一种新型自适应缓凝发泡堵漏装置的设计研究∗

王宏风 喻雄飞

（中国人民解放军92326部队 湛江 524000）

1 引言

当船舶搁浅、触礁、碰撞等原因造成舱壁破损进水时，船舶将丧失一部分储备浮力，产生倾斜、倾差，稳性降低，直接威胁船舶生命力，会因稳性不足而发生倾覆，甚至会因完全丧失储备浮力而沉没。因此，发现进水后能否快速控制进水或进行堵漏，是减轻船舶危险并争取抢救时间的关键，所以损管堵漏技术一直以来都是船舶损管研究的一项重要内容。本项目是通过对多种损管器材（如：金属堵漏箱、软边堵漏板、金属堵漏伞、泡沫堵漏器等）进行分析，研制的一种利用高分子缓凝发泡材料的新型堵漏装置。

经过多年的发展，国内现役船舶已经根据需要配置了较多种类的堵漏器材，对船舶生命力起到了一定程度上的保障作用。但是由于受损船体常凹凸不平，传统的堵漏器材通常采用木楔、木塞、木板等形式，堵漏时不仅费时费力，并且堵漏不彻底，特别是对于吨位较大的船舶，受损部位深、进水压力大的情况下，堵漏更为困难。目前船舶配置的损管堵漏器材多设计定型于20世纪，多种损管器材如金属堵漏箱、软边堵漏板、活页铁板、金属堵漏伞等通常会在实际使用中出现操作不便、适用范围小、堵漏不严、可靠性差等问题，难以满足现代化新型船舶对高效堵漏的需要。

2 现有堵漏工具的问题研究

针对几种常用堵漏工具在使用中的优缺点进了讨论分析，具体分析如下。

1）金属堵漏伞

优点：使用方便，堵漏速度快，水压不太大的情况下，约30s即可完成，堵漏效果不受裂口凸起影响。

缺点：对