船舶內(nèi)裝材料的輕量化應(yīng)用

韓 旗

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，南京 210015）

0 引言

輕量化是一種發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，旨在通過一個(gè)系統(tǒng)的最小質(zhì)量，在給定的技術(shù)邊界條件下實(shí)現(xiàn)所需的功能，且在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)還應(yīng)確保系統(tǒng)的可靠性[1]。輕量化內(nèi)裝材料的應(yīng)用目的在于在規(guī)范、規(guī)則的許可以及滿足一定性能要求的前提條件下，通過使用較輕的內(nèi)裝材料，達(dá)到減輕整個(gè)船舶上層建筑質(zhì)量的目的。

本文以某82 000噸級散貨船選用的內(nèi)裝材料為研究對象，闡述了輕量化內(nèi)裝材料的性能特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)狀。通過常用內(nèi)裝材料的質(zhì)量對比，結(jié)合輕量化內(nèi)裝材料的性能特點(diǎn)及價(jià)格因素，詳細(xì)介紹了內(nèi)裝輕量化材料的應(yīng)用方案。

1 概述

船舶內(nèi)裝材料的應(yīng)用貫穿于從船舶開工、上船臺、下水至交船的整個(gè)船舶建造的全過程。而在整個(gè)船舶產(chǎn)品的形成過程中，選擇合適的材料是非常關(guān)鍵的[2]。材料輕量化的目的是盡可能使用最輕的材料生產(chǎn)出符合規(guī)定要求的結(jié)構(gòu)[1]。通過用一種密度較低的材料替代另一種材料，可以減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量[1]。

船舶內(nèi)裝材料多種多樣，總是可以找到針對特定應(yīng)用的解決方案，而且往往還不止一個(gè)[2]。輕質(zhì)的內(nèi)裝材料很多，但是更輕的材料一般意味著更高的成本或者性能的降低；如何在質(zhì)量、成本與性能之間取得平衡，使其成為輕量化的內(nèi)裝材料，大部分情況下是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行選擇[2]。

本文根據(jù)內(nèi)裝材料的應(yīng)用位置進(jìn)行分類，分別為內(nèi)裝設(shè)備用材料，內(nèi)裝背景用材料以及內(nèi)裝裝飾用材料。從這3 部分內(nèi)裝材料的選用進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹了內(nèi)裝輕量化材料的應(yīng)用方案。

2 輕量化的內(nèi)裝材料

2.1 內(nèi)裝設(shè)備用材料

內(nèi)裝設(shè)備用輕量化材料主要有玻璃鋼材料與鋁合金材料等兩類。

2.1.1 玻璃鋼（Glass Fiber Reinforced Plastics，GRP）

玻璃鋼材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、沖擊韌性好、隔熱性好、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。基于這些性能優(yōu)點(diǎn)，玻璃鋼材料在內(nèi)裝設(shè)備上的有著廣泛的應(yīng)用。玻璃鋼平臺格柵具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)；玻璃鋼風(fēng)雨密門具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、沖擊韌性好、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)；玻璃鋼水龍帶箱具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、沖擊韌性好、隔熱性好等優(yōu)點(diǎn)；玻璃鋼窗斗具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、沖擊韌性好、隔熱性好、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。而且船用玻璃鋼材料的價(jià)格與鋼材的價(jià)格持平或略低于鋼材的價(jià)格，而質(zhì)量僅有鋼材的30%～40%。因此，采用玻璃鋼材料替代常規(guī)的鋼材，可有效的減輕內(nèi)裝設(shè)備質(zhì)量，某82 000 噸級散貨船采用的玻璃鋼材料設(shè)備與采用鋼質(zhì)材料的質(zhì)量對比情況見表1。

