小型聚乙烯材料漁業(yè)船舶應(yīng)用分析

楊 燁 ， 沈 烈， 隋江華， 孫繼光

(1. 大連海洋大學 航海與船舶工程學院,大連 116023； 2.遼寧漁業(yè)船舶檢驗局，大連 116015)

小型聚乙烯材料漁業(yè)船舶應(yīng)用分析

楊 燁1， 沈 烈1， 隋江華1， 孫繼光2

(1. 大連海洋大學 航海與船舶工程學院,大連 116023； 2.遼寧漁業(yè)船舶檢驗局，大連 116015)

隨著國家對低碳、節(jié)能、環(huán)保的日益重視，漁民對小型漁業(yè)船舶使用要求不斷提高，節(jié)能環(huán)保、耐腐蝕、耐碰撞、低成本的小型聚乙烯漁業(yè)船舶開始嶄露頭角。在充分進行國內(nèi)市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，闡述了采用不同聚乙烯原材料和建造工藝建造船舶的優(yōu)缺點，分析了聚乙烯材料船舶的特點。研究了低密度聚乙烯船舶和高密度聚乙烯船舶的生產(chǎn)工藝和關(guān)鍵性技術(shù)。最后針對我國漁船的發(fā)展現(xiàn)狀，對聚乙烯漁業(yè)船舶的應(yīng)用提出建議和措施。

聚乙烯船舶； 滾塑成型； 焊接成型

我國漁業(yè)船舶發(fā)展現(xiàn)狀為：小型漁船多，大型船舶少；木質(zhì)漁船多，鋼質(zhì)漁船少；老舊漁船多，新造漁船少；沿岸漁船多，遠海漁船少；能耗投入多，效益產(chǎn)出少。我國漁船的發(fā)展現(xiàn)狀不符合國家綠色船舶發(fā)展戰(zhàn)略，小型木質(zhì)漁船數(shù)量龐大，迫切需要升級改造，漁船老化現(xiàn)象十分普遍，急待更新，安全能耗問題突出[1]。

目前，國內(nèi)長15 m以下的各類小型漁業(yè)船舶大多數(shù)都是木船，少數(shù)為鐵船和玻璃鋼船等，這些船舶的存在和發(fā)展有其歷史的必然性。隨著國家對低碳、節(jié)能、環(huán)保的日益重視，對水環(huán)境防污染要求的不斷提高，以及用戶對小型漁業(yè)船舶使用要求的提升，耐腐蝕、耐碰撞的聚乙烯船開始嶄露頭角，這種迄今為止環(huán)保特性最好的新型船舶，有望成為小型漁業(yè)船舶領(lǐng)域替代木船、鐵船和玻璃鋼船的新一代船舶。

1 小型聚乙烯材料漁業(yè)船舶主要成型工藝特點分析

聚乙烯(簡稱PE)在物理性能上有密度小(0.930 ～ 0.972 g/cm3)，無毒無味，無磁性，不導電的特點；化學性能上有穩(wěn)定性高，耐各種腐蝕，分解溫度高的特點；加工性能上有流動性好，加工溫度低，黏度適中的特點；力學性能上有良好的沖擊強度(≥15 J/mm)和耐受環(huán)境應(yīng)力開裂性能，是建造船舶的理想材料[2]。聚乙烯材料按密度的不同又分為：低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)[3]等。

聚乙烯船體目前主要有兩種加工成型工藝：一是直接滾塑成型，二是先加工成聚乙烯板材后通過焊接形成船體結(jié)構(gòu)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這兩種加工成型方式國內(nèi)聚乙烯船企都有采用，并各有優(yōu)缺點，下面具體加以介紹。

1.1滾塑成型聚乙烯船體

1.1.1 滾塑成型聚乙烯船體的優(yōu)點

滾塑成型最顯著的特點就是原料的加熱、成型和冷卻過程都是在無壓的模具內(nèi)進行[4-5]。這樣的特點使得滾塑制品具有以下優(yōu)點：

(1)滾塑成型可以生產(chǎn)制造出大型復(fù)雜的中空制品。

(2)滾塑制品整體一次成型，無接縫，無內(nèi)應(yīng)力，不易變形，強度較高。

1.1.2 滾塑工藝對于滾塑成型原材料的限制條件

(1)樹脂的熔體流動速率：熔體流動速率過大，樹脂流動性提高，制品的內(nèi)表面易出現(xiàn)凹凸不平的流跡線，致使制品強度降低；若熔體流動速率過小，則樹脂流動性差，成型困難。聚乙烯滾塑專用樹脂的熔體流動速率一般要求在2～10 g/10 min[6-7]。

