一種新型自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置的設(shè)計(jì)研究?

王宏風(fēng) 喻雄飛

（中國(guó)人民解放軍92326部隊(duì) 湛江 524000）

1 引言

當(dāng)船舶擱淺、觸礁、碰撞等原因造成艙壁破損進(jìn)水時(shí)，船舶將喪失一部分儲(chǔ)備浮力，產(chǎn)生傾斜、傾差，穩(wěn)性降低，直接威脅船舶生命力，會(huì)因穩(wěn)性不足而發(fā)生傾覆，甚至?xí)蛲耆珕适?chǔ)備浮力而沉沒(méi)。因此，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水后能否快速控制進(jìn)水或進(jìn)行堵漏，是減輕船舶危險(xiǎn)并爭(zhēng)取搶救時(shí)間的關(guān)鍵，所以損管堵漏技術(shù)一直以來(lái)都是船舶損管研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本項(xiàng)目是通過(guò)對(duì)多種損管器材（如：金屬堵漏箱、軟邊堵漏板、金屬堵漏傘、泡沫堵漏器等）進(jìn)行分析，研制的一種利用高分子緩凝發(fā)泡材料的新型堵漏裝置。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)役船舶已經(jīng)根據(jù)需要配置了較多種類的堵漏器材，對(duì)船舶生命力起到了一定程度上的保障作用。但是由于受損船體常凹凸不平，傳統(tǒng)的堵漏器材通常采用木楔、木塞、木板等形式，堵漏時(shí)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且堵漏不徹底，特別是對(duì)于噸位較大的船舶，受損部位深、進(jìn)水壓力大的情況下，堵漏更為困難。目前船舶配置的損管堵漏器材多設(shè)計(jì)定型于20世紀(jì)，多種損管器材如金屬堵漏箱、軟邊堵漏板、活頁(yè)鐵板、金屬堵漏傘等通常會(huì)在實(shí)際使用中出現(xiàn)操作不便、適用范圍小、堵漏不嚴(yán)、可靠性差等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代化新型船舶對(duì)高效堵漏的需要。

2 現(xiàn)有堵漏工具的問(wèn)題研究

針對(duì)幾種常用堵漏工具在使用中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)了討論分析，具體分析如下。

1）金屬堵漏傘

優(yōu)點(diǎn)：使用方便，堵漏速度快，水壓不太大的情況下，約30s即可完成，堵漏效果不受裂口凸起影響。

缺點(diǎn)：對(duì)于水壓較大的情況，堵漏傘撐開(kāi)比較困難。

2）金屬堵漏箱

優(yōu)點(diǎn)：操作原理簡(jiǎn)單，水壓較小時(shí)堵漏速度快，約20s可完成。

缺點(diǎn)：水壓較大時(shí)，面對(duì)破口進(jìn)水壓力時(shí)，堵漏箱很難固定到位，且要求內(nèi)壁區(qū)域破口四周平整，旁邊無(wú)水管等其它結(jié)構(gòu)阻擋，操作空間要求高，空間太狹小時(shí)無(wú)法完成操作。

3）快速（泡沫）堵漏器

優(yōu)點(diǎn)：使用時(shí)，敲碎內(nèi)置的兩個(gè)玻璃瓶，玻璃瓶里的兩種化學(xué)品混合在一起，生成泡沫類物質(zhì)，撐開(kāi)帆布袋，填充破損口，類似快干水泥的效果，可以適應(yīng)不規(guī)則形狀的破損口。

缺點(diǎn)：當(dāng)水壓較大時(shí)很難將堵漏器伸到艙外，膨脹過(guò)程需人工頂住，時(shí)間較長(zhǎng)，一次堵漏失敗，無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)拆除重新堵漏。

3 一種新型的自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置的研究設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)研分析，針對(duì)現(xiàn)有堵漏工具不易操作、適應(yīng)性差的問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置，該裝置主要由T形桿與膨脹囊組成，通過(guò)運(yùn)用基于聚氨脂的高分子聚合膨脹材料，解決當(dāng)前堵漏過(guò)程中遇到的不易操作、成功率低等難題，再通過(guò)改變聚氨脂的膨脹速度解決破口不平整、船舶內(nèi)壁不規(guī)則或有障礙物時(shí)的難題，提高堵漏自適應(yīng)性，且操作方法與堵漏箱類似無(wú)需進(jìn)行額外培訓(xùn)。