表1 某82 000 噸級散貨船采用的玻璃鋼材料設(shè)備與采用鋼質(zhì)材料的質(zhì)量對比

2.1.2 鋁合金材料

鋁合金材料是一種較為常用的輕量化材料，多用于輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中[4]，如鋁合金上層建筑、鋁合金雷達(dá)桅等，在內(nèi)裝設(shè)備中應(yīng)用較少。一般常見的鋁合金內(nèi)裝設(shè)備有鋁合金風(fēng)雨密門及鋁合金窗斗這2 種。鋁合金的密度約為2.7～2.8 t/m3，是鋼材密度的35%左右。如表2 所示，內(nèi)裝設(shè)備用鋁合金材料替代鋼材的可明顯減輕質(zhì)量，但鋁合金材料的綜合成本要明顯高于鋼材，在民用船舶的結(jié)構(gòu)上也較少應(yīng)用，一般用于對質(zhì)量有特殊要求的民用船舶，或公務(wù)船和軍船。

表2 某82 000 噸級散貨船采用的鋁質(zhì)材料設(shè)備與采用鋼質(zhì)材料的質(zhì)量對比

2.2 內(nèi)裝背景用材料

內(nèi)裝背景用輕量化材料主要有輕質(zhì)絕緣材料、輕質(zhì)基層甲板敷料、塑料管材這3 類。

2.2.1 輕質(zhì)絕緣材料

絕緣材料的主要作用為防火、隔熱、保溫、隔聲、吸聲等。防火性能的要求來源于規(guī)范、規(guī)則對于安全性的要求，如國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）發(fā)布的《國際海上人命安全公約》，中國海事局發(fā)布的《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》等；隔熱、保溫、隔聲、吸聲等性能要滿足船員、乘客的舒適性要求。

近幾年來，國際海事組織、掛旗國、船級社、船東公司等對船員、乘客安全性和舒適性的要求也越來越高[5]，這使得上層建筑外露甲板、圍壁的絕緣厚度不斷增加，這就使得應(yīng)用輕質(zhì)的絕緣材料顯得更尤為重要。如：海上安全委員會發(fā)布的《船上噪聲級規(guī)則》；英國勞氏船級社（Lloyd's Register of Shipping，LR）發(fā)布的LR-PAC、LR-CAC、LR-PCAC等入級符號，挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）發(fā)布的COMF 系列入級符號等。

1）防火絕緣材料

某82 000 噸級散貨船應(yīng)用的防火絕緣材料（陶瓷纖維制品）的應(yīng)用經(jīng)歷了陶瓷棉板→環(huán)保纖維毯→氧化鋁板→可溶纖維毯的發(fā)展過程。不僅減輕了防火絕緣材料的質(zhì)量，還提升了安全性和環(huán)保性。

陶瓷纖維在歐洲被定為2 類致癌物，某些歐洲船東已禁止在船上使用陶瓷纖維制品，轉(zhuǎn)而使用Isover 以及Rockwool 等非陶瓷纖維產(chǎn)品，這就使得使用巖棉或其他新型材料作為防火絕緣材料成為一種新的發(fā)展方向。目前國內(nèi)某廠家已推出滿足A60級甲板及A60 級艙壁的巖棉產(chǎn)品，其密度僅為45 kg/m3。以表3 中的防火材料為例，若采用密度為45 kg/m3的巖棉產(chǎn)品，則需要2 210 kg。此巖棉產(chǎn)品的鋪設(shè)節(jié)點(diǎn)與可溶纖維毯不同，需要單獨(dú)鋪設(shè)扶材絕緣，因此使用這種巖棉產(chǎn)品作為防火絕緣，其質(zhì)量要高于密度為64 kg/m3的可溶纖維毯，且此防火巖棉產(chǎn)品的價(jià)格要高于可溶纖維毯產(chǎn)品。