(2)樹脂密度：密度高時，材料剛性大，抗沖擊性能差。密度低時，抗沖擊性能好，耐環(huán)境應(yīng)力開裂性好,但強度和剛性較差。聚乙烯滾塑專用樹脂的密度一般在0.924～0.94 g/cm3。

(3)樹脂的熱穩(wěn)定性：聚乙烯滾塑專用樹脂必須具有良好的熱穩(wěn)定性以承受一定時間的高溫作用。

1.1.3 滾塑成型聚乙烯船體的生產(chǎn)方式

為了滿足滾塑成型工藝特點要求，滾塑成型的聚乙烯船體原材料大都采用流動性較好的LLDPE材料，該原材料目前90%以上都要依靠進口。但由于LLDPE強度、剛度較低，用其生產(chǎn)船體時為了保障船舶的安全性，需要對LLDPE船體進行增強處理。經(jīng)調(diào)研，目前聚乙烯船體生產(chǎn)企業(yè)普遍采用的技術(shù)手段有三種。

(1)采用雙層中空技術(shù)來加強聚乙烯船體的總強度。這種技術(shù)對滾塑工藝溫度、旋轉(zhuǎn)速度、投料時間、發(fā)泡時間等參數(shù)的控制有較高的要求，要保障雙層中空船體厚度均勻、性能一致難度較大，且無損檢測難度也較大。

(2)先制造出單層聚乙烯船體，再仿照木船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在聚乙烯船體內(nèi)部焊接橫向艙壁、加強筋等結(jié)構(gòu)進行加固。仿照木質(zhì)船舶焊接內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)的方法操作簡單，但焊縫強度和疲勞性能仍需做進一步的測試來進行驗證，如懸臂梁缺口沖擊強度和簡支梁缺口沖擊強度測試。

(3)采用三層結(jié)構(gòu)新工藝一次成型制作。這種結(jié)構(gòu)是由兩片硬質(zhì)面層和芯層組成，硬質(zhì)面層為聚乙烯材料，芯層采用低密度聚乙烯發(fā)泡材料，經(jīng)過擠壓、壓延定型后的三層結(jié)構(gòu)板材具有質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)點。

1.2焊接成型聚乙烯船體

仿照鋼質(zhì)船舶的制造工藝，采用HDPE板材直接焊接成型船體結(jié)構(gòu)[6]。該工藝簡單，投資少，成本低，船型設(shè)計靈活，且船體強度要高于普通滾塑材料。

采用高密度聚乙烯材料制造的船舶與用其它材料建造的船舶相比具有如下優(yōu)勢：

(1)安全性能進一步提高。船體采用高壓擠出型材，經(jīng)進口焊接設(shè)備焊接成型，焊縫強度接近本體強度，所有接觸水的部位采用雙層焊接工藝，強度是常壓條件下成型的滾塑制品無法比擬的。材料本身比水輕，尤其是低溫條件下抗沖擊強度大，不易破損，發(fā)泡填充雙層船體，結(jié)構(gòu)強度大、載重量大。

(2)養(yǎng)護成本大幅下降。HDPE船體不受海水腐蝕，密度較高，分子量較大，孔隙小，材料表面自潤滑性高，難以附著海洋生物，不蟲蛀，不用除銹、涂油漆，不存在玻璃鋼應(yīng)力分層、冬季發(fā)脆現(xiàn)象，破損修補容易，是真正意義上的船體免維護船舶。

(3)節(jié)能環(huán)保。HDPE船體與水的摩擦系數(shù)很低，不吸水、附著海洋生物少，航速較同規(guī)格同功率的其它材料船舶要快至少25%以上，降低了排放，報廢后可再生利用，既節(jié)能又環(huán)保。

