大型玻璃鋼漁船建造技術(shù)

杜秋峰，隋江華，寧康華，于云飛

(1 大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2 大連環(huán)球國(guó)際船舶制造有限公司，遼寧 大連 116047)

玻璃纖維復(fù)合材料(俗稱玻璃鋼)具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易成型、絕熱和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是建造漁船船體的基本材料。20世紀(jì)50年代，美國(guó)、日本等國(guó)開始用玻璃鋼建造漁船，技術(shù)逐漸成熟，并已廣泛應(yīng)用，且普及率較高[1-3]。20世紀(jì)70年代中國(guó)開始建造玻璃鋼漁船，但設(shè)計(jì)和建造技術(shù)相對(duì)落后[4]。近年來(lái)，在國(guó)家漁業(yè)漁船管理政策支持下，許多小型玻璃鋼船廠相繼建立，研制利用玻璃鋼建造漁船，但存在漁船建造質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、使用壽命低等缺陷和不足[5]。本文以玻璃鋼漁船的特殊性為出發(fā)點(diǎn)，從模具的建造形式、原材料的選取、成型技術(shù)、船體結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合夾層的船體外板與甲板等方面，對(duì)大型玻璃鋼漁船的建造技術(shù)進(jìn)行綜述。

1 大型玻璃鋼漁船的特點(diǎn)

根據(jù)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范》(2008)和《漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則》的要求，玻璃鋼漁船可劃分為小型、中型和大型。從漁船的船長(zhǎng)、船型、作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時(shí)間、成型方式和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比(表1)。根據(jù)大型玻璃鋼漁船作業(yè)環(huán)境的特殊性可以看出其具有連續(xù)性的特點(diǎn)。作業(yè)時(shí)，船體受海浪沖擊，在物資轉(zhuǎn)載時(shí)也受到擠碰，作業(yè)時(shí)間可達(dá)兩年，而這種連續(xù)性作業(yè)還需要其具有遠(yuǎn)洋性特點(diǎn)，即抗風(fēng)、抗浪、耐水、耐腐蝕和足夠的船體強(qiáng)度[6]；要求其采用混合式結(jié)構(gòu)，艏部外板、折角區(qū)域和船底板等關(guān)鍵位置需進(jìn)行加強(qiáng)[7-8]。

為滿足大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船的遠(yuǎn)洋性和連續(xù)性特點(diǎn)，在建造過(guò)程中采用模塊化集成技術(shù)，減少現(xiàn)場(chǎng)拼裝制作。例如，油柜、水柜、駕駛臺(tái)、機(jī)艙蓋、風(fēng)道可采用模塊化集成技術(shù)，模塊與模塊組裝，模塊與船體組裝[9]。施工過(guò)程程序化、標(biāo)準(zhǔn)化，保證船體建造質(zhì)量，縮短船體建造周期[10]。

2 模具建造形式

玻璃鋼漁船在建造時(shí)，船體模具的好壞是玻璃鋼漁船成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，一個(gè)高品質(zhì)玻璃鋼船的船體模具預(yù)示著這艘船已經(jīng)建成30%[11]。玻璃鋼漁船的船體模具采用骨架成型陰模的方法建造[12-14]。船體的模具可分為整體式和組裝式。整體式模具與游艇模具類似，船體模具為一整體，建造模具時(shí)不設(shè)置分割點(diǎn)，脫模時(shí)采用吊裝脫模的方式，適用于滑行艇和半滑行艇；組裝式模具可拆分，模具建造時(shí)設(shè)置雙肋位分割點(diǎn)，糊制前整體組裝，脫模時(shí)拆分模具，適用于有球鼻艏和艉舵拖的船舶。

表1 玻璃鋼漁船船型、結(jié)構(gòu)、成型方式和作業(yè)環(huán)境對(duì)比表

大型玻璃鋼漁船一般有球鼻艏和艉舵拖，采用組裝式船體模具，可避免其后期拼裝，脫模方便安全。以某船舶制造公司承建的大型玻璃鋼遠(yuǎn)洋漁船為例，車間寬25 m，高14 m，長(zhǎng)70 m，吊車30 t，該船模具高9 m，車間可滿足正常生產(chǎn)需求，該船船體完工后的重量約為80 t，吊裝脫模需要車間高度大于25 m，但由于車間高度和吊車能力的限制，使該船不能采用吊裝脫模的方式。結(jié)合車間的情況和船體模具適用性，采用組裝式模具，將船體模具分成10個(gè)部分(圖1)，在每個(gè)部分的連接處設(shè)置雙肋位，預(yù)留合攏間隙。建造前，按順序從A2至A5組裝，再安裝A1和A6，測(cè)量船體模具型值，確保船體模具精度；脫模時(shí)，按反序先拆解A1和A6，再?gòu)腁5至A2進(jìn)行拆解，可吊裝脫模產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)。