表3 某82 000 噸級散貨船應(yīng)用的防火材料（陶瓷纖維制品）的質(zhì)量對比

2）隔熱隔音絕緣材料相比于防火絕緣材料，船上使用的更多的是隔熱隔音絕緣材料。隔熱隔音絕緣材料的型式多種多樣，如巖棉板、玻璃棉板、陶瓷纖維制品等。一般來說，陶瓷纖維制品的價(jià)格要高于巖棉板，而巖棉板的價(jià)格又高于玻璃棉板。目前較常使用的是密度100～110 kg/m3的巖棉板、密度24～40 kg/m3的玻璃棉板、密度38 kg/m3左右的礦物棉板，以及密度64 kg/m3左右的可溶纖維毯產(chǎn)品。巖棉產(chǎn)品的防火性能、隔熱性能、隔音性能較好；玻璃棉產(chǎn)品的隔熱性能、吸聲性能較好。目前最輕的隔熱隔音絕緣材料使用的是密度24 kg/m3的玻璃棉產(chǎn)品。以某82 000 噸級散貨船為例，各種隔熱隔聲絕緣材料的質(zhì)量差異見表4。

表4 某82 000 噸級散貨船應(yīng)用的隔熱隔聲絕緣材料的質(zhì)量對比

2.2.2 輕質(zhì)基層甲板敷料

基層甲板敷料的主要作用就是找平，以彌補(bǔ)鋼甲板的平整度，以便于在其上方鋪設(shè)其他飾面材料，如地毯、橡膠地板、乙烯地板、地磚等。在此基礎(chǔ)上又衍生出了其他類型的甲板敷料產(chǎn)品，如A60 級防火型甲板敷料，主要用于不好鋪設(shè)防火絕緣的區(qū)域。浮動地板、阻尼涂料等產(chǎn)品主要用于需要減振降噪的區(qū)域。

常規(guī)基層甲板敷料的密度一般為1 000～2 000 kg/m3，此外，還有更輕型的密度小于1 000 kg/m3的產(chǎn)品，主要用于對空船質(zhì)量有嚴(yán)格控制要求的船舶。

因基層甲板敷料的使用面積較大，超輕質(zhì)的基層甲板敷料對減輕船舶上層建筑的質(zhì)量有顯著效果。但600 kg/m3的超輕質(zhì)基層甲板敷料產(chǎn)品比較容易開裂，不適用于經(jīng)常通行的地面，如走道、梯道等。此外，越輕的基層甲板敷料的價(jià)格越高。綜合考慮，輕量化基層甲板敷料一般選用密度為800～1 000 kg/m3的產(chǎn)品。某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的甲板基層敷料的質(zhì)量對比情況見表5。

表5 某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的甲板基層敷料的質(zhì)量對比

2.2.3 玻璃鋼管

進(jìn)幾年來，玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（Glass-Reinforced Expoxy，GRE）管在船上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。因其具有耐腐蝕性能強(qiáng)、水力學(xué)性能、安裝簡便、設(shè)計(jì)靈活、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[6]，在疏排水、灰水、壓載水等管路系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。采用GRE 管作為上層建筑的外部疏排水管路以及灰水管路，可以替代傳統(tǒng)的鋼管或不銹鋼管，且GRE 管的總質(zhì)量一般不到鋼管或不銹鋼管的1/2[6]，而其價(jià)格比鋼管略低或基本一致。某82 000 噸級散貨船采用GRE管作為外部疏排水管路和灰水管路，其總質(zhì)量約為2 080 kg。若采用傳統(tǒng)的鋼管材料，其總質(zhì)量約為5 491 kg，使用GRE 管可減輕3 411 kg 的質(zhì)量。

2.2.4 聚乙烯（Polyethylene，PE）管

作為冷熱水的供水管路，PE 管已在建筑領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)鋼制管相比，PE 管具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、磨阻小、使用壽命長、耐高壓、安裝工藝簡單、造價(jià)較低等優(yōu)勢[7]。采用PE100/PE-RT管作為上層建筑的冷熱水供水管路，可以替代傳統(tǒng)的不銹鋼管或紫銅管。以某82 000噸級散貨船為例，采用PE100/PE-RT 管作為冷熱水供水管路，其總質(zhì)量約為971 kg。若采用傳統(tǒng)的不銹鋼管材料，總質(zhì)量約為7 196 kg，可減輕6 225 kg 的質(zhì)量。

