海洋環(huán)境非金屬材料航標技術(shù)的應(yīng)用

孫紅堯，李紅衛(wèi)，李維運

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029； 2.東海航海保障中心連云港航標處，江蘇 連云港 222042； 3.中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200210)

我國大陸海岸線長約1.8 萬km，內(nèi)海和邊海的水域面積約470 萬km2，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，海上設(shè)施不斷增加，如海上石油平臺、風力發(fā)電設(shè)施、港口碼頭、跨海大橋、船舶和航標等。航標分陸地航標和水上航標，主要航標形式有浮標、燈樁和燈塔，以材質(zhì)來分有鋼結(jié)構(gòu)航標、鋼筋混凝土航標、玻璃鋼復合材料航標、超高分子量聚乙烯航標和其他復合形式的航標。造成航標損壞的原因通常有鋼結(jié)構(gòu)腐蝕、材料老化、生物污損和外力碰撞等[1-2]。李建華等[3]通過對浙江寧波水域近 5年內(nèi)水上浮標故障原因進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，船舶碰撞造成的航標失常居所有浮標故障原因首位。浮標被撞時，燈器設(shè)備可能損壞、燈光可能熄滅，更嚴重的情況是浮標被撞沉或者漂失。提高浮標的抗撞擊性能，是提高浮標工作可靠性的關(guān)鍵。幾乎所有材料在使用過程中受環(huán)境作用都會發(fā)生腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)形式的航標同樣存在腐蝕破壞，在海洋環(huán)境中僅次于碰撞損壞。人們一直致力于非金屬材料航標的研究，使其達到不低于或超過金屬航標的性能，以解決航標腐蝕問題。

1 超高分子量聚乙烯航標

1.1 超高分子量聚乙烯材料的特點和加工方式

超高分子量聚乙烯是指黏均分子量大于2×106的聚乙烯，是一種工程塑料，密度為0.939～0.945 g/cm3、拉伸斷裂強度≥40 MPa、拉伸斷裂伸長率≥450%、熱變形溫度為95 ℃、脆化溫度低于?137 ℃，洛氏硬度則為R38，具有普通聚乙烯和其他工程塑料無可比擬的耐沖擊、自潤滑、耐腐蝕、吸收沖擊能、耐低溫、衛(wèi)生無毒、不粘附、不吸水和不污染水質(zhì)等綜合性能[1-2]。

塑料成型方法有模壓成型、擠塑成型、吹塑成型、滾塑成型等。通過高壓模壓設(shè)備或特殊擠出設(shè)備可將超高分子量聚乙烯材料制作成板材或管材及其他異形件等半成品，再通過切割、高壓、熱熔焊接等工藝，組裝拼接制成超高分子量聚乙烯燈樁，少數(shù)可以制成小型應(yīng)急式燈浮。但該工藝不適合制作大型密封性要求高的浮標。大型密封性良好的超高分子量浮標主體浮筒可通過制模、投料、筒體高溫加熱、筒體滾動成型、冷卻、出成品的滾塑方式制作。滾塑工藝廣泛應(yīng)用于大中型塑料制品和液體存儲容器的制作。該工藝制作的浮標具有整體成型無接縫、焊接少甚至沒有、抗沖擊強度高、形狀可設(shè)計、耐腐蝕、質(zhì)輕和不易沉沒等特點。

1.2 超高分子量聚乙烯材料在航標上的應(yīng)用

超高分子量聚乙烯系列航標（圖1）是指以超高分子量聚乙烯為主要結(jié)構(gòu)材料，具有不同型號和規(guī)格的浮標、燈樁、橋涵標等航標助航產(chǎn)品[3]。李建華等[3]對超高分子量聚乙烯的材料改性、加工工藝和結(jié)構(gòu)改進方面進行了研究，建議采用鋼塑復合結(jié)構(gòu)以提高浮標的抗撞擊性能。表1 為改性后超高分子量聚乙烯航標的性能對比。

圖1 超高分子量聚乙烯浮標Fig.1 UHMWPE buoy

表1 國內(nèi)外相關(guān)航標產(chǎn)品關(guān)鍵性能對比[3]Tab.1 Comparison of key performance of relevant ATONs at home and abroad[3]

