船用新材料技术发展及碳减排贡献度分析.pdf
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1、第45卷第19期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023船用新材料技术发展及碳减排贡献度分析李陈峰1,宋星晨,白玉刚,曲蕾,郝金凤,强兆新,张杰,崔留洋4(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150 0 0 1;2.中船重工船舶设计研究中心有限公司,北京10 0 0 8 1;3.中国船舶集团有限公司第七一四研究所,北京10 0 10 1;4.大连船舶重工集团有限公司,辽宁大连,116 0 0 0)摘要:为了掌握船用新材料的发展现状及其对碳减排的作用与影响,开展船舶结构/功能一体化材料和特种功能材料的发展现
2、状分析,总结相关材料在结构轻量化设计中的应用前景。结合船舶能效设计指数(EEID),给出了船舶轻量化对碳减排贡献度分析方法,开展了新材料应用方案及不同减重条件下16 万吨油船碳减排贡献度估算。研究表明:相较于特种功能材料,结构/功能一体化材料对船舶轻量化具有直接影响;碳减排贡献度随着空船重量变化趋于线性变化,当船体结构减轻2 0%时,碳减排贡献度达到2.54%。研究成果对于绿色生态环保船工程设计和碳减排贡献度分析具有参考价值。关键词:结构/功能一体化材料;特种功能材料;能效设计指数;碳减排贡献度中图分类号:U668文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)19-0 0 8 2-0
3、7A review of new shipbuilding materials and their influence onship lightweight and carbon emission reductionLI Chen-feng,SONG Xing-chen,BAI Yu-gang,QU Lei,HAO Jin-feng,QIANG zhao-xin,ZHANG Jie,CUI Liuyang(1.College of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.China
4、 Ship Design and ResearchCenter Co.,Ltd,Beijing 100081,China;3.The 714 Research Intstitute of CSSC,Beijing 100101,China;Abstract:In order to master the development status of new shipbuilding materials and their influence on ship light-weight and shipping carbon emission reduction,the existing ship s
5、tructural/functional integrated materials and special func-tional materials are introduced,and the applicability of related materials in ship lightweight is analyzed.Based on the shipenergy efficiency design index(EEID),an evaluation method for contribution of carbon emission reduction was establish
6、ed,and the contributions of carbon emission reduction of 160000 DWT oil tanker using new materials and varying with weightreduction were performed.The results show that the structural/functional integrated materials have direct effect on ship light-weight in comparison with the special functional ma
7、terials,and the carbon emission reduction varies linearly with the vari-ation of hull weight.When the structural weight reduces by 20%,the contribution of carbon emission reduction reaches about2.54%.The study could have the reference value for engineering design of green environmentally friendly sh
8、ip and contribu-tion evaluation of carbon emission reduction.Key words:structural/functional integration material;special functional material;energy efficiency design index;contribution of carbon emission reduction文献标识码:A4.Dalian Shipbuilding Industry Co.,ltd.,Dalian 116000,China)doi:10.3404/j.issn.
