玻璃鋼制品的設(shè)計與建造

玻璃鋼制品的設(shè)計與建造

0救生排放、運(yùn)輸和小工作排放的量表1969年至2000年，該公司擁有專門的玻璃制品設(shè)計和生產(chǎn)（救援船、高速船、工作船、玻璃鋼消防箱、玻璃窗框等）。從1993年到1996年,當(dāng)時的玻璃鋼制品不管從質(zhì)量到產(chǎn)量,都達(dá)到鼎盛時期。自行設(shè)計及生產(chǎn)的6.0m、6.5m、7.0m、8.0m吊架降落式全封閉耐火救生艇,取得過CCS、NK、BV、LR、ABS等證書;自行設(shè)計及生產(chǎn)的交通快艇,銷往珠海、江門、汕頭、太平等地方;自行設(shè)計及生產(chǎn)的小工作艇,還曾銷往非洲、東南亞等地區(qū)?？上б驗楦鞣N原因,公司在2000年底撤銷了該部門。近幾年,玻璃鋼行業(yè)在我國得到迅猛發(fā)展,廣船國際也有意在這領(lǐng)域重占市場。本人曾在當(dāng)時(1993～2000)一直從事玻璃鋼救生艇、快艇的設(shè)計及建造工藝工作。本人有意想把自己當(dāng)時在工作中所積累的點(diǎn)滴體會,提供一些極粗糙的資料及不成熟意見,供有意從事于玻璃鋼制品設(shè)計、建造的技術(shù)人員討論。希望這些資料有參考價值。1鋼板船的特性玻璃鋼的科學(xué)名稱是玻璃纖維增強(qiáng)塑料,它是國外20世紀(jì)初開發(fā)的一種新型復(fù)合材料,是以玻璃纖維或其織物(玻璃布、帶、氈等)為增強(qiáng)材料,以合成樹脂為基體而制成的一種復(fù)合材料。它具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、防腐、保溫、絕緣、隔音、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于其強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材,又含有玻璃成分,也具有玻璃那樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能,因此形成了這個通俗易懂的名稱“玻璃鋼”。玻璃鋼的特點(diǎn)是比重輕,只有1.85噸/立方米,比強(qiáng)度(強(qiáng)度與重量的比值)高,無磁性,電磁波的穿透性好,耐腐蝕,抗海生物力強(qiáng),成型方便,是一種能大量節(jié)約能源的新型現(xiàn)代材料。用玻璃鋼制造的船的維修費(fèi)用比木船和鋼船少很多,吸水率大大低于木材,整體成型無縫隙,不滲水漏水。另外,玻璃鋼船還有加工容易,不銹不爛,容易著色,不需油漆等優(yōu)點(diǎn)。由于玻璃鋼產(chǎn)品,可以根據(jù)不同的使用環(huán)境及特殊的性能要求,自行設(shè)計復(fù)合而成,因此只要選擇適宜的原材料品種,基本上可以滿足各種不同用途對于產(chǎn)品使用時的性能要求。所以說玻璃鋼材料是一種具有可設(shè)計性的材料品種。在造船工業(yè)方面,玻璃鋼被用于制作船體及船用舾裝件,使船舶無論在防腐、防微生物、延長使用壽命,還是在提高承載能力、航行速度及深潛性能方面,都有著突出的優(yōu)點(diǎn),而且它具有成型簡便、維修費(fèi)用低和船體自重輕的特點(diǎn)。因此,從小型船艇(救生艇、工作艇、交通快艇、游艇等)、漁船到潛水艇、掃雷艇、深水探測器,直到大型巡洋艦都成功地應(yīng)用了玻璃鋼。2生產(chǎn)介紹2.1材料中產(chǎn)生的材料有(1)增強(qiáng)材料(玻璃纖維及其織物),常用的有無堿玻璃纖維和中堿玻璃纖維。無堿玻璃纖維強(qiáng)度較高,耐水性、電性能、耐堿性都較好,但耐酸性較差,價格較貴;中堿玻璃纖維強(qiáng)度比無堿玻璃纖維差,耐水性、耐堿性和電性能都較差,但耐酸性好,價格低。在船舶建造中,一般都選用無堿玻璃纖維,這主要是考慮耐水性和強(qiáng)度的原因。手糊成型玻璃鋼制品中常用的玻璃纖維及其織物主要有:①無捻粗紗—一主要用于填充死角或局部加強(qiáng);②短切纖維——主要用于填充死角;③玻璃纖維帶——產(chǎn)品局部加強(qiáng);④無捻方格布——手糊工藝中主要增強(qiáng)材料,工藝性好,氣泡易于排除,制品抗沖擊性好,價格便宜,用于厚度大強(qiáng)度要求不高的制品,手糊成型用的玻璃布要預(yù)先經(jīng)過脫蠟(經(jīng)浸潤劑前處理的玻璃布不必脫蠟)、表面處理、防潮濕處理、去除油垢。