楊杰等[4]介紹了燈浮采用超高分子量聚乙烯材料后系鏈方式改進的試驗研究成果（圖2）。據(jù)楊明喜等[5]報道，2010年在煙臺海陽海域海陽大埠圈港拋設(shè)了5 座超高分子量聚乙烯燈浮標，燈浮標上部結(jié)構(gòu)浮標架為鋼制結(jié)構(gòu)，2018年將燈浮標起吊檢查結(jié)果顯示，鋼制結(jié)構(gòu)已經(jīng)銹蝕嚴重（圖3），而用超高分子量聚乙烯材料的浮筒部分狀況良好（圖4）。從整體結(jié)構(gòu)看，應(yīng)用超高分子量聚乙烯材料浮標浮體正常，顏色褪色不嚴重，水線以下有水生物附著，表面水生物清除后未發(fā)現(xiàn)對浮體的腐蝕。從日常現(xiàn)場巡檢、維護保養(yǎng)情況看，超高分子量聚乙烯材料浮標抗撞擊能力較強，未出現(xiàn)浮體破損現(xiàn)象。

圖2 超高分子量聚乙烯燈浮Fig.2 UHMWPE light-buoy

圖3 燈浮標頂標架銹蝕Fig.3 Rust on the top buoy frame of the light buoy

圖4 燈浮標浮筒狀況良好Fig.4 Light buoy in good condition

李威[6]在外海島礁燈樁建設(shè)中以鋼筋混凝土為燈樁基礎(chǔ)，以超高分子量聚乙烯為樁體材料，對在水中使用的超高分子量聚乙烯燈樁結(jié)構(gòu)增加鋼質(zhì)內(nèi)支撐，以達到增強結(jié)構(gòu)整體強度、穩(wěn)定性。燈樁樁身直徑為1 000 mm，壁厚為33 mm，樁身高度為8 m，平臺欄桿高度為0.99 m，風速取42 m/s，基本風壓1.1 kN/m2，波浪條件：設(shè)計高水位4 m、設(shè)計水深6 m、設(shè)計波高H1%=3.5 m，燈樁底部（基礎(chǔ)面）標高為0.5 m（設(shè)計高水位下3.5 m）。岸上的1 個燈樁采用了超高分子量聚乙烯材料（圖5）。經(jīng)現(xiàn)場仔細查看，燈樁由模塑成型超高分子量聚乙烯材料拼接而成，接縫處錯位比較明顯，外觀顏色鮮艷，顏色變化小，未見粉化，塑料變形小。

圖5 海岸邊上超高分子量聚乙烯塑料航標Fig.5 UHMWPE plastic light beacon on the coast

根據(jù)上述內(nèi)容可知，超高分子量聚乙烯材料用于航標的數(shù)量還不是很多，仍然處于試用觀察階段，且該材料似乎更適用于燈樁，在離岸浮標上的應(yīng)用效果反饋較少。

2 鋼筋混凝土航標

在鋼結(jié)構(gòu)、玻璃鋼、超高分子量聚乙烯燈樁出現(xiàn)之前，鋼筋混凝土燈樁是主要結(jié)構(gòu)形式。海洋環(huán)境下鋼筋混凝土中鋼筋可能會銹蝕脹裂。圖6 是連云港航標處某區(qū)域的鋼筋混凝土航標及其破壞情況。由圖6 可見，混凝土表層黃色涂料開裂、脫落；混凝土保護層脫落嚴重，露出了里面的抗裂玻纖網(wǎng)格布；水位變動區(qū)部位有生物附著。破壞的原因是鋼筋銹蝕、混凝土不耐生物附著、修補材料與舊混凝土附著力差、鹽結(jié)晶等。水中鋼筋混凝土燈樁因造價高、建設(shè)周期長和維護困難，所以目前較少使用。