圖1 組裝式模具圖

3 原材料選擇

建造大型玻璃鋼漁船的主要原材料包括樹脂、玻璃纖維和芯材。樹脂主要以間苯型樹脂或鄰苯型樹脂為主；玻璃纖維選用300 g/m2的短切氈(M300)和800 g/m2的方格布(R800)；芯材主要以聚氨酯泡沫和硬木為主，夾層板可采用輕木。

原材料選擇關(guān)系到船體成型后的質(zhì)量和強(qiáng)度，船舶部位不同，其性能要求不同，原材料選擇也不相同。如果盲目選材，不但不能發(fā)揮原材料自身特性，影響產(chǎn)品成型質(zhì)量，還會(huì)造成完工后船舶性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致船舶使用壽命下降[15-17]。所以在建造時(shí)，要有針對(duì)性的選擇原材料：(1)船體選擇耐水性能好、強(qiáng)度高、施工操作性能優(yōu)越的樹脂，如防滲層選用力聯(lián)思430ACT乙烯基樹脂，結(jié)構(gòu)層樹脂選用長(zhǎng)興1629或力聯(lián)思A400TV-957型樹脂；船體結(jié)構(gòu)的成型芯材選用密度大于40 kg/m3的聚氨酯泡沫；底龍骨選材為鋼制骨架，澆注樹脂混合砂，澆注材料與船體粘接性能更好，船舶整體結(jié)構(gòu)性能更佳。(2)機(jī)艙內(nèi)表面采用具有阻燃性能的樹脂，如長(zhǎng)興2920或力聯(lián)思8175-W-1型樹脂，機(jī)艙位置的船體結(jié)構(gòu)芯材選用實(shí)木芯材[18-20]，如柳桉木；主機(jī)基座選用樹脂混合紗為成型材料，發(fā)電機(jī)基座則采用柳桉木作為成型芯材。(3)甲板選用強(qiáng)度好，施工操作性能優(yōu)越的樹脂，如長(zhǎng)興1629或力聯(lián)思A400TV-957型樹脂；芯材的選用與船體相同；由于艏樓甲板的重量和強(qiáng)度要求，選用輕木為甲板內(nèi)的夾層芯材。(4)上層建筑選用樹脂與甲板的相同，根據(jù)上層建筑的承載強(qiáng)度要求，其縱向芯材選用柳桉木，橫向芯材選用密度大于40 kg/m3的聚氨酯泡沫。(5)油艙內(nèi)表面選用具有防腐性質(zhì)的樹脂，如長(zhǎng)興2960或430ACT乙烯基樹脂，結(jié)構(gòu)芯材選用密度大于40 kg/m3的聚氨酯泡沫。(6)水艙內(nèi)表面選用食用等級(jí)的樹脂，如力聯(lián)思430乙烯基樹脂。

4 成型技術(shù)

4.1 溫濕度和固化時(shí)間的控制

大型玻璃鋼漁船一般采用手工糊制，樹脂與固化劑合理配比量為1%～2.5%。為控制玻璃鋼船體的成型質(zhì)量，車間內(nèi)溫度要≥15℃，≤32℃，相對(duì)濕度≤85%[17]。應(yīng)根據(jù)施工面積和溫濕度調(diào)節(jié)固化劑的配比含量，控制好樹脂的固化時(shí)間，這既能避免因樹脂流掛造成船體板厚度不均，也能避免由于未進(jìn)行脫泡工序而產(chǎn)生樹脂溜膠現(xiàn)象[21]。北方5—10月是黃金季節(jié)，自然條件優(yōu)于南方，有利于玻璃鋼材料的成型，其固化后的性能更佳。