(4)使用壽命長。HDPE船舶理論壽命達30年。

2 聚乙烯材料漁業(yè)船舶特點分析

與木船、鐵船和玻璃鋼船等傳統(tǒng)材質(zhì)的小型漁業(yè)船舶相比，聚乙烯船舶有以下優(yōu)勢。

2.1安全性好

作為船舶首要考慮的問題，從抗沉性、抗風性和耐碰撞性這三個方面進行分析。

2.1.1 抗沉性

聚乙烯的比重只有0.951 g/cm3左右，比水輕，大約只有鐵的1/7，玻璃鋼的1/2。因此聚乙烯的密度小于水，與水接觸時始終會浮在水面上，用聚乙烯材料制造的船舶抗沉性好，船舶本身即使灌滿水也不會沉沒，反而還可以成為救生的物體。裝上機器設(shè)備后重量增加，但因為船體水密艙的存在，船舶也不易沉沒。

2.1.2 抗風性

聚乙烯船艇的壓載重心低，穩(wěn)性好、抗風能力強，與同類鋼質(zhì)船相比，在其他參數(shù)不變的情況下，聚乙烯船的橫搖周期可縮短2～3 s[8]，在風浪中起浮性好，復(fù)原能力強，相對而言抗風能力增強。

2.1.3 耐碰撞性

聚乙烯船舶由于采用了一次性整體成型的滾塑工藝制造，船體無接縫，無內(nèi)應(yīng)力，再加上使用的是有韌性、回彈性好、抗沖擊的聚乙烯材料，碰撞力易于被吸收，所以耐碰撞性能較好，船體不易出現(xiàn)裂紋、凹陷等。采用焊接成型的高密度聚乙烯船舶，在保障焊縫強度不低于基體的情況下，也表現(xiàn)出良好的耐沖擊性能。

2.2節(jié)能降耗

由于聚乙烯材料比重較小，所以聚乙烯船艇自重更輕，燃料消耗更少，能效比更高，比木船、鐵船和玻璃鋼船等更節(jié)能。以內(nèi)河(湖泊)聚乙烯船舶為例，根據(jù)估算，內(nèi)河聚乙烯船舶的自重只有木船重量的2/3、鐵船的1/2。按載荷比計算，耗油量一般可以節(jié)省15～25%[9]，以10m內(nèi)河漁船年耗油量1.5萬元計算，使用聚乙烯船艇每艘船每年可以節(jié)省燃料費用0.3萬元以上。使用壽命長，抗老化、耐腐蝕、耐蚌殼及水藻類吸附。

2.3綠色環(huán)保

在環(huán)保特性上，主要體現(xiàn)在船舶原料的環(huán)保、制造和維護的環(huán)保以及船艇報廢后的環(huán)保等三個方面。

2.3.1 原料的環(huán)保性

木質(zhì)漁船原材料資源日益短缺，玻璃鋼船艇原料有大量石棉、纖維、樹脂和稀釋劑等，具有較大的毒性。而聚乙烯材料無毒無味，不會對人體健康、大氣和水域環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。

2.3.2 制造、使用與維護過程中的環(huán)保性

木船、鐵船在制造和每年的維修保養(yǎng)過程中，銹鐵、油灰、油漆等都對水體和空氣有較大的污染與破壞作用。玻璃鋼船在制造過程中會釋放材料中的有毒有害物質(zhì)以及大量的粉塵，對周圍環(huán)境及人體健康有較大的影響。而聚乙烯船艇由于材料本身的穩(wěn)定性，無毒無味，耐腐免漆，不需要對船體外表進行維修保養(yǎng)，對水體和空氣不會產(chǎn)生污染和破壞。

2.3.3 回收再利用特性

木船和鐵船報廢時，其船體已基本腐爛，一般情況都將船體廢棄在水面或近岸，對周邊的水體和環(huán)境會造成污染和破壞。而廢棄的玻璃鋼船無法腐爛降解，大多隨意丟棄，成為永遠的垃圾，造成對環(huán)境的二次污染和破壞。而聚乙烯船艇在到了使用年限后，還可以全部回收再利用，不會造成對環(huán)境的污染。

