)告的出具

工藝試驗(yàn)的進(jìn)行與報(bào)告的編寫(xiě)均由行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的檢測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)，并提交游艇檢驗(yàn)的驗(yàn)船師審查。報(bào)告內(nèi)容應(yīng)詳細(xì)記錄層板試件的強(qiáng)度與模量：壓縮、彎曲、拉伸等，同時(shí)檢測(cè)試件的巴柯?tīng)栍捕?、?shù)脂(或纖維)含量等。夾層板試板需要進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足該游艇結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)中的要求。規(guī)范中要求剪切強(qiáng)度應(yīng)不低于芯材剪切強(qiáng)度的1.33倍，若芯材的剪切強(qiáng)度在該產(chǎn)品出廠時(shí)無(wú)體現(xiàn)，則芯材也應(yīng)做剪切試驗(yàn)。另外，夾層面板的試驗(yàn)要求與層板試驗(yàn)相同，可參照?qǐng)?zhí)行。

材料各項(xiàng)性能值需滿(mǎn)足材料與焊接規(guī)范的要求,第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)試板檢測(cè)的實(shí)際結(jié)果，是否合格須認(rèn)真計(jì)算核對(duì)。

3 成型方式工藝分析

3.1 手糊工藝

玻璃鋼手糊只要簡(jiǎn)單的模具，所制作的FRP產(chǎn)品受到關(guān)于尺寸、形狀的限制很小，可與其他材料同時(shí)復(fù)合制作成一體，如松木、泡沫、PVC材料等，其在我國(guó)游艇廠中使用廣泛。但也存在著生產(chǎn)效率低，對(duì)于批量大的產(chǎn)品不適合；且投入的勞動(dòng)力多，排放的可揮發(fā)有機(jī)物(VOC)對(duì)操作人員的身體健康會(huì)產(chǎn)生不利影響；產(chǎn)品性能低；樹(shù)脂用量大；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

3.2 玻璃鋼真空導(dǎo)入工藝

真空導(dǎo)入工藝是在模具上鋪上增強(qiáng)材料，再鋪上薄膜和管路，然后抽出薄膜中的空氣，運(yùn)用壓力差，使樹(shù)脂通過(guò)管路吸入到鋪敷好的玻璃纖維中。浸潤(rùn)纖維直至充滿(mǎn)模具，等到固化后揭去真空袋得到所需制品，如圖1、圖2所示。

圖1 真空吸附原理

圖2 樹(shù)脂導(dǎo)入與收集原理

使用真空導(dǎo)入工藝時(shí)，使用的樹(shù)脂比手糊工藝少，得到的玻璃鋼產(chǎn)品力學(xué)性能也比手糊工藝制作得好，并且在批量生產(chǎn)時(shí)，效率也會(huì)提高很多。真空導(dǎo)入樹(shù)脂為閉模環(huán)境，有毒空氣污染物和揮發(fā)性有機(jī)物僅在真空泵排氣(可過(guò)濾)和打開(kāi)樹(shù)脂桶時(shí)有微量揮發(fā)，其VOC排放小于5×10-6[3]。

相對(duì)于手糊工藝，真空導(dǎo)入工藝的工藝流程較為復(fù)雜，準(zhǔn)備工作繁瑣，如導(dǎo)流網(wǎng)的布置、纖維交錯(cuò)鋪層及粘貼的方式、導(dǎo)流管的固定等。另外，我國(guó)真空導(dǎo)入工藝不成熟，人員的培訓(xùn)方面也會(huì)使生產(chǎn)成本較高。且真空導(dǎo)入工藝常常會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂浸潤(rùn)不均，補(bǔ)救方法較繁瑣，缺陷嚴(yán)重情況下，制品易報(bào)廢。

4 工藝檢驗(yàn)

玻璃鋼檢驗(yàn)主要針對(duì)玻璃鋼的組分組成和各種力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行，其中組分檢驗(yàn)主要為樹(shù)脂含量的校核，力學(xué)試驗(yàn)主要是夾層板的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)檢驗(yàn)。

4.1 樹(shù)脂含量的校核

玻璃鋼的組成主要是樹(shù)脂和玻璃鋼，其力學(xué)特性與積層板中的纖維含量有很大的關(guān)系，纖維含量高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般較高。使用手糊工藝制作的玻璃

鋼游艇層板，樹(shù)脂含量一般在50%～70%；而真空導(dǎo)入工藝生產(chǎn)的玻璃鋼游艇層板，樹(shù)脂含量常在30%～40%。其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 玻璃鋼組成結(jié)構(gòu)

纖維單位面積重量百分比：

積層板厚度：

由式(1)、(2)得

由推導(dǎo)公式可以得出，玻璃鋼層板的纖維含量與層板比重的關(guān)系，若纖維比重取規(guī)格常用的2.5，樹(shù)脂比重取規(guī)格常用的1.2，代入式(3)可得

從式(4)可看出積層板厚與纖維含量的關(guān)系是隨著纖維含量的增加，積層板厚減小。假設(shè)單位面積(1 m2)的積層板玻璃纖維含量是100 g/m2，則板厚和纖維含有量如圖4所示。