9、1672-7649.2023.19.0150引言随着全球经济的快速发展,生态环境破坏及能源收稿日期:2 0 2 2-0 9-16基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目(LH2020E078);国家自然科学基金资助项目(52 17 130 5,52 10 130 5)作者简介:李陈峰(198 1),男,博士,教授,研究方向为环境载荷与结构强度。短缺等问题开始凸显。伴随着海上贸易的增多、船舶大型化的发展,船舶数量逐渐增加,航运业产生的能源消耗和气体排放也在不断加剧,由此产生的环境问第45卷题对人类生存产生了严重影响。2 0 2 1年6 月举行的IMO海洋环境保护委员会第7 6 次会议通过了降低国际
10、航运碳强度的技术和营运措施,会议对能效设计指数(EEDI)进行了修正,同意了推进轴/发动机功率限制概念。同时同意了“减少航运产生的水下噪声”的新提案,对船舶向绿色低碳转型提出了更高要求。2017年我国工信部明确提出,我国船舶工业应朝绿色环保及结构轻量化方向发展。材料的创新与应用,是实现船舶轻量化和碳减排的重要手段。新型船用材料主要包括新型结构/功能一体化材料和特种功能材料两类2 。新型结构/功能一体化材料指以力学性能为基础,用以制造受力构件并可以实现特定功能的材料3;特种功能材料指用于除强度功能以外其他功能的材料2 。船舶结构/功能一体化材料和特种功能材料的使用,一方面通过直接降低船舶重量实现
11、减重减排的目的,另一方面通过减振降阻等功能特性提高能源利用效率,实现碳减排的目的。因此,开展船舶材料发展研究对船舶行业发展具有重要意义。2 0 0 4年,韩国大宇造船公司提出超大型油船结构重量下降10%、结构件个数减少2 0%的目标4。2016年年末,大宇造船又提出将空船重量进一步降低2%的计划。2 0 0 8 年日本环境使命项目立项,计划综合目前所有先进环保技术,在2 0 30 年打造完成“日本邮轮超级环保船2 0 30”,实现CO2减排6 9%5。据统计,2 0 17 年中国船企交付船舶用钢量超过10 0 0 万吨,假如空船重量整体下降5%,那么可节省材料和加工成本达50 亿元。在当下国内
12、外大形势下,推动船舶行业的转型,加强结构轻量化设计,打造绿色低碳型船舶是未来船舶发展趋势。:为了掌握船用新材料发展现状及其对船舶轻量化及碳减排的作用与影响,本文开展船用结构/功能一体化材料和特种功能材料的发展现状分析。结合EEDI能效指标建立碳减排贡献度分析方法,在此基础上开展新材料应用方案的碳减排贡献度分析,为我国绿色生态环保船工程设计提供参考。1船用结构/功能一体化材料船用结构/功能一体化材料主要分为金属材料和复合材料2 。金属材料除了常规的低碳钢Q235等,还包括高强钢、铝合金、钛合金等。复合材料按基体不同一般可分为树脂基复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料等。结构/功能一体化材料是
13、船体结构、管系、装、内装、冷空和电气设备等主要结构、构件和设备的建造材料。李陈峰,等:船用新材料技术发展及碳减排贡献度分析计的重要可选材料10-I。目前,船体用铝合金主要有50 8 3、50 8 6、6 0 6 1、6 0 8 2等系列。50 8 3铝合金的条件屈服强度 110 MPa,拉伸极限2 7 0 MPa;6 0 8 2 铝合金条件屈服强度2 6 0 MPa,拉伸极限310 MPal12。此外,10 50、12 0 0、30 0 3/32 0 3等系列铝合金广泛地用于船舶装。这些铝合金材料在大型船舶上层建筑、高速客船和小型快艇设计建造中被大量使用,如美国海军DDG1000濒海战斗舰、我
14、国海军0 2 2 导弹快艇和乌克兰的“野牛”气垫船完全采用铝合金舰身13。资料表明,美国“独立”号航母和法国“福熙”号航母的铝合金用量大约在10 0 0 t左右,美国的各级驱逐舰也大量使用了铝合金,其中DE级2 51t、D LG 级8 11 t、D D G 级516 t、D LG N级930(14。831.1金属材料1.1.1高强钢船用高强度钢相较于普通钢,具有高强度和高韧性,其密度和弹性模量与普通钢一致。常用船用高强度钢屈服强度一般在315 6 90 MPal6,每一个强度等级按照其冲击韧性划分为A、D、E和F四个等级。民船设计中常用屈服强度介于315 39 0 MPa的AH32EH 39