2.3 內(nèi)裝裝飾用材料

內(nèi)裝裝飾用輕量化材料主要包塊輕質(zhì)裝飾板材料、輕質(zhì)家具材料這2 類。

2.3.1 輕質(zhì)裝飾板材料

復(fù)合巖棉板的綜合性能較好、技術(shù)成熟，目前貨船上的裝飾板材料一般以復(fù)合巖棉板為主?？痛ê蜐L船、郵船等）的裝飾板材料種類較多，但一般也以復(fù)合巖棉板為主。為滿足造型的需要，也可使用復(fù)合鋁蜂窩板或蛭石板等裝飾板材料。軍船、公務(wù)船的裝飾板材料一般以復(fù)合鋁蜂窩板為主。由于裝飾板材料的質(zhì)量占據(jù)內(nèi)裝材料質(zhì)量的較大部分，為減輕裝飾板的質(zhì)量，一些貨船逐漸開始使用以鋁蜂窩板或玻璃棉板作為芯材的裝飾板材料[8]。某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的裝飾板的質(zhì)量對比情況見表6。

表6 某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的裝飾板質(zhì)量對比

材料輕量化需要在滿足一定性能要求的前提下，選擇質(zhì)量較輕的材料。3 種常見芯材裝飾板材料的性能對比情況分別見表7 和表8。一般來說，復(fù)合鋁蜂窩板的價(jià)格要高于復(fù)合玻璃棉板的價(jià)格，復(fù)合玻璃棉板的價(jià)格又高于復(fù)合巖棉板的價(jià)格。

表7 30mm 厚裝飾板性能對比

表8 50mm 厚裝飾板性能對比

由表7 和表8 可知，復(fù)合巖棉板的防火性能、隔聲性能、隔熱性能較好；復(fù)合玻璃棉板的隔熱性能較好。這就需要根據(jù)性能的要求、減重的需求及價(jià)格因素來選擇合適的芯材材料。

2.3.2 輕質(zhì)家具材料

目前民用船舶上的家具一般以木質(zhì)家具為主，因?yàn)槟举|(zhì)家具有可塑性強(qiáng)、造型方便、固定方式簡單等優(yōu)點(diǎn)。而在軍船或者公務(wù)船上，為考慮家具的防火性能以及減輕家具質(zhì)量等要求，已開始將鋁蜂窩材料或鋁合金（鋁板）材料[9]等金屬材料用作家具的材料。近幾年來，部分民用船舶為減輕上層建筑的質(zhì)量，也開始嘗試使用鋁蜂窩材料作為家具結(jié)構(gòu)材料。鋁蜂窩材料的可塑性沒有木質(zhì)材料高，但可以采用外貼防火板的方式來達(dá)到一定的造型效果。鋁合金（鋁板）材料家具的可塑性不好，造型不便，價(jià)格高昂，因此在民用船舶上應(yīng)用較少。一般來說，整套鋁合金（鋁板）家具的價(jià)格要高于鋁蜂窩家具，整套鋁蜂窩家具的價(jià)格又高于木質(zhì)家具（非實(shí)木家具）的價(jià)格。某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的家具的質(zhì)量對比情況見表9。

表9 某82 000 噸級散貨船上層建筑采用的家具質(zhì)量對比

3 結(jié)論

本文基于某82 000 噸級散貨船，介紹了輕量化內(nèi)裝材料的性能特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，并探討了內(nèi)裝輕量化材料的應(yīng)用方案。研究表明：選用輕量化的內(nèi)裝材料可減輕約1/3 的內(nèi)裝材料質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)船舶上層建筑的輕量化提供了幫助。