耐蝕玻璃鋼制品用的玻璃布一般采用耐酸性好的中堿玻璃布;⑤短切纖維氈一一主要用于制品表面,能使制品表面平整光滑,浸漬性好,氣泡易排除,形變性好,施工方便,制品含膠量大,價格便宜,增厚效率高等。(2)樹脂,在手糊成型工藝中,最常用的是聚酯樹脂(工藝性好,價格較便宜,但機(jī)械強(qiáng)度不如環(huán)氧樹脂);環(huán)氧樹脂(價格比較貴,機(jī)械強(qiáng)度比聚酯高,但較脆,耐水性、耐堿性優(yōu)良,收縮率小)次之;酚醛樹脂(毒性大)很少單獨(dú)使用;(3)輔助材料,手糊成型的玻璃鋼輔助材料包括各種固化劑、引發(fā)劑、促進(jìn)劑、填料、顏料等。2.2可擴(kuò)充模模的企業(yè)主要是利用模具進(jìn)行制造工藝(1)手糊法一—手糊成型工藝又稱接觸成型,是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中最早使用和應(yīng)用最普遍的一種成型方法。手糊成型工藝是以加有固化劑的樹脂混合液為基體,以玻璃纖維及其織物為增強(qiáng)材料,在涂有脫模劑的模具上以手工鋪放結(jié)合,使二者粘接在一起,制造玻璃鋼制品的一種工藝方法;(2)模壓法一—熱固性模壓成型是將一定量的模壓料加入預(yù)熱的模具內(nèi),經(jīng)加熱加壓固化成型塑料制品的方法。其基本過程是:將一定量經(jīng)一定預(yù)處理的模壓料放入預(yù)熱的模具內(nèi),施加較高的壓力使模壓料填充模腔。在一定的壓力和溫度下使模壓料逐漸固化,然后將制品從模具內(nèi)取出,再進(jìn)行必要的輔助加工即得產(chǎn)品;(3)纖維纏繞成型法一—纖維纏繞工藝是樹脂基復(fù)合材料的主要制造工藝之一。是一種在控制張力和預(yù)定線型的條件下,應(yīng)用專門的纏繞設(shè)備將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂膠液后連續(xù)、均勻且有規(guī)律地纏繞在芯?；騼?nèi)襯上,然后在一定溫度環(huán)境下使之固化,成為一定形狀制品的復(fù)合材料成型方法;(4)拉擠成型法—一拉擠成型工藝是通過牽引裝置的連續(xù)牽引,使紗架上的無捻玻璃纖維粗紗、氈材等增強(qiáng)材料經(jīng)膠液浸漬,通過具有固定截面形狀的加熱模具后,在模具中固化成型,并實(shí)現(xiàn)連續(xù)出模的一種自動化生產(chǎn)工藝。我國有90%以上的玻璃鋼產(chǎn)品都是手糊法生產(chǎn)的,手糊法基體樹脂通常采用不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂,增強(qiáng)材料通常采用無堿或中堿玻璃纖維及其織物。在手糊成型工藝中,機(jī)械設(shè)備使用較少,它適于多品種、小批量制品的生產(chǎn),而且不受制品種類和形狀的限制。2.3模模的制作要點(diǎn)模具在幾種主要的成型方法中占有重要地位,在手糊法中它是唯一的成型工具。合理的選擇模具對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本關(guān)系極大。手糊成型的模具分為單模和對模兩類。單模又分為陰模和陽模兩種。不論單模或?qū)γ伎梢愿鶕?jù)工藝要求設(shè)計成整體模和拼裝模。(1)陰模:陰模的工作面是向內(nèi)凹陷,用陰模生產(chǎn)的產(chǎn)品外表面光滑,尺寸準(zhǔn)確。但凹陷深的陰模操作不方便,排風(fēng)困難,也不易控制質(zhì)量,勞動條件差。多用于外表面要求高的產(chǎn)品,如船體等;(2)陽模:陽模的工作面是凸的。用陽模生產(chǎn)的產(chǎn)品內(nèi)表面光滑,尺寸準(zhǔn)確,操作方便,質(zhì)量容易控制,便于通風(fēng)處理;(3)對模:對模是由陰模和陽模兩部分組成,通過定位銷裝配。用對模生產(chǎn)的產(chǎn)品內(nèi)外表面都很光滑,厚度準(zhǔn)確。