一種新型自適應緩凝發泡堵漏裝置的設計研究?

王宏風 喻雄飛

（中國人民解放軍92326部隊 湛江 524000）

1 引言

當船舶擱淺、觸礁、碰撞等原因造成艙壁破損進水時，船舶將喪失一部分儲備浮力，產生傾斜、傾差，穩性降低，直接威脅船舶生命力，會因穩性不足而發生傾覆，甚至會因完全喪失儲備浮力而沉沒。因此，發現進水后能否快速控制進水或進行堵漏，是減輕船舶危險并爭取搶救時間的關鍵，所以損管堵漏技術一直以來都是船舶損管研究的一項重要內容。本項目是通過對多種損管器材（如：金屬堵漏箱、軟邊堵漏板、金屬堵漏傘、泡沫堵漏器等）進行分析，研制的一種利用高分子緩凝發泡材料的新型堵漏裝置。

經過多年的發展，國內現役船舶已經根據需要配置了較多種類的堵漏器材，對船舶生命力起到了一定程度上的保障作用。但是由于受損船體常凹凸不平，傳統的堵漏器材通常采用木楔、木塞、木板等形式，堵漏時不僅費時費力，并且堵漏不徹底，特別是對于噸位較大的船舶，受損部位深、進水壓力大的情況下，堵漏更為困難。目前船舶配置的損管堵漏器材多設計定型于20世紀，多種損管器材如金屬堵漏箱、軟邊堵漏板、活頁鐵板、金屬堵漏傘等通常會在實際使用中出現操作不便、適用范圍小、堵漏不嚴、可靠性差等問題，難以滿足現代化新型船舶對高效堵漏的需要。

2 現有堵漏工具的問題研究

針對幾種常用堵漏工具在使用中的優缺點進了討論分析，具體分析如下。

1）金屬堵漏傘

優點：使用方便，堵漏速度快，水壓不太大的情況下，約30s即可完成，堵漏效果不受裂口凸起影響。

缺點：對于水壓較大的情況，堵漏傘撐開比較困難。

2）金屬堵漏箱

優點：操作原理簡單，水壓較小時堵漏速度快，約20s可完成。

缺點：水壓較大時，面對破口進水壓力時，堵漏箱很難固定到位，且要求內壁區域破口四周平整，旁邊無水管等其它結構阻擋，操作空間要求高，空間太狹小時無法完成操作。

3）快速（泡沫）堵漏器

優點：使用時，敲碎內置的兩個玻璃瓶，玻璃瓶里的兩種化學品混合在一起，生成泡沫類物質，撐開帆布袋，填充破損口，類似快干水泥的效果，可以適應不規則形狀的破損口。

缺點：當水壓較大時很難將堵漏器伸到艙外，膨脹過程需人工頂住，時間較長，一次堵漏失敗，無法現場拆除重新堵漏。

3 一種新型的自適應緩凝發泡堵漏裝置的研究設計

通過調研分析，針對現有堵漏工具不易操作、適應性差的問題，現設計一種自適應緩凝發泡堵漏裝置，該裝置主要由T形桿與膨脹囊組成，通過運用基于聚氨脂的高分子聚合膨脹材料，解決當前堵漏過程中遇到的不易操作、成功率低等難題，再通過改變聚氨脂的膨脹速度解決破口不平整、船舶內壁不規則或有障礙物時的難題，提高堵漏自適應性，且操作方法與堵漏箱類似無需進行額外培訓。

在膨脹囊的設計方面，如果將膨脹囊設計在艙外雖然有堵漏效果好，較牢靠等優點。但缺點是水壓大時伸到艙外較困難，且膨脹過程中需人工頂住，水壓過小時有脫落可能，如果一次堵漏不成功，很難拆除重來，因此很難將其投入到訓練中，而將膨脹囊設計在艙內膨脹的優點則是容易伸到艙外，膨脹過程中無需人工頂住，水壓過小時不會脫落，如果一次堵漏不成功，可拆除重來，培訓訓練過程中易拆除，還可實現二次加固。

在膨脹囊內部還應有改進性設計，一方面在膨脹囊內分前后兩格，后格內的高分子膨脹材料比前格中的材料遇水膨脹快，后級先將前級擠推至最前方破口附近時才開始膨脹，較好改善滲水情況，另一方面膨脹囊外圍由帆布與金屬網組成，后端有8股后檔桿形成較大、較硬的支撐，且前端相對較軟，延展性強，帆布內側加入一定數量的海綿或軟質材料，避免滲水處形成噴射狀水柱。前端膨脹材料還可以加入粘性成份，進一步減少滲水。

