塑料管在船舶上建區(qū)域管路系統(tǒng)中的應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

一般船舶的使用時(shí)間為25～30年，經(jīng)過表面鍍鋅處理的鋼質(zhì)管材在海水中的使用壽命為7～10年，通常需要更換2～3次，更換維護(hù)所需的設(shè)備及工藝相對復(fù)雜，所需成本高。而塑料管道綠色環(huán)保、耐沖擊、內(nèi)外壁均耐腐蝕，使用時(shí)間大于船體壽命。同時(shí)，塑料管還具有安裝維護(hù)方便、用人少的特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在船舶建造中。

1 塑料管與傳統(tǒng)金屬管特性

1)質(zhì)量。大中型船舶的上層建筑等要求控制質(zhì)量、提高船舶運(yùn)營載重和乘員數(shù)量，塑料管與傳統(tǒng)鋼管和銅管質(zhì)量對比見表1。

表1 塑料管與鋼制管及銅管質(zhì)量對比 (每100 m質(zhì)量)kg

由表1可見，塑料管質(zhì)量較碳鋼、不銹鋼、銅質(zhì)管輕。

2)價(jià)格和安裝工時(shí)。塑料管比傳統(tǒng)鍍鋅鋼管、銅管的單位長度價(jià)格低[1]，而且施工方便，接頭規(guī)格尺寸齊全，彎頭等管附件的黏接、焊接管件方便、迅速，安裝用人少，無需在管內(nèi)外再進(jìn)行表面處理，節(jié)省工料。

3)使用壽命。傳統(tǒng)鍍鋅鋼管在海水中的使用壽命為7～10年，而塑料管根據(jù)管材環(huán)向抗拉強(qiáng)度的長期靜水壓力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)值(HDB)，在規(guī)定環(huán)境條件下塑料管使用壽命可達(dá)50 年[2]。同時(shí)，因其內(nèi)外壁耐腐蝕、不易結(jié)垢，采用電熔焊技術(shù)進(jìn)行連接和維修，焊接點(diǎn)與管材熔為一體，安全無泄露，使用壽命大于船體生命周期。

4)清潔無毒, 安全衛(wèi)生。塑料管不會與傳輸介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會產(chǎn)生毒性，內(nèi)壁光滑、不易結(jié)垢、不易產(chǎn)生細(xì)菌。如PE-RT管、PPR管材及衛(wèi)生級的PVC管材均經(jīng)有關(guān)醫(yī)衛(wèi)單位檢驗(yàn), 符合飲水食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[3]。

5)抗靜電、耐振動、可吸聲。與金屬管相比,塑料管是一種高分子材料，是經(jīng)過聚合反應(yīng)后的產(chǎn)物。通過聚合反應(yīng)改變聚連體在主鏈上的位置和密度，從而達(dá)到對分子進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的，使其具備了耐溫性，耐靜液壓強(qiáng)度和優(yōu)良的抗沖擊波強(qiáng)度，利用材料本身的粘彈性能達(dá)到降低振動和噪音的目的，適用于上建的居住區(qū)域的管系布置，提高乘客舒適度。

6)改善作業(yè)環(huán)境，提高施工作業(yè)安全性。塑料管路系統(tǒng)采用熱熔焊接形式，減少了鋼質(zhì)管材焊接造成的污染及后續(xù)打磨作業(yè)帶來的噪音和金屬粉塵，改善作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，塑料管材的粘接、熱熔作業(yè)過程中無明火作業(yè)，提高了作業(yè)環(huán)境的安全系數(shù)。

7)施工作業(yè)空間。塑料管采用電熔焊管件占地空間小，易于操作解決工程難點(diǎn)，使用手持式焊接工具，可直接對管材進(jìn)熱熔連接，適用狹小空間的管路連接。傳統(tǒng)鋼管制作工藝多，復(fù)雜程度高，同時(shí)對操作場地空間要求較大，在狹小空間需有足夠的焊接操作空間進(jìn)行作業(yè)。

8)維護(hù)方便：維修簡單快速。對塑料管的進(jìn)行修復(fù)所需維修設(shè)備少且無需專業(yè)工程人員，操作人員可根據(jù)實(shí)際維護(hù)管路情況，現(xiàn)場對管路進(jìn)行切割與修改，然后直接熱熔擠壓式連接。傳統(tǒng)鋼管的維護(hù)需要提前確認(rèn)各種管路規(guī)格及尺寸，同時(shí)需要對管材進(jìn)行提前加工，維護(hù)所需周期長且工藝繁雜，要求操作人員有相應(yīng)資質(zhì)，同時(shí)對進(jìn)行管段的施工作業(yè)環(huán)境有較高的安全要求。