對模一般用來生產(chǎn)內(nèi)外表面精度及產(chǎn)品厚度要求高的制品,但上模要經(jīng)常搬動,從而不適應(yīng)于大型制品的生產(chǎn);(4)拼裝模:拼裝模的構(gòu)造比較復(fù)雜,但是由于某些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜或為了方便脫模,常將模具分成幾塊拼裝。在設(shè)計模具時,要綜合考慮以下幾點(diǎn):①符合產(chǎn)品設(shè)計的精度要求;②有足夠的剛度和強(qiáng)度,使用周期長;③容易脫模。脫模難易是評定模具設(shè)計的重要指標(biāo)。一般大型制品多用拼裝模。在模具設(shè)計中,拐角處盡量避免銳角;④材料易得,造價低。模具的經(jīng)濟(jì)效果,不僅要從模具本身的造價考慮,而且要從使用周期來折算。根據(jù)制造模具的材料分,模具的種類有:木模,硅膠模,石膏模,玻璃鋼模,鋼模、石蠟?zāi)?、水泥模、泡沫塑料模等?鋼船的設(shè)計和制造3.1鋼結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能玻璃鋼船是指用玻璃纖維增強(qiáng)塑料作為船體結(jié)構(gòu)主要材料、以柴油機(jī)驅(qū)動的船。玻璃鋼船的結(jié)構(gòu)與鋼船、木船有很大不同,鋼船、木船當(dāng)所選用的材料定好以后,其材料的力學(xué)性能就定格了。而玻璃鋼船就不同,船體材料與結(jié)構(gòu)是同時成型的,材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、鋪層設(shè)計、建造工藝、施工方法、施工環(huán)境以及工人的操作水平都能影響它的性能。所以說玻璃鋼船的結(jié)構(gòu)設(shè)計包含了材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、鋪層設(shè)計、建造工藝、施工方法及環(huán)境以及工人的操作水平等所有內(nèi)容。因此,對于有特殊要求的船體結(jié)構(gòu)層板,一般要求在與制品糊制環(huán)境相當(dāng)?shù)那闆r下,由合格的操作工人糊制試驗樣板,提供給有關(guān)部門校核,得出性能數(shù)據(jù)后才用于特定部位。3.2鋼加強(qiáng)構(gòu)件的應(yīng)用(1)無構(gòu)架形式,即夾層結(jié)構(gòu)。一般用于船體殼板及壁板等,玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的面層材料是比較薄的玻璃鋼,芯材主要是厚而輕的泡沫塑料、軟木等,采用夾層結(jié)構(gòu)主要是提高結(jié)構(gòu)物的剛度,同時芯材能起到提高減振及隔音的作用;雙殼體也是夾層結(jié)構(gòu)的一種,一般應(yīng)用在小船(如救生艇,艇體與內(nèi)殼之間、頂篷與內(nèi)殼之間用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡泡沫塑料填充);(2)有構(gòu)架形式,即是結(jié)構(gòu)上有加強(qiáng)構(gòu)件。玻璃鋼船的加強(qiáng)構(gòu)架形式有很多種,有開截面式:如L形、槽型、Z形、T形、工字形等,見圖1,這些都是將預(yù)先層壓的型材通過現(xiàn)場粘結(jié)后制得的,這種加強(qiáng)材對于象玻璃鋼這樣低模量材料來說,容易因扭曲和縱彎造成變形,所以這種截面的效果不太好。效果比較好的是閉截面式:如半圓形截面、圓頂帽形截面、矩形帽形截面及梯形帽形截面等,見圖2。其中半圓形截面及圓頂帽形截面雖然容易糊制,但泡沫芯材加工比較困難,另外,矩形帽形截面根部容易堆積過多的樹脂而產(chǎn)生收縮。綜上所述,最值得推廣的是梯形帽形截面。(3)混合形式;如底部用構(gòu)架形式,上部用無構(gòu)架形式。3.3膠衣層、混合材料的安裝(1)在模具表面涂脫模劑:在玻璃鋼成型中,為使制品與模具分離而涂于模具成型面的物質(zhì),稱為脫模劑。凡是與合成樹脂粘結(jié)力小的非極性或極性微弱的一類物質(zhì),都可作脫模劑用。但脫模劑還應(yīng)具備下列條件:不腐蝕模具,不影響樹脂固化,成模均勻、光滑,成膜時間短,使用方便,價格低廉。脫模劑一般分為片狀、溶液型、油蠟類三類。溶液型脫模劑應(yīng)用最為廣泛。目前國內(nèi)手糊成型最常用的一種脫模劑是聚乙烯醇溶液。