圖6 鋼筋混凝土燈樁的破壞情況Fig.6 Damage of reinforced concrete light beacon

3 玻璃鋼聚脲彈性體復合材料航標

纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP），根據(jù)采用纖維的不同，可分為玻璃纖維增強復合塑料（GFRP）（俗稱玻璃鋼）、碳纖維增強復合塑料（CFRP）、硼纖維增強復合塑料等；根據(jù)樹脂品種不同，有聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等。將玻璃纖維浸漬樹脂的液態(tài)原料，經(jīng)過模壓、真空導流、纏繞、拉擠等方法預成型，然后將樹脂固化，就制成了玻璃鋼。現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的修復維護還可手糊成型。

玻璃鋼具有材料質(zhì)輕而硬、不導電、熱性能穩(wěn)定、機械強度高、耐腐蝕和可設(shè)計性好的優(yōu)點，但也有彈性模量低、長期耐溫性差和層間剪切強度低的缺點。彈性體材料種類較多，如聚氨酯彈性體、氯丁橡膠彈性體、丁基橡膠彈性體等。航標上常用的噴涂聚脲彈性體（SPUA）是雙組份材料，兼橡膠和塑料的性能。用專用噴涂機，通過加熱組分料及按照體積比1∶1 的方式噴涂到基體表面的方法生產(chǎn)。噴涂聚脲彈性體材料具有高彈性、快速固化、60 s 內(nèi)可承載、防腐蝕性能優(yōu)異、零有機揮發(fā)物（VOC）等優(yōu)點。噴涂聚脲彈性體的材料特性見表2。

表2 噴涂聚脲彈性體材料特性Tab.2 Properties of sprayed polyurea elastomer

玻璃鋼聚脲彈性體復合材料（GFRP-SPUA）燈樁的研發(fā)始于2008年[8]。到2015年，廣西北海航標處轄區(qū)內(nèi)建設(shè)制造近100 座，從實際使用情況看，GFRP-SPUA 燈樁施工簡單、外觀鮮艷、富有特色，特別適合在港口碼頭、堤頭、小島、沿岸干出礁建設(shè)，建筑高度以5～20 m 最佳。

徐后富[9]介紹了以鋼筋混凝土為基礎(chǔ)和純玻璃鋼為樁體的設(shè)計，并分析討論了鋼筋混凝土基礎(chǔ)玻璃鋼燈樁的制作、成本及優(yōu)缺點。劉健[10]報道了GFRP-SPUA 燈樁的設(shè)計與應(yīng)用，玻璃鋼樁體呈圓柱形（壁厚約6 mm），內(nèi)襯角鋼結(jié)構(gòu)骨架，表面噴涂聚脲彈性體，外觀如圖7 所示。孔超等[11]報道了同樣結(jié)構(gòu)的GFRP-SPUA 燈樁的制作。在純玻璃鋼燈樁的基礎(chǔ)上引入鋼結(jié)構(gòu)加強筋。玻璃鋼外部噴涂聚脲彈性體，GFRP-SPUA 燈樁內(nèi)部增加了鋼材內(nèi)襯，顯著增強了燈樁的穩(wěn)定性，強度也有了明顯提高。GFRP-SPUA 燈樁使用多年，外觀鮮艷，結(jié)構(gòu)牢固。趙會娟等[12]報道了玻璃鋼活節(jié)式燈樁的設(shè)計計算，1997年10月投入使用，2001年檢查表明，該燈樁工作性能優(yōu)良可靠。

圖7 GFRP-SPUA 燈樁Fig.7 GFRP-SPUA light beacon

孔超等[11]報道了GFRP-SPUA 小型應(yīng)急燈浮的制作，小型應(yīng)急GFRP-SPUA 浮標浮鼓的質(zhì)量僅為鋼質(zhì)材料的1/3，具有抗沖擊、耐腐蝕、易修復、吸水率低和永不沉沒等特點。北海航標處在《珠江水運》2014年12 期內(nèi)的簡報中提到，2014年北海航標處在北海港投放試用2 座GFRP-SPUA 浮標。浮標燈架采用全玻璃鋼復合材料制作，外部噴涂聚脲彈性體，在滿足強度要求的同時，大大增強了防腐性能。玻璃鋼塑板首次改為分體式結(jié)構(gòu)，方便安裝與更換。燈架質(zhì)量的降低及插槽式安裝設(shè)計進一步減輕海上更換燈架的勞動強度。