自適應緩凝發泡堵漏裝置機械結構由T形桿、發泡膨脹囊、后檔桿（8股）、步進壓桿等組成。具體如圖1示意。

圖1 自適應緩凝發泡堵漏裝置機械結構示意圖

使用時，將T形桿由艙內通過破口伸出艙外并卡牢，手動壓動步進壓桿將開始膨脹的膨脹囊盡可能地壓向破口，使破口漏水變小，隨后膨脹囊前格內的高分子材料才開始膨脹并硬化，膨脹結束后即可把整個破口及內壁全部封堵，如遇到有管道、棱角等不規則內壁時，可自適應變形，確保填滿整個破口，令海水無法進入艙內，完成堵漏，堵前堵后具體如圖2（a）、（b）示意。

圖2 堵前堵后示意圖

該設計能很好地解決現有堵漏裝置的九個主要缺點，分別是：1）破口有時內翻有時外翻，在緊急情況下可能選錯堵漏工具，導致堵漏失敗；2）破口內壁不規則，有水管、棱角、柱子等阻擋，傳統堵漏工具無法使用；3）破口附近有障礙物，操作空間狹小；4）破口很深，水壓很大，操作困難；5）破口較大，無堵漏工具可用；6）破口變形，不在同一平面，堵漏困難；7）破口呈長條狀；8）部分新型堵漏裝備，操作較復雜，需額外培訓；9）部分新型堵漏裝備培訓過程中難拆除，不利培訓。

新設計的自適應緩凝發泡堵漏裝置能較好地解決以上九個現存的缺點：1）T形桿的設計能適應內外兩種翻口；2）內壁不規則時可通過高分子材料的二級膨脹自動堵塞；3）操作空間狹小時，該裝置允許斜插操作；4）堵漏后期操作由裝置自動膨脹完成，水壓很大時也能適用；5）因后期操作由裝置自動膨脹完成，不存在人工難固定到位的問題；6）破口變形，不在同一平面時，該裝置可通過膨脹囊的自動變形解決；7）破口呈長條狀，可同時插入多個裝置，多個裝置相互膨脹擠壓，完成長條狀破口堵漏；8）該裝置原理簡單，操作容易，與現階段應用最廣的金屬堵漏箱操作類似，無需專門培訓；9）該裝置因膨脹囊設計在艙內膨脹，拆除容易。

此外，自適應緩凝發泡堵漏裝置生產選材方面還要從可靠耐用、簡化操作流程等角度開展結構優化設計，并盡可能采取減重措施，提高堵漏效率并降低對總體資源的消耗。

4 高分子膨脹堵漏材料技術實現

該設計中膨脹囊內選用聚氨酯為原材料，但是純聚氨酯存在一些問題：1）聚氨酯強度不夠高；2）聚氨酯作為堵漏材料疏水性不強；3）聚氨酯不便于儲存；4）受縮合反應影響，凝固時間難以控制。

還應在聚氨酯內部通過添加強化劑、疏水物質、固化劑、緩凝劑等，達到增大強度、提高疏水性、固態化保存、膨脹時間可控等要求。在低聚物多元醇的柔性長鏈構成的軟段和以二異氰酸酯及擴鏈劑構成的硬段上進行分子改造，聚氨酯大分子長鏈中硬段和軟段結構單元如圖3。

圖3 聚氨酯大分子長鏈中硬段和軟段結構單元示意圖

其相應的解決方案是：1）提高聚氨酯材料的強度依賴于聚氨酯硬段結構的分子設計，應采用二苯基甲烷二異氰酸酯作為硬段分子單體，更利于硬段的規整排列和結晶，從而有利于提高聚氨酯的強度；2）聚氨酯的疏水性能可以通過軟段結構來調節，可以通過提高聚氧丙烷二醇的比例提高聚氨酯的疏水性；3）通過調節二異氰酸酯和多元醇的比例，從而調節聚氨酯預聚體的分子量，實現聚氨酯預聚體固態化保存；4）為了調節凝膠速度，可以加入適當的緩凝劑，控制凝膠時間。此外，利用聚氨酯中的-NCO與水反應產生的二氧化碳可形成孔洞，可提高膨脹率。

在上述基礎上，還可以通過在聚氨酯材料中添加納米二氧化硅進一步提高聚氨酯的強度，添加帶有粘度的試劑，增加聚氨酯材料表面的粘度。聚氨酯（圖4（a））在納米粒子選擇性地與聚氨酯硬段（藍色粗線條，圖4（b））或者軟段（黑色細線條，圖4（c））產生相互作用，提高硬度。分子結構圖如圖4。

圖4 分子結構圖

5 結語

該裝置運用T形桿與膨脹囊的組合，解決當前堵漏過程中遇到的不易操作、成功率低等各項難題，再通過改變聚氨脂各項特性提高堵漏效果。該裝置具備操作簡單，成本可控，適應性強的特點，具有較大的推廣前景。