在膨脹囊的設(shè)計(jì)方面，如果將膨脹囊設(shè)計(jì)在艙外雖然有堵漏效果好，較牢靠等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是水壓大時(shí)伸到艙外較困難，且膨脹過(guò)程中需人工頂住，水壓過(guò)小時(shí)有脫落可能，如果一次堵漏不成功，很難拆除重來(lái)，因此很難將其投入到訓(xùn)練中，而將膨脹囊設(shè)計(jì)在艙內(nèi)膨脹的優(yōu)點(diǎn)則是容易伸到艙外，膨脹過(guò)程中無(wú)需人工頂住，水壓過(guò)小時(shí)不會(huì)脫落，如果一次堵漏不成功，可拆除重來(lái)，培訓(xùn)訓(xùn)練過(guò)程中易拆除，還可實(shí)現(xiàn)二次加固。

在膨脹囊內(nèi)部還應(yīng)有改進(jìn)性設(shè)計(jì)，一方面在膨脹囊內(nèi)分前后兩格，后格內(nèi)的高分子膨脹材料比前格中的材料遇水膨脹快，后級(jí)先將前級(jí)擠推至最前方破口附近時(shí)才開(kāi)始膨脹，較好改善滲水情況，另一方面膨脹囊外圍由帆布與金屬網(wǎng)組成，后端有8股后檔桿形成較大、較硬的支撐，且前端相對(duì)較軟，延展性強(qiáng)，帆布內(nèi)側(cè)加入一定數(shù)量的海綿或軟質(zhì)材料，避免滲水處形成噴射狀水柱。前端膨脹材料還可以加入粘性成份，進(jìn)一步減少滲水。

自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)由T形桿、發(fā)泡膨脹囊、后檔桿（8股）、步進(jìn)壓桿等組成。具體如圖1示意。

圖1 自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

使用時(shí)，將T形桿由艙內(nèi)通過(guò)破口伸出艙外并卡牢，手動(dòng)壓動(dòng)步進(jìn)壓桿將開(kāi)始膨脹的膨脹囊盡可能地壓向破口，使破口漏水變小，隨后膨脹囊前格內(nèi)的高分子材料才開(kāi)始膨脹并硬化，膨脹結(jié)束后即可把整個(gè)破口及內(nèi)壁全部封堵，如遇到有管道、棱角等不規(guī)則內(nèi)壁時(shí)，可自適應(yīng)變形，確保填滿整個(gè)破口，令海水無(wú)法進(jìn)入艙內(nèi)，完成堵漏，堵前堵后具體如圖2（a）、（b）示意。

圖2 堵前堵后示意圖

該設(shè)計(jì)能很好地解決現(xiàn)有堵漏裝置的九個(gè)主要缺點(diǎn)，分別是：1）破口有時(shí)內(nèi)翻有時(shí)外翻，在緊急情況下可能選錯(cuò)堵漏工具，導(dǎo)致堵漏失?。?）破口內(nèi)壁不規(guī)則，有水管、棱角、柱子等阻擋，傳統(tǒng)堵漏工具無(wú)法使用；3）破口附近有障礙物，操作空間狹??；4）破口很深，水壓很大，操作困難；5）破口較大，無(wú)堵漏工具可用；6）破口變形，不在同一平面，堵漏困難；7）破口呈長(zhǎng)條狀；8）部分新型堵漏裝備，操作較復(fù)雜，需額外培訓(xùn)；9）部分新型堵漏裝備培訓(xùn)過(guò)程中難拆除，不利培訓(xùn)。