(2)糊制膠衣層:糊制時,制品表面先做一層樹脂含量高的膠衣層。它可以是純膠衣樹脂層,也可以用表面氈增強(qiáng)。厚度一般0.25～0.4mm。另外,為了產(chǎn)品外表的美觀或客戶對產(chǎn)品外表特定的顏色要求,可以在膠衣層加入相應(yīng)顏色的顏料糊。(3)糊制玻璃鋼層:膠衣層開始凝膠時,即可根據(jù)設(shè)計好的鋪層,用選定的樹脂膠液糊制玻璃鋼至設(shè)計厚度。樹脂膠液含膠量一般控制在45%～55%之間。操作時室溫一般控制在15°以上,濕度不高于75%。銳角、尖角等復(fù)雜部位,應(yīng)填充玻璃纖維和樹脂。厚的玻璃鋼制品應(yīng)分層糊制,每次糊制厚度以小于10mm為宜,否則會因固化熱使制品變形。對聚酯玻璃鋼,為避免樹脂阻聚,糊制完畢后,表面必須與空氣隔絕,待完全固化后脫模。(4)預(yù)埋件敷設(shè):用于安裝固定特定設(shè)備或舾裝件而設(shè)置的金屬預(yù)埋件,預(yù)埋件預(yù)埋前必須經(jīng)過酸洗、去污、去油(以保證粘結(jié)牢固),并先在模具上定位,預(yù)埋件應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)層糊制厚度達(dá)2/3時埋入。埋入嵌件后的表面增強(qiáng)層厚度,應(yīng)與結(jié)構(gòu)層厚度相當(dāng)。嵌件表面增強(qiáng)層的厚度應(yīng)逐漸減薄,以減少應(yīng)力集中,嵌件埋設(shè)位置應(yīng)盡量對稱或在設(shè)備中心位置,距邊緣不要太近。避免使用銅材作預(yù)埋材料(因為銅在樹脂固化時能生成有機(jī)化合物,起阻聚作用);若使用木質(zhì)材料作預(yù)埋材料時,應(yīng)采用膠合板類型材料。木材表面應(yīng)涂加有溶劑的稀釋了的樹脂涂料,粘合處應(yīng)不透水,并應(yīng)耐水解。(5)脫模:手糊聚酯玻璃鋼一般在成型后24小時可達(dá)到脫模強(qiáng)度,脫模后再放置一周左右即可使用。3.4接枝的連接主要有三種:(1)膠接:膠接根據(jù)連接件的相對位置可分為以下幾種,見圖3:搭接和對接在玻璃鋼船裝配中采用較多;帶斜口的對接是對接和搭接的折中(多用在修補(bǔ)破洞或填補(bǔ)安裝孔);角接中采用最多的是T型連接;(2)機(jī)械連接:通常在下列情況下采用:①可拆連接:采用純螺栓連接(要注意水密性);②作用有很大剝離力的不可拆連接,特別是薄板結(jié)構(gòu)(t<5mm);③玻璃鋼與金屬、木結(jié)構(gòu)之間的連接等。(3)混合連接:在允許的場合最好采用混合式連接。最典型的混合連接見船體與甲板的裝配,見圖4。4擴(kuò)展裂紋、針孔、膠孔、背景信息(1)鼓泡:層板表面大面積隆起,一般為內(nèi)部分層所致;(2)皺褶:局限在表面(大面積和小面積)的皺紋,表明模具表面濕氣太大,和糊制時固化輔料中濕氣太大;不局限在表面的皺褶,其成因主要為樹脂含量過大;(3)桔皮紋:有乳頭狀突起的涂層表面,這是由于表面涂層施工不良所致,或因涂層化合物與脫模劑不相容所造成的;(4)裂痕:僅存在于涂層表面裂痕或已向?qū)影迳钐帞U(kuò)展的裂紋,一般意味著固化速度太快,其處樹脂過多和固化不正常;(5)表面發(fā)粘:通常伴隨有濃的苯乙烯氣味(不同于充分固化時樹脂的微弱氣味),意味著固化不完全;(6)針孔:成型表面上規(guī)則和不規(guī)則的針孔,顯示了空氣進(jìn)入表面涂層和進(jìn)入表面涂層與脫模劑之間;(7)纖維裸露:局部泛白的纖維過多,原因是:脫模過早;樹脂與纖維或其浸潤劑不相適應(yīng);纖維增強(qiáng)材料分布不均勻;(8)缺膠面:增強(qiáng)纖維材料浸漬不好,原因是:增強(qiáng)纖維材料局部過多;糊制時樹脂分布不均勻;凝膠硬化過早;(9)積膠面:這些表面實(shí)際上僅含樹脂,使用中很快出現(xiàn)裂縫,原因是:部件設(shè)計沒有適應(yīng)纖維增強(qiáng)塑料的特點(diǎn),曲線變化太突然;(10)局部積膠:表面樹脂局部積聚,因反應(yīng)熱而變色,出現(xiàn)裂縫,屬操作不良所致;(11)分層:增強(qiáng)材料層間分離,其原因是:固化不完全;固化不正常;糊制時有潮氣存在;在完全固化前受碰撞;模具上局部溫度過高;脫模過早;局部缺少樹脂;(12)