2 規(guī)范對塑料管的要求

2.1 國際海事組織(IMO)對塑料管的要求

國際海事組織通過(IMO)的A.753( 18)決議的附錄1—《船用塑料管材的使用指南》(下文簡稱《指南》)為塑料管的在船舶上的使用提供認(rèn)可依據(jù)，并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)可塑料材料的使用。在《指南》中的材料設(shè)計(jì)特性和認(rèn)可中，對船用塑料管的壓力、強(qiáng)度、溫度、抗沖擊、疲勞強(qiáng)度等11項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并對耐火、火焰?zhèn)鞑ァ⒍拘?、電?dǎo)率、防火涂覆等6項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。同時(shí)，《指南》對管路的支撐、外部載荷、安裝、檢驗(yàn)、防火和水密艙壁的穿艙、管路修復(fù)等涉及塑料管路安裝、質(zhì)量控制的8項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行解釋。決議附件中，同時(shí)規(guī)定防火試驗(yàn)和相應(yīng)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(附錄1、附錄2和附錄3)[4]。

2.2 國際造船協(xié)會對塑料管的要求

IACS國際船級社協(xié)會IACS UR P4—《船用塑料管的生產(chǎn)與應(yīng)用》(下文簡稱《應(yīng)用》)，在(IMO)的A.753(18)的基礎(chǔ)上，對塑料管的使用范圍又做了進(jìn)一步的明確說明，對塑料管的強(qiáng)度、抗沖擊力、載荷、溫度等參數(shù)有詳細(xì)的要求，同時(shí)，《應(yīng)用》對塑料管防火、火焰?zhèn)鞑?、連接、安裝要求有了更細(xì)致的說明，并對塑料管系的檢查和試驗(yàn)要求也進(jìn)行了闡述[5]。

2.3 船級社對塑料管的要求

各主要船級社均依照《指南》和《應(yīng)用》要求修訂相關(guān)塑料管道耐火、火焰?zhèn)鞑?、防火涂覆及電?dǎo)率的要求，同時(shí)需對進(jìn)行塑料管產(chǎn)品的進(jìn)行耐火實(shí)驗(yàn)，其中：法國船級社(BV)《鋼制船舶入級規(guī)范》規(guī)定，對于塑料管和其相關(guān)聯(lián)用附件的耐火要求，應(yīng)按照國際海事組織(IMO)的A.753(18)決議的附錄1進(jìn)行試驗(yàn)[6]；美國船級社(ABS)《鋼制船舶入級規(guī)范》規(guī)定，塑料管穿過“A”或“B”級防火區(qū)的防火試驗(yàn)程序應(yīng)按照“A”、“B”和“F”級艙壁的防火試驗(yàn)程序的建議(經(jīng)修正的)IMO的A.754(18)決議進(jìn)行試驗(yàn)；中國船級社(CCS)《鋼制船入級與建造規(guī)范》規(guī)定，塑料管在船上的應(yīng)用范圍及其部位應(yīng)按附錄I規(guī)定并滿足表中規(guī)定的防火要求，其附錄I是根據(jù)(IMO)的A.753(18)與IACS UR P4為基礎(chǔ)進(jìn)行的編寫，專門確定了塑料管耐火、火焰?zhèn)鞑ァ⒎阑鹜扛布半妼?dǎo)率的要求,用以規(guī)定塑料管在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的條件[7]。

3 塑料管性能

各種塑料管的性能指標(biāo)對比見表2、3。

表2 各種塑料管的性能指標(biāo)對比

4 塑料管的連接

4.1 PE管熱熔焊接

塑料管熱熔焊接是通過對管材、管附件加熱，使塑料軟化，再通過外力擠壓讓管段結(jié)合在一起的施工方式。主要分為承插連接和對接連接兩種工藝形式(見圖1)，其中：對直徑D大于或等于140 mm的管材建議選用對接焊連接工藝。熱熔連接工具應(yīng)準(zhǔn)確控制承插對接精度，保證加熱面溫度分布均勻，使加熱面的結(jié)構(gòu)符合焊接工藝的要求[8]。

保證切斷面與管子軸線垂直，使用刮皮器去除熔接段的管端表皮，確保去除因氣候作用或其他污染造成的不利于熔接的管外表層，并用專用清潔劑，清除管端和管附件的油污與灰塵[9]。

表3 塑料管材應(yīng)用范圍

連接前在管子和管附件所要求的位置上作標(biāo)記，注意作標(biāo)記的筆不能用油性墨水。(油性墨水易造成夾渣，使熔接點(diǎn)熔接質(zhì)量不穩(wěn)定)。