圖4 積層板厚和纖維含量的關(guān)系

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)地驗(yàn)證，與手糊工藝相比，真空導(dǎo)入工藝成型構(gòu)件的強(qiáng)度與模量提高顯著，其詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 玻璃鋼構(gòu)件成型手糊工藝與真空導(dǎo)入材料對(duì)比

玻璃鋼游艇的設(shè)計(jì)極富彈性，樹(shù)脂含量或纖維含量直接影響到層板的厚度、強(qiáng)度及剛性。每個(gè)游艇廠的施工情況不一樣，如果員工流動(dòng)率不大的話(huà)，可統(tǒng)計(jì)每艘船使用的玻璃纖維、樹(shù)脂量，即可得到該廠所建造的玻璃鋼船的不同樹(shù)脂含量值，或是纖維含量值Wf，如果再配合積層板的材料試驗(yàn)，可以列出不同的層板厚度、強(qiáng)度等記錄，這在游艇的初步設(shè)計(jì)階段會(huì)有很大益處。

國(guó)內(nèi)游艇制造起步晚，成規(guī)模的游艇制造廠家較少，且施工水平良莠不齊，規(guī)范中的施工工藝尚存在較多不夠詳盡的地方。游艇材料的性能檢驗(yàn)不能?chē)?yán)卡規(guī)范要求，其材料組分只能作為檢驗(yàn)參考，是否合格的決定性依據(jù)應(yīng)該是材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因此，建議相關(guān)規(guī)范無(wú)需拘泥于樹(shù)脂含量的限制，而將重點(diǎn)放在玻璃鋼材料的厚度及力學(xué)性能方面，若存在不確定時(shí)，可以參考ABS和LR關(guān)于游艇材料的力學(xué)性能的要求，如表2所示。

表2 其他船級(jí)社的材料特性參考數(shù)據(jù)

4.2 夾層板試驗(yàn)

對(duì)夾層板試板進(jìn)行剪切試驗(yàn)，以判斷是否滿(mǎn)足游艇結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)中的要求，其試驗(yàn)要求、方法和結(jié)果與層板試驗(yàn)相同。試驗(yàn)時(shí)的部位和方法應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

(1) 夾層板的剪切試驗(yàn)：夾層板的結(jié)構(gòu)是中間芯材，上下兩面為短切氈糊制成型。夾層板在游艇中的使用部位一般在折角線以上、甲板板及艙壁板等?？紤]到游艇在航行過(guò)程中受到的剪力彎矩，應(yīng)把甲板板或折角線以上(舷側(cè)板)作為試驗(yàn)對(duì)象，且原則上取最薄處。

(2) 夾層板的面板試驗(yàn)：材料與焊接規(guī)范要求夾層板的面板應(yīng)按照單層板的試驗(yàn)要求驗(yàn)證其力學(xué)性能。由于夾層板單層面板厚度約為5 mm，檢測(cè)機(jī)構(gòu)的夾具往往達(dá)不到此精度，因此，可以按照相同的材料與工藝方法再制作一塊單層板式樣，其厚度等于上下面板厚度總和，再進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié)論

玻璃鋼游艇制造環(huán)節(jié)和檢驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)較多，在國(guó)內(nèi)游艇檢驗(yàn)比較薄弱的今天，有很大的提高空間。我們還需加大技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)推廣、人員培訓(xùn)等投入，并吸引國(guó)內(nèi)外有影響力、品質(zhì)優(yōu)良的游艇品牌加入。同時(shí)依靠技術(shù)與服務(wù)，找準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的切入點(diǎn)，參與并發(fā)揮積極作用，最終建立相應(yīng)的品牌，在游艇產(chǎn)業(yè)中進(jìn)一步提升認(rèn)知度和信任度。

[1] 王繼輝.復(fù)合材料液體模塑成型技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 王武雄.游艇設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].臺(tái)灣：臺(tái)灣財(cái)團(tuán)法人聯(lián)合船舶設(shè)計(jì)中心，1996.

[3] 龔國(guó)圍,林溪.真空芯材導(dǎo)流工藝在玻璃鋼游艇制造中的應(yīng)用研究[J].廣東造船,2010,(4):43-45.

[4] 倪志敏,周海英.關(guān)于玻璃鋼游艇的建造檢驗(yàn)技術(shù)[J].船舶檢驗(yàn),2010,(4):59-60.

The Analysis on FRP Yacht Hull Process

CHENG Xue-cheng1, ZHENG Zhen-hao2

(1.Fuzhou Branch, CCS, Fuzhou Fujian 350000, China;2.Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao Shandong 266071, China)

The manufacture of glass-fiber-reinforced plastics yacht hull is the foundation of manufacturing and the major determinants for security. This paper mainly introduces the focus of checking the manufacturing process and discusses the importance of glass-fiber-reinforced plastic material mechanical properties and inspection of the improvement suggestions and opinions.

Craft acceptation Lamination Vacuum infusion process Resin content

陳學(xué)誠(chéng)(1983-)，男，驗(yàn)船師。

U671

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