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小型应急复合材料弹性体浮鼓应用研究

【关于畜牧的论文】1.项目研发背景 据《中国海事航海保障十三五发展规划》统计,截止2014年底,交通运输部北海、东海、南海三大航海保障中心共管理维护的公用达航标6434座,其中灯塔187座,灯桩1843座,导标306座,灯船20座,灯浮3853座,桥梁标57座,立标130座,浮标25座,音响航标13座
1.项目研发背景
据《中国海事航海保障“十三五”发展规划》统计,截止2014年底,交通运输部北海、东海、南海三大航海保障中心共管理维护的公用达航标6434座,其中灯塔187座,灯桩1843座,导标306座,灯船20座,灯浮3853座,桥梁标57座,立标130座,浮标25座,音响航标13座。其中灯浮标占了60.27%,占航标数量中的绝大多数。
1. 1传统钢制浮标存在大量缺点
从建国以来,钢制浮鼓一直是我国灯浮标的主要材质。钢制浮鼓具有坚固、不易变形等优点,但是也由于钢板材料的限制,具有整体重量大,易生锈,维护使用寿命短,搬运起吊困难、对机械设备依赖度高等缺点。在目前航标维护管理人员、设备、经费都紧张的情况下,解决钢制浮鼓存在的上述问题,成了我们航标管理维护人员义不容辞的责任。
钢制浮鼓具有如下缺点:①本身重量大,起吊、运输、投放困难,对船舶、起重机、叉车等依赖度高,必须借助机械力才能完成作业。以φ2.4米浮鼓为例,钢质浮鼓(含配重块、灯架、电池箱、望板)总重超过5000kg;在海况风力达到四五级以上时,根据安全规范,需要吨位为400总吨以上的中型航标船才能完成航标作业。②易生锈、使用寿命短。由于沿海浮标都是投放在海水中,海水对钢板的腐蚀性非常强,虽然钢板外部涂刷油漆加以保护,但是根本不足以杜绝浮鼓表面的锈蚀。涂刷完毕的浮鼓投放到海水中最多两个月,表面就已经锈迹斑斑。为保持浮标色泽鲜艳,每年都需要对浮标进行起吊,油漆保养,每两年陆地保养一次。需要耗费大量人力、物力、财力。
1.2新材料、新技术、新工艺的应用是航标发展趋势
《中国海事航海保障“十三五”发展规划》将研究使用高分子、玻璃钢等新型材料列入发展规划,预计到“十三五”末可再生能源、环保涂料、环保材料等将具有较大发展应用的空间,绿色节能环保的理念将真正落实到航标管理实践当中。
研发一种新材料、新工艺、新技术浮鼓,减少维护保养周期,降低维护成本,方便运输起吊作业,延长使用寿命,对缓解目前航标维护作业船艇不足、维护经费短缺、维护人员劳动强度大的现状,具有重要的意义。
2.项目材料组成
小型应急复合材料弹性体浮鼓材质由玻璃钢、聚氨酯、聚脲等组成。
2. 1玻璃钢(FRP)
即玻璃纤维增强塑料,它是以玻璃钢纤维及其制品(玻纤布、带、毡、纱等)作为增强材料,以合成树脂作基体材料的一种复合材料。
主要有以下几个特点:①强度高、重量轻。举例参考:木材和塑料的强度为40—100MPa,钢材的强度为250—350 MPa,玻璃钢的强度为150—450 MPa。玻璃钢的密度大约是水的1.8倍,而铝为水的2.7倍,钢铁为水的7.8倍;②耐腐蚀。玻璃钢是良好的耐腐材料,对大气、水和一般浓度的酸碱盐以及各种油类和溶剂都有较好的抵抗能力;③绝电性能好。玻璃钢是优良的绝缘材料;④可设计性好。可以根据需要,灵活地设计出各种结构产品来满足使用要求;⑤工艺性能优良。可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活选择成型工艺。工艺简单,可以一次成型。
2.2聚氨酯硬质泡沫(PUR)
是以异氰酸酯和聚醚为主要原料,在发泡剂、催发剂等多重助剂的作用下,通过专用设备混合,经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。主要有以下特点:①重量轻:密度:0.0368g/cm3,②具有优良的防水性能,③无氟发泡,适应环境宽,④不吸水,憎水率96%以上,⑤耐腐蚀。
2.3聚脲弹性体(SPUA)
聚脲弹性体技术是一种新型“万能”涂装技术,是目前世界上最先进的一种涂装技术。
主要特性有:①优异的综合力学性能,拉伸强度最高达27.5 MPa,硬度A30—D65(shore),伸长率最高达1000%,撕裂强度43.9—105.4(KN/ m);②耐介质性能十分突出,它可耐受绝大部分腐蚀介质的长期浸泡;③防腐性能优异:SPUA材料致密、连续、无针孔、无接缝,有效地阻止了外界腐蚀介质的侵入;同时由于其优异的柔韧性,完全能够抵御昼夜、四季环境温度变化给被保护物体造成的热胀冷缩,涂层不会产生开裂和脱落现象;④户外耐老化性能强;⑤附着力强;⑥施工性能优异。