15、钢,主要用于船体外板和甲板等主船体承力部位。其中,超大型集装箱船的甲板及抗扭箱甚至采用屈服强度超过490 MPa的高强度钢。军船对船体强度要求更高,我国水面舰船常用的高强度钢有390MPa级90 7 钢,590 MPa级92 1、92 2、92 3系列钢4。为了满足航母等新一代水面舰船的设计建造需求,近年来相继研制了一系列舰船用高强度钢,强度覆盖40 0 1000MPa7。根据实际使用需求,高强钢衍生出了抗疲劳性、耐腐蚀性和低温韧性等附加性能,如适用于化学品船的耐腐蚀钢,适用于极地船舶的低温韧性钢8 。高强度钢是当前船舶轻量化设计的一种重要手段。但为了提高强度和硬度,高强度钢加人了铝、钛、锰等
16、合金元素,导致其焊接性十分复杂。尤其对于强度级别较高的钢,热影响区的淬硬倾向和冷裂纹倾向以及焊缝的热裂纹倾向也随着增大,焊接时极易出现淬硬和裂纹等问题。此外,由于高强度钢的使用,导致结构刚度降低及工作应力提高,对于结构的稳定性和疲劳性能也将带来不利影响9。1.1.2铝合金铝合金的密度和弹性模量约为钢材的1/3,材料屈服限接近甚至超过普通船用钢,具有比强度和比模量高的特点。船用铝合金以铝镁合金为主,不仅强度和抗冲击性能较好,同时具有优良的耐蚀性能、良好的冷、热成型性能和较好的焊接性能,是船舶轻量化设84当前铝合金主要应用于船舶上层建筑和装件,由于这些结构重量在空船重量中占比较小,对于全船减重效果
17、不是很显著。铝合金由于弹性模量小,设计的板架和大跨度结构由于刚度不足易产生变形。同时,铝合金焊接存在较为明显的焊接退化,二次焊接质量较差,易出现气孔、裂纹、未焊透等问题15。因此铝合金焊接工艺有待进一步提高,包括钢铝接头加工工艺等。1.1.3钛合金钛合金的密度为4510 kg/m,约为钢的6 0%,属于轻金属,屈服强度与晶胞结构相关,熔点高达166916 。钛合金按组织类型可分为型、型和+型,和为单相合金,型钛合金热稳定性强,型钛合金强度高,室温下可达137 2 16 0 0 MPal17。+型为双相合金,有着良好的综合性能,耐腐蚀性和断裂韧性极强。同时使用温度范围广,是选用高比强度材料时的首
18、选材料。因此钛合金是继铝之后极具发展前景的“海洋金属”,几乎满足船舶用料的全部要求1。1.2复合材料复合材料是由2 种或2 种以上不同性能及不同形态的材料,通过物理或化学复合手段组合而成的一种多相材料。复合材料在满足力学性能的基础上,功能性在很大程度上取决于基体、增强纤维和添加剂的选择。与金属材料相比,复合材料设计灵活性更高,在功能性方面作用更为显著。1.2.1树脂基复合材料树脂基复合材料分为热固性树脂材料和热塑性树脂材料,密度一般介于150 0 2 0 0 0 kg/m。热固性复合材料的优势在于比强度高、耐腐蚀、耐磨损和无磁性干扰,主要有玻璃纤维增强热固性树脂、碳纤维树脂、芳纶纤维以及超高分
19、子量聚乙烯纤维树脂系列2 4。树脂基复合材料适用于对强度和刚度要求都不是很高的结构或构件,如地板、舱壁、门框、管道系统、设备部件等2 5。资料显示2 6 ,军舰上树脂基复合材料大多使用在上层建筑、推进轴系、导流罩、围壳和杆等部位,来达到减重、防腐蚀和减少雷达探测的不同功能。树脂基复合材料的连接工艺、防火性能和环保是制约其推广应用的重要因素。树脂基复合材料在海洋环境下,失效机理和可靠性有待进一步研究。1.2.2陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是在陶瓷材料的基础上,克服其舰船科学技术韧性差、易损坏的缺点而研制的复合材料。陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温(工作温度达16 50)、抗冲击、线膨胀系数小、寿