如環(huán)境溫度>32℃，樹脂固化時(shí)放熱不完全，出現(xiàn)聚熱現(xiàn)象，導(dǎo)致樹脂固化后性能失效，可采取通風(fēng)措施，降低施工環(huán)境溫度，滿足施工條件；如環(huán)境溫度<15℃，樹脂內(nèi)的自由基失去活性，導(dǎo)致樹脂不能正常固化，糊制小型舾裝件可采取在暖房?jī)?nèi)加熱的措施，糊制大型部件可采取局部加溫的措施，提高施工部位周圍的溫度，避免產(chǎn)生膠化不干現(xiàn)象；如施工環(huán)境相對(duì)濕度>85%，樹脂固化過(guò)程中水分含量過(guò)高，成型后的玻璃鋼會(huì)有氣泡，會(huì)產(chǎn)生分層現(xiàn)象，可采取烘干玻璃纖維和芯材，降低材料中的水分含量。

4.2 試板測(cè)試

試板是檢測(cè)船體外板的實(shí)際性能是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求而做的樣板。試板的拉伸強(qiáng)度與船體中剖面模數(shù)的系數(shù)有關(guān)。試板的彎曲強(qiáng)度與船體板厚度有關(guān)，也與桁材的有效腹板面積有關(guān)。試板測(cè)試，不僅可以作為檢測(cè)玻璃鋼船體質(zhì)量的重要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)玻璃鋼船舶的重要數(shù)據(jù)。

為保證試板的糊制質(zhì)量與船體相同，試板應(yīng)與船體同時(shí)糊制，這樣，試板與船體具有相同的成型方法、固化時(shí)間和積層，試板的性能可代替船體外板的性能。按建造規(guī)范的要求做試板性能檢測(cè)[22-23]。表2為間苯樹脂的手糊試板測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出，在規(guī)范要求玻璃鋼船體成型的溫濕度范圍內(nèi)，正常固化的試板，其性能遠(yuǎn)超規(guī)范要求。

表2 試板性能對(duì)比表

4.3 合理的積層方法

玻璃鋼漁船在建造時(shí)采用多氈或多布疊加成型。多氈疊加的成型方式M+M+R+M+M(M為短切氈，R為方格布)，粘接性好，但僅有一層玻璃纖維方格布增強(qiáng)層板強(qiáng)度，層板強(qiáng)度差，影響船體強(qiáng)度性能[24]；多布疊加的成型方式M+R+R+R+M，三層方格布間沒(méi)有短切氈形成的富裕樹脂層，這種方式由于玻璃纖維方格布的樹脂浸潤(rùn)不夠，導(dǎo)致粘接性不強(qiáng)，成型后容易分層。

大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船采用氈布交替鋪織的成型方式M+R+M+R+M，不僅保證船體強(qiáng)度，還能避免發(fā)生分層現(xiàn)象。在建造過(guò)程中，還要選用合理的積層方法，既能保證厚度和強(qiáng)度的要求，又能避免樹脂固化時(shí)放熱，造成的底板收縮量過(guò)大等問(wèn)題。具體積層方法要求：(1)每一次糊制從船頭至船尾一次性連續(xù)完成，按照氈布交替依次鋪層且舷側(cè)無(wú)斷點(diǎn)。(2)每層搭接位置相互錯(cuò)開，保證船體內(nèi)表面平整及整體鋪層均厚，保證船體外板強(qiáng)度，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，避免成型疊加時(shí)出現(xiàn)接頭突變、厚薄不均的現(xiàn)象[25]。(3)每次糊制厚度不超過(guò)5 mm，防止因聚熱而影響樹脂正常固化。(4)在特殊部位如折角、水線以下以及距船艏1/3船長(zhǎng)區(qū)域作加強(qiáng)積層。(5)加強(qiáng)層在船體板的基礎(chǔ)厚度上進(jìn)行糊制，并穿插在船體正常的積層中，可使加強(qiáng)層固化后不會(huì)引起外板的過(guò)度收縮。

5 船體結(jié)構(gòu)

5.1 深層次連接的混合式船體結(jié)構(gòu)

玻璃鋼材質(zhì)有剛性不足、柔性有余的特點(diǎn)，當(dāng)玻璃鋼船船長(zhǎng)超過(guò)40 m時(shí)，船體的總縱強(qiáng)度不能得到保證。為滿足大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船的遠(yuǎn)洋性和連續(xù)性特點(diǎn)，要求船體縱向和橫向結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，以彌補(bǔ)玻璃鋼船體的剛性不足[26-28]。