3.小型应急复合材料弹性体浮鼓制造技术
3. 1浮鼓的制造工艺技术
首先制做浮鼓母模,加工成型后达到制模的要求,进行翻模工作,制做模具的材料为玻璃钢原材料,铺层厚度达到模具使用要求。模具固化后,脱模、脱模修整、打磨、抛光、打蜡,达到模具使用要求。
产品的原材料选用:①树脂:产品用基体树脂,需具耐腐蚀性能。我们选择乙烯基酯树脂。②增强材料:选用的增强材料有:表面毡、短切毡、玻璃纤维布。③固化系统:选用过氧化苯甲酰糊—二甲基苯胺的苯乙烯溶液。
3.2制造成型方法
小型应急复合材料弹性体浮鼓系采用手糊成型工艺方法制作。但在铺设增强材料时,注意在受力集中及吊装受力点处,进行局部增强。依据浮鼓外形及其受力情况,计算其产品的厚度,确定产品铺层的数量。采用经纬的密度为1:1的中碱玻璃纤维布和400g/m2的短切毡均铺设,其中内外表面均使用0.18mm的细布,中间使用0.4mm的粗布。
浮鼓内填充聚氨酯:将聚酯多元醇(白料)和多异氰酸酯(黑料)、催化剂、表面活性剂、发泡剂、其他添加剂等原料一步加入,通过专用设备混合,经高压浇铸现场发泡而成。通过计算,我们采用的密度为50kg/m3。
聚脲弹性体的喷涂:选用专用配方和专用的喷涂设备将A组分异氰酸酯和B组分氨基化合物高压喷涂在已加工成型的浮鼓上,根据不同部位,喷涂不同的厚度。 3.3 创造性的关键技术内容
3.3.1研制开发重点
小型应急复合材料弹性体浮鼓主要围绕耐腐蚀性、重量轻、抗冲击性强、强度大、吸水率低、环境友好型、免维护等要点来研究开发。
3.3.2创造性地选择多种非金属材料
合理性的结构组合,通过扬长避短,充分发挥各种材料的优点来达到我们所需的要求。
利用玻璃钢复合材料的重量轻、强度高、耐腐蚀,防水、材料性能的可设计性,成型工艺的一次性,成型方便性等特点,制作浮鼓的整体外形结构,完全能满足浮鼓的结构强度要求,完全能代替钢质结构。因浮鼓可整体一次性模具成型,可根据受力情况局部增强,大大降低了浮鼓的重量,是钢质的三分之一。
利用聚氨酯硬质泡沫的重量轻、防水、耐腐蚀、缓冲防震抗压、强度高等特点,浇铸进入玻璃钢浮鼓内腔,能大大加强玻璃钢浮鼓的结构力和强度,吸收和缓解外部带来的冲击力,以防万一被撞破玻璃钢浮鼓,内腔进水。
利用SPUA的拉伸强度高、抗冲击强度高、伸长率高、柔韧性好、耐磨、耐老化、防腐蚀、附着性好等特点,在完成浮鼓制作所有工艺后,最后在浮鼓表面进行喷涂SPUA材料,根据使用情况需要,喷涂厚度不一致的SPUA涂层,从而形成一个本体着色、色彩鲜艳、绿色环保、高抗冲击性、高耐腐蚀性(没有任何外露的金属件)。易修复、重量轻、浮力大、吸水率低,永不沉没的浮鼓。
4.小型应急复合材料弹性体浮鼓成型产品
目前,北海航标处已经根据以上生产工艺制作完成φ1.2米的小型应急复合材料弹性体浮鼓。
4. 1产品特点
①无传统尾管。对水深无要求,水深水浅都可以设置。可投放在浅滩等水深较浅的水域。海水潮水退去后,该浮鼓可搁浅在海滩上,海水涨潮后,可自动浮起。②重量轻。浮鼓重量仅有100KG,对作业船舶吃水、起吊能力无要求;投放、起吊作业时无需借助机械力量,单凭几个成年人力气即可完成投放、起吊。租用快艇或者木筏、木板船就可完成投放、回收。③安装使用简单。浮鼓顶部安装一体化灯器就可完成投放使用。④免维护。不生锈,碰撞缓冲性能好,使用寿命长。投放一年来,色泽保持鲜艳,无需每年油漆保养、起吊除锈,节省了人力、物力、财力。
4.2产品性能参数
重量:100KG,;直径:φ1.2米;吸水率:1%以下;拉伸强度:大于18(MPa);抗冲击强度:大于45(kg. cm);撕裂强度:大于35(kN/m);抗风强度:12级以上。
4.3产品使用效果
北海航标处自2015年在北海港投放使用以来,浮标各项性能参数稳定。投放、回收简单,现场作业最多需要3人即可完成投放;鼓体表面无锈蚀、外观色泽鲜艳;抗风能力强,经受住了2015年第22号台风“彩虹”的考验。
西、南沙航标处于2016年4月在西沙群岛七连屿水域投放使用了2座。经了解,目前使用情况良好。


 
 
 
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