20、命长等优点2 7 。主要包括C/SiC和SiC/SiC两种类型。相比于金属材料受到外力时,主要发生塑性形变,陶瓷材料的损伤过程更为复杂。如图1所示,陶瓷材料在受到压缩载荷时,应力应变主要分为,为弹性变形阶段、稳定压缩阶段和紧实阶段2 8 。应力稳定压缩阶段弹性变形阶段0图1陶瓷材料应力应变过程Fig.1 Stress strain process of ceramic materials目前,船舶领域对陶瓷基复合材料的利用主要体现在其优异的耐高温性能和力学性能上,如发动机的燃烧室和推进轴系杆件,以提高船舶发动机的高温强度、韧性、抗氧化性和降低成本2 9。断裂韧性不足、抗震性能差等是陶瓷基复合材
21、料的共性问题。为了提升其工程应用,呕待明确复杂荷载作用下陶瓷基复合材料的失效机理,确定材料性能,为结构设计与选材提供更多依据。1.2.3金属基复合材料金属基复合材料是在金属或者合金材料的基础上,通过优化组合获得既具有金属特性,又具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能的复合材料,具体性能取决于所选金属或合金基体和增强物的特性、含量和分布等30 。常见的金属基复合材料有铜基复合材料、铝基复合材料和钢/聚氨酯夹层板等。铜基复合材料是船舶操纵系统结构和设备零部件的重要材料;铝基复合材料与铝合金类似,可用于船舶上层建筑非承力构件、门窗和壁板等,也可起到降低船体质量的作用。钢/聚氨酯夹层板以钢材为基
22、体,聚氨酯弹性体为芯材,面板和芯板整体连接优异,绝缘性、隔热性和抗疲劳性能良好31-32 。在民船领域已用作舱口盖、上层建筑外板、甲板舱室和槽顶等部位。同时,因其芯材的特殊性,夹层板具有吸声特质,用作船体内晒装部件,可有效降低结构振动响应,起到减振降噪的效果。金属基复合材料以其优良的力学性能和减振降噪功能性特点,在船舶轻量化设计中具有巨大的潜力和第45卷紧实阶段应变第45卷应用前景。在保证强度的前提下,可减少钢材的用量,减轻结构的重量。为了扩大其工程应用,有必要对其制备工艺进一步优化,同时需要对复杂荷载下的失效机理和力学性能进一步研究。2船用特种功能材料2.1防火隔热材料SOLAS公约要求,船
23、用防火隔热材料应具备耐火度高且无毒等特质,同时需考虑船舶在航行过程中对环境的影响和适应复杂工作环境的能力34。按照国际耐火分隔系统分类,防火隔热材料主要分为有机和无机两类。目前使用较多的无机防火隔热材料是硅酸盐纤维,使用温度达10 0 0 12 0 0,且对人体危害性低,主要用于舱壁板、防火围壁板和走道的隔热芯材35。此外,还有熔点高达2 7 0 0 的ZrO2纤维,经凝胶注模处理后导热系数约为0.0 95W/(mK),可满足大型船舶的耐火标准,是船用无机防火材料发展的方向之一36 。有机防火隔热材料主要包括黑软木板、聚氨酯泡沫板、酚醛泡沫板和聚酰亚胺泡沫板等。其中,黑软木板无毒无害,主要应用
24、于耐火分隔舱室和管道保温材料37 ;硬质聚氨酯泡沫板是保温性能极佳的高分子孔隙泡沫型材料,主要用于船舶冷藏室的隔热板材38 。酚醛泡沫板能够达到A级防火标准,使用寿命长、成本低且无毒,可用于舱室内部装的隔热材料39。美国NASA研制的聚酰亚胺材料不仅具有优良的防火隔热性能,同时具有优异的压缩强度和断裂韧性,是具有发展前景的一种环保绿色保温材料40 。2.2减振降噪材料传统减振降噪材料主要包括多孔吸声材料和阻尼材料41。其中,多孔吸声材料能够吸收声能转化为热能并消散掉,在中高频范围内的吸声效果较好。船舶结构中常用的多孔吸声材料包括多孔纤维板和聚氨酯泡沫塑料等,可用作机舱舱室的隔音舱壁。多孔吸声材
25、料质量轻、成本低,但吸声效果受孔隙率影响大且防火性差。阻尼材料通过自身的大阻尼特性使振动幅度下降,从而达到降噪的目的。船舶上经常在甲板、围壁板、管道和紧邻机舱的舱室壁板上,敷设阻尼材料达到减振降噪的效果42 。压电阻尼材料作为新型复合阻尼材料,由压电陶瓷、高聚物和导电填料组成,将振动能转化为电能并以热能形式耗散,可有效降低低频振动噪声,并可作为船舶承力轴承的阻尼层。李陈峰,等:船用新材料技术发展及碳减排贡献度分析优点沥青系成本低、表面处理要求低环氧沥青系成本低、耐碱性强乙烯系耐化学品、耐侯、柔韧性好丙烯酸系耐候、耐热、耐紫外线船舶水线部位是船体腐蚀最为严重的位置,对防腐涂层要求最高。目前使用较
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