周健華[13]根據(jù)鋼浮標應(yīng)急維修時不宜吊裝和淺灘部位船舶不能順利到達等情況，提出了采用玻璃鋼筒體加聚脲彈性體保護層、桶內(nèi)上部填充聚氨酯泡沫、下部配重的方案，航標主體總質(zhì)量80～82 kg。該型燈浮標在臺風過后未出現(xiàn)移位現(xiàn)象。GFRP-SPUA 浮標自2015年在北海港投放使用以來各項性能參數(shù)穩(wěn)定[14]。GFRP-SPUA 浮標投放、回收簡單，現(xiàn)場投放作業(yè)最多需要3 人即可完成；浮標鼓體表面外觀色澤鮮艷；抗風能力強，經(jīng)受住了2015年22 號臺風“彩虹”的考驗。西、南沙航標處于2016年4月在西沙群島七連嶼水域投放使用了2 座。

綜上可知，玻璃鋼聚脲彈性體復合材料主要用于燈樁和海上應(yīng)急浮標，很少用于海上大型浮標，燈樁結(jié)構(gòu)形式基本是鋼筋混凝土基礎(chǔ)+玻璃鋼樁體+頂標，玻璃鋼表面噴涂聚脲彈性體，筒體內(nèi)部增加鋼骨架。玻璃鋼聚脲彈性體復合材料應(yīng)急浮標的主要特點是質(zhì)量輕、安裝更換方便。

4 幾種航標材料的比較

鋼筋混凝土材料、GFRP-SPUA 復合材料和超高分子量聚乙烯材料用于航標上各有優(yōu)缺點，下面將其與鋼結(jié)構(gòu)航標一起進行比較。

4 種材料燈樁的成本和性能比較見表3，表中數(shù)據(jù)是根據(jù)文獻[6, 8-9, 15]和實際情況整理取得。鋼筋混凝土不能制作浮標，因此根據(jù)楊明喜等[5]總結(jié)的鋼材、鋼材+聚脲、玻璃鋼和超高分子量4 種材料浮標的性能對比，以及噴涂聚脲材料的性能特點和連云港航標處對鋼制浮標的維護期的操作情況，整理得到3 種材料浮標的特性比較見表4。根據(jù)燈樁和浮標的建設(shè)成本、維護成本和綜合性能，分析比較表3 和表4 可以發(fā)現(xiàn)：鋼質(zhì)航標的優(yōu)勢并不顯著，超高分子量聚乙烯和玻璃鋼聚脲彈性體復合材料隨著性能的提升和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，完全有可能逐步替代鋼質(zhì)材料在航標上應(yīng)用。

表3 4 種材料燈樁的成本和性能比較Tab.3 Cost and performance comparison of four kinds of light beacons

表4 3 種材料浮標的對比Tab.4 Comparison of buoys of three material

5 航標新材料和新技術(shù)展望

總結(jié)了海洋環(huán)境下國內(nèi)非金屬材料在燈樁和浮標中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了各材料的成本和性能差異，結(jié)果表明，鋼筋混凝土燈樁正逐步被淘汰，鋼制、GFRP-SPUA 和超高分子量聚乙烯燈樁仍然是燈樁的主要結(jié)構(gòu)形式。鋼制浮標是目前浮標的主要結(jié)構(gòu)形式，超高分子量聚乙烯浮標的應(yīng)用正在逐漸擴大，玻璃鋼聚脲彈性體復合材料浮標的應(yīng)用在減少。所以，未來航標技術(shù)的發(fā)展趨勢是非金屬材料航標逐步取代鋼質(zhì)航標，應(yīng)注重以下幾方面工作的開展：高強、耐腐蝕、耐候、耐生物沾污等非金屬材料及技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用、不同纖維和性能更優(yōu)的玻璃鋼材料的開發(fā)和應(yīng)用，非金屬材料航標結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計及其航標制作標準規(guī)范的制訂，各類材料航標的建設(shè)成本、維護管理成本和事故成本數(shù)據(jù)庫及預測模型的建立等。