在以聚氨酯泡沫為芯材的玻璃鋼船體結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為玻璃鋼成型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，聚氨酯泡沫的強(qiáng)度不參與計(jì)算，所以同樣的結(jié)構(gòu)材料，其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的差別與結(jié)構(gòu)的成型方法有很大關(guān)系[29-30]。玻璃鋼漁船用于近海和沿海作業(yè)，其結(jié)構(gòu)形式為縱骨架式或橫骨架式?？v骨架式只能保證縱向結(jié)構(gòu)連續(xù)，橫向結(jié)構(gòu)的連接方式為對(duì)接，橫向玻璃鋼結(jié)構(gòu)成型不連貫，對(duì)接部位受力后纖維容易受損折斷[31-32]；橫骨架式只能保證橫向結(jié)構(gòu)連續(xù)，縱向結(jié)構(gòu)的連接方式為對(duì)接，對(duì)接部位受力后也會(huì)產(chǎn)生纖維折斷的現(xiàn)象。因此，大型玻璃鋼漁船一般采用深層次連接的混合式船體結(jié)構(gòu)形式，縱橫結(jié)構(gòu)均連續(xù)，縱向結(jié)構(gòu)與船體外板相連，結(jié)構(gòu)無(wú)斷點(diǎn)；橫向結(jié)構(gòu)跨在縱向結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)無(wú)斷點(diǎn)，分別與船體和縱向結(jié)構(gòu)相連。縱向補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)嵌入兩橫向結(jié)構(gòu)間，分別與縱向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)相連?；旌鲜降拇w結(jié)構(gòu)分次連續(xù)成型，減少應(yīng)力集中點(diǎn)，增強(qiáng)了船體的結(jié)構(gòu)性和整體強(qiáng)度。

5.2 復(fù)合夾層的船體板與甲板

玻璃鋼漁船一般用于近海和沿海作業(yè)，其船體板和甲板為單層板，在板格間沒(méi)有填充物，儲(chǔ)備浮力相對(duì)較小，當(dāng)船體發(fā)生碰撞時(shí)，單層船體不能防止破損處滲漏，安全系數(shù)相對(duì)低一些。為適應(yīng)大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船作業(yè)需求和保證漁船安全，船體和甲板為夾層板(圖2)，內(nèi)外船殼有一定的間距，在深層次連接的混合式船體結(jié)構(gòu)與船體外板(外殼)形成的板格內(nèi)，填充具有阻燃和密孔性能的聚氨酯泡沫，船體外板(外殼)、混合式船體結(jié)構(gòu)、聚氨酯泡沫和內(nèi)板(內(nèi)殼)形成一個(gè)復(fù)合夾層船體板，可增加船體的儲(chǔ)備浮力。板格間的聚氨酯泡沫可增強(qiáng)船體和甲板的抗沖擊能力，有效保護(hù)船體結(jié)構(gòu)，防止污油水腐蝕。

圖2 復(fù)合夾層的船體板和甲板

6 結(jié)語(yǔ)

從模具的建造形式、原材料選擇、成型技術(shù)和船體結(jié)構(gòu)對(duì)大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船的建造技術(shù)進(jìn)行研究，并在承建的某大型玻璃鋼遠(yuǎn)洋漁船中應(yīng)用。根據(jù)大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船遠(yuǎn)洋性和連續(xù)性的特點(diǎn)，詳述了組裝式模具在車間條件和船型受限制的情況下比整體式模具更適用；有針對(duì)性的選擇原材料能滿足設(shè)計(jì)性能，延長(zhǎng)使用壽命；合理的溫濕度、固化時(shí)間、積層方式和方法更能保證大型玻璃鋼漁船的建造質(zhì)量；深層次連接的混合式船體結(jié)構(gòu)和復(fù)合夾層船體板與甲板可提高船體強(qiáng)度。大型遠(yuǎn)洋玻璃鋼漁船建造技術(shù)的研究有利于提升中國(guó)玻璃鋼漁船的建造質(zhì)量和適用性能，為我國(guó)的玻璃鋼漁船研究和發(fā)展提供參考。

□

[1] 陳遂.玻璃鋼漁船—21世紀(jì)環(huán)保節(jié)能利國(guó)利民的好項(xiàng)目[J].中國(guó)能源,2000(11):30-31.

[2] 李彥春.國(guó)內(nèi)外玻璃鋼漁船的發(fā)展[J].熱固性樹脂,1998(1):27-31.

[3] MASUDA Y,YAMASAKI J,IHARA F,et al.Effects of Watery Environment on Fatigue Properties of FRP[J].Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,1978,44:1103-1113.