2.4維護簡便節(jié)省費用

木船每年都要上排維修一次，更換捻縫油灰，更換部分腐爛損壞的骨架和船板。沿海木船約5～8年時間，整船的船板和骨架都已更新一次。鐵船也需定期上排維修，進行除銹油漆，更換銹蝕損壞變形的骨架和船板。玻璃鋼船舶碰撞后容易破損，維修也十分復(fù)雜，要清理原有的船體，在一定的溫度和氣候條件下才能維修。以上幾種船體的維護時間一般最少也要數(shù)天。而聚乙烯是耐腐蝕材料，所以船體不用每年上排涂漆維護，這就節(jié)約了大量的材料費用、人工費和時間等。即便需要修補時，只要裁剪一塊與破損處同樣大小的聚乙烯板材，然后通過焊接修補即可，簡易快捷。聚乙烯船艇的維護費用和維護時間比木船、鐵船和玻璃鋼船降低了90%[10]。

3 結(jié)論

通過以上分析可見，聚乙烯漁業(yè)船舶目前的生產(chǎn)工藝主要有兩種：滾塑成型和焊接成型，兩種成型方式都存在相應(yīng)的限制條件和優(yōu)勢，可根據(jù)不同類型的聚乙烯材料選擇最佳的船體成型工藝。

聚乙烯船舶是一種安全、環(huán)保、節(jié)能的新型產(chǎn)品，大力推廣這種新一代船舶，不但符合國家“以塑代木”、“以塑代鋼”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，也符合“保護森林、保護生態(tài)、節(jié)能環(huán)?！钡目沙掷m(xù)發(fā)展理念，經(jīng)濟意義和社會效益非常顯著。

為推動老舊漁船進行更新?lián)Q代，提出以下建議：[l4]

(1) 加強對聚乙烯漁船的宣傳，讓漁民充分了解聚乙烯漁船的優(yōu)點和益處，提升漁民使用新型漁船的動力，在漁船建造指標申請上也可給予聚乙烯船舶適當?shù)恼邇A斜。

(2) 政府機構(gòu)和漁船生產(chǎn)企業(yè)采取鼓勵措施，鼓勵漁民使用聚乙烯漁船，可將聚乙烯材料船舶列入新材料、新技術(shù)船舶補貼范圍，由政府財政補助造船經(jīng)費。

(3) 加強對新型聚乙烯漁業(yè)船舶船型設(shè)計與研發(fā)投入，加強新型聚乙烯漁業(yè)船舶研發(fā)，在條件允許的地區(qū)進行應(yīng)用示范。

(4) 加快聚乙烯材料漁業(yè)船舶建造及檢驗規(guī)范和標準的制訂。

[1] 朱孝信.艦船用高技術(shù)新材料的發(fā)展[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,1999,14(1):25-30.

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Analysisontheapplicationofsmallfisheryvesselsmadeofpolyethylenematerials

YANG Ye1, SHEN Lie1, SUI Jiang-hua1, SUN Ji-guang2

(1.SchoolofNavigationandNavalArchitecture,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China; 2.RegisterofFishingVesselofLiaoNingofthePeople’sRepublicofChina,Dalian226015,China)

With more attention paid to the concept of low carbon, energy saving and environmental protection by the Chinese government and the increasing requirements for small fishery vessels from fishermen, fishery vessels made of polyethylene have increased their presence in this industry. On the basis of full domestic market research, the advantages and disadvantages of fishery vessels made of different polyethylene raw materials with different technologies were introduced, and the features of these kinds of vessels were analyzed. And the production engineering and key manufacturing technology of both low density and high density polyethylene were studied. Finally, based on the current situation of fishing vessels in China, the suggestions and measures were proposed for the application of fishery vessels made of polyethylene materials.

polyethylene material vessel；rotation molding；weld-molding

2095-3666(2017)04-0281-04

10.13233/j.cnki.fishis.2017.04.007

2017-03-23

2017-06-05

2016年農(nóng)業(yè)部項目“聚乙烯船舶安全評價研究”

楊 燁(1985-)，碩士，研究方向：新材料漁業(yè)船舶、漁船大氣防污染、船舶柴油機、船舶輪機管理等。

E-mail:yangye@dlou.edu.cn

S 981

A