新設(shè)計(jì)的自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置能較好地解決以上九個(gè)現(xiàn)存的缺點(diǎn)：1）T形桿的設(shè)計(jì)能適應(yīng)內(nèi)外兩種翻口；2）內(nèi)壁不規(guī)則時(shí)可通過(guò)高分子材料的二級(jí)膨脹自動(dòng)堵塞；3）操作空間狹小時(shí)，該裝置允許斜插操作；4）堵漏后期操作由裝置自動(dòng)膨脹完成，水壓很大時(shí)也能適用；5）因后期操作由裝置自動(dòng)膨脹完成，不存在人工難固定到位的問(wèn)題；6）破口變形，不在同一平面時(shí)，該裝置可通過(guò)膨脹囊的自動(dòng)變形解決；7）破口呈長(zhǎng)條狀，可同時(shí)插入多個(gè)裝置，多個(gè)裝置相互膨脹擠壓，完成長(zhǎng)條狀破口堵漏；8）該裝置原理簡(jiǎn)單，操作容易，與現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的金屬堵漏箱操作類似，無(wú)需專門培訓(xùn)；9）該裝置因膨脹囊設(shè)計(jì)在艙內(nèi)膨脹，拆除容易。

此外，自適應(yīng)緩凝發(fā)泡堵漏裝置生產(chǎn)選材方面還要從可靠耐用、簡(jiǎn)化操作流程等角度開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并盡可能采取減重措施，提高堵漏效率并降低對(duì)總體資源的消耗。

4 高分子膨脹堵漏材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)中膨脹囊內(nèi)選用聚氨酯為原材料，但是純聚氨酯存在一些問(wèn)題：1）聚氨酯強(qiáng)度不夠高；2）聚氨酯作為堵漏材料疏水性不強(qiáng)；3）聚氨酯不便于儲(chǔ)存；4）受縮合反應(yīng)影響，凝固時(shí)間難以控制。

還應(yīng)在聚氨酯內(nèi)部通過(guò)添加強(qiáng)化劑、疏水物質(zhì)、固化劑、緩凝劑等，達(dá)到增大強(qiáng)度、提高疏水性、固態(tài)化保存、膨脹時(shí)間可控等要求。在低聚物多元醇的柔性長(zhǎng)鏈構(gòu)成的軟段和以二異氰酸酯及擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的硬段上進(jìn)行分子改造，聚氨酯大分子長(zhǎng)鏈中硬段和軟段結(jié)構(gòu)單元如圖3。

圖3 聚氨酯大分子長(zhǎng)鏈中硬段和軟段結(jié)構(gòu)單元示意圖

其相應(yīng)的解決方案是：1）提高聚氨酯材料的強(qiáng)度依賴于聚氨酯硬段結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)，應(yīng)采用二苯基甲烷二異氰酸酯作為硬段分子單體，更利于硬段的規(guī)整排列和結(jié)晶，從而有利于提高聚氨酯的強(qiáng)度；2）聚氨酯的疏水性能可以通過(guò)軟段結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)，可以通過(guò)提高聚氧丙烷二醇的比例提高聚氨酯的疏水性；3）通過(guò)調(diào)節(jié)二異氰酸酯和多元醇的比例，從而調(diào)節(jié)聚氨酯預(yù)聚體的分子量，實(shí)現(xiàn)聚氨酯預(yù)聚體固態(tài)化保存；4）為了調(diào)節(jié)凝膠速度，可以加入適當(dāng)?shù)木從齽?，控制凝膠時(shí)間。此外，利用聚氨酯中的-NCO與水反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳可形成孔洞，可提高膨脹率。

在上述基礎(chǔ)上，還可以通過(guò)在聚氨酯材料中添加納米二氧化硅進(jìn)一步提高聚氨酯的強(qiáng)度，添加帶有粘度的試劑，增加聚氨酯材料表面的粘度。聚氨酯（圖4（a））在納米粒子選擇性地與聚氨酯硬段（藍(lán)色粗線條，圖4（b））或者軟段（黑色細(xì)線條，圖4（c））產(chǎn)生相互作用，提高硬度。分子結(jié)構(gòu)圖如圖4。

圖4 分子結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置運(yùn)用T形桿與膨脹囊的組合，解決當(dāng)前堵漏過(guò)程中遇到的不易操作、成功率低等各項(xiàng)難題，再通過(guò)改變聚氨脂各項(xiàng)特性提高堵漏效果。該裝置具備操作簡(jiǎn)單，成本可控，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有較大的推廣前景。