[4] 趙紅萍,王唯涌,姚琳.我國(guó)玻璃鋼漁船發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策[J].中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì),2013,31(4):28-33.

[5] 鄭建麗,高超.我國(guó)玻璃鋼漁船產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路徑淺析[J].中國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì),2016,34(4):42-47.

[6] 梁華軍.玻璃鋼船建造工藝現(xiàn)狀分析[J].造船技術(shù),1991(12):20-24.

[7] 宗君華.36米玻璃鋼金槍魚延繩釣漁船型線及推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[8] 李亞南.折角對(duì)玻璃鋼漁船阻力影響的數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[9] 柏志輝,葉家瑋,李躍先.模塊化技術(shù)在玻璃鋼游艇設(shè)計(jì)建造中的應(yīng)用[J].船舶工程,2010,32(1):65-68.

[10] 曾曉鵬,葉家瑋,張巖.基于模塊化的玻璃鋼游艇設(shè)計(jì)與建造[J].廣東造船,2012,31(5):60-63.

[11] 于功志,張吉勇.玻璃鋼模具的制造工藝研究[C]//亞太地區(qū)船舶維修與修理工程會(huì)議.現(xiàn)代船舶機(jī)電維修技術(shù),2005.

[12] PARK C H,SAOUAB A.Analytical Modeling of Composite Molding by Resin Infusion with Flexible Tooling:VARI and RFI processes[J].Journal of Composite Materials,2009,43(18):1877-1900.

[13] 姚樹鎮(zhèn).玻璃鋼船體分片成型工藝[J].江蘇船舶,1991(1):22-25.

[14] 繆云仙,楊榮生.玻璃鋼船艇模具成型工藝應(yīng)用的探討[J].江蘇船舶,2006,23(5):6-8.

[15] 張王根.玻璃鋼漁船建造工藝研究報(bào)告[J].纖維復(fù)合材料,2001(2):17-19.

[16] 郭明祖.國(guó)外玻璃鋼船建造規(guī)范—關(guān)于材料質(zhì)量控制的一般概況[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,1987(1):22-27.

[17] 姚樹鎮(zhèn).玻璃鋼漁船推廣難的原因初探[J].中外船舶科技,2012(2):29-30.

[18] 范寶溪.美國(guó)玻璃鋼游艇的建造材料及其選用原則[J].江蘇船舶,1984(2):19-25,29.

[19] 張信田.純聚氯乙烯泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)在玻璃鋼造船中的應(yīng)用(上)[J].纖維復(fù)合材料,1990(4):35-41.

[20] 姚樹鎮(zhèn).玻璃鋼船艇生產(chǎn)工藝技術(shù)資料集錦(五)[J].中外船舶科技,2007(2):39-41.

[21] 佚名.玻璃鋼船體建造工藝[J].江蘇船舶,1983(1):26-31.

[22] 中國(guó)船級(jí)社.玻璃纖維增強(qiáng)塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范(2008)[S].

[23] 胡中永.玻璃鋼/復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)化和檢測(cè)技術(shù)回顧[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(9):63-70.

[24] 劉文濤,陶繼林,馮振玉.玻璃鋼船是否必須一層氈一層布糊制[J].中國(guó)船檢,2014(9):90-92.

[25] 姚樹鎮(zhèn).玻璃鋼技術(shù)—玻璃鋼船體建造質(zhì)量的關(guān)鍵[J].中外船舶科技,2014(2):38-41.

[26] 胡珍伍.標(biāo)準(zhǔn)化玻璃鋼示范漁船船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[27] DODKINS A R,SHENOI R A,HAWKINS G L.Design of joints and attachments in FRP ships’ structures[J].Marine Structures,1994,7(2):365-398.

[28] 邱建新.玻璃鋼材料在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].中國(guó)水運(yùn):理論版,2007,5(1):8-9.

[29] 邱天霞,焦志剛,宋協(xié)法,等.玻璃鋼漁船船體骨架結(jié)構(gòu)形式的研究[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000(1):62-67.

[30] 牟宗寶,林焰,于雁云.玻璃鋼漁船帽形骨材頂角變化對(duì)應(yīng)力集中的影響[J].船舶工程,2012,34(5):17-19.

[31] 劉曉超.玻璃鋼漁船主要構(gòu)件等效和骨架形式選型研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[32] CHRISTENSEN R M.Tensor transformations and failure criteria for the analysis of fiber composite materials[J].Journal of Composite Materials,1988,22(9):874-899.