在保證所需要的熔焊性能的前提下，熱熔承接焊可在 5 ℃以上環(huán)境進(jìn)行。Φ25～Φ63 可用手動焊機(jī)連接，Φ75～Φ110 用臺式焊機(jī)連接。

在保持時(shí)間內(nèi)，要求保持管子和管附件相對固定，不許相互轉(zhuǎn)動、彎曲和拉拔，在冷卻結(jié)束之前，確保熔接焊部位(管子和管附件)不受外力影響。

圖1 塑料管連接示意

檢查焊接部位是否整潔，如果焊點(diǎn)熔瘤上有殘留物必須將殘留物清除；檢查焊接位置的兩道熔瘤大小差異，差異度超過50%，需對管段否則進(jìn)行更換；檢查熔瘤是否存在裂縫，焊點(diǎn)是否存在氣孔，如有裂縫或氣孔必須更換；檢查是否滿足同軸要求，若不同軸必須進(jìn)行更換。

4.2 PVC 管粘接

管路系統(tǒng)的粘接，是管路安裝的重要工序，決定了整個(gè)系統(tǒng)的完整性。管子和管附件上的膠水涂層在溶解成半液態(tài)狀態(tài)下組裝，兩層膠水會形成一層膠層，并將連接處固化到一起。隨著粘結(jié)溶劑的揮發(fā)，溶解的粘接表面和溶劑膠層將硬化，完成管子與管件的連接[10]。

去除毛刺，用清潔織物擦管子端部和接頭內(nèi)側(cè)，以清除灰塵、油脂和潮濕。

檢查管子和接頭配合狀況，管子在不受外力的情況下，至少應(yīng)插入接頭插口 1/3 處深度，用銼刀或砂紙?zhí)幚砉茏右允蛊渑c接頭配合良好。使用專用清潔劑去除管子端部與接頭內(nèi)表面的光釉。

接頭內(nèi)壁涂一薄層粘接劑，然后在管子端部與接頭套管深度相等范圍內(nèi)，快速均勻的涂一層粘接劑。

在粘結(jié)劑未干的情況下，將管子插入接頭套管并扭轉(zhuǎn)大約 1/4 圈，以使膠水分布平整，并將管子插到套管底部，禁止在管子插到管件插槽底部后繼續(xù)扭轉(zhuǎn)。

手緊握管子和接頭保持至少 30 s，以防止管子從套管中退出。擦掉連接處剩余的粘接劑。

為確保粘接強(qiáng)度，管路需靜止15 min，對于進(jìn)行壓力試驗(yàn)的管路，應(yīng)在粘接完成24 h后再進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

5 塑料管的支架形式與安裝

管支架是塑料管系與船體結(jié)構(gòu)的連接部分,管道內(nèi)充滿介質(zhì)后，是原有重量的幾倍，同時(shí)，船舶在運(yùn)營中的振動，增加了塑料管路連接點(diǎn)的應(yīng)力。通過管支架支撐、固定管路，限制塑料管路的移動和變形，保證塑料管路的完整性[11]。圖2為PE管管卡式、圖3為PVC管管卡形式，圖4為管支架形式。

圖2 PE管管卡形式

圖3 PVC管管卡形式

圖4 管支架形式

管支架的布置主要依照塑料管路的走向，布置取決于幾個(gè)因素：材料的撓度、管壁的平均溫度、管壁的厚度。管卡的間距在計(jì)算值的基礎(chǔ)上，可以有一定的差值。

管卡的具體設(shè)置位置應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)要求。

1)2個(gè)固定支架之間需有一個(gè)滿足管路伸縮的膨脹環(huán)；對塑料管的膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，減少膨脹對管材造成的軸向應(yīng)力。

2)管支架應(yīng)盡量設(shè)置在船體縱梁、如焊接在甲板面或是艙壁需增加三角墊板。

3)在彎頭兩端的直管段及管路載荷較集中區(qū)域設(shè)置固定支架。

4)靠近設(shè)備或法蘭閘閥等處應(yīng)設(shè)置閥件支架，減少設(shè)備或閥件對塑料管的外部拉力。

6 防火套管安裝

根據(jù)《國際海上人命安全公約》 ，全船防火區(qū)域可分為A、B、C 3個(gè)等級。船用塑料管路無法滿足防火等級要求。因此，必須在管路與艙壁之間增加一段鋼制套管或符合規(guī)范要求的貫穿件裝置。塑料管路貫穿件裝置固定在 A0～A60級艙壁和甲板上，并添充防火堵料，增強(qiáng)管路的防火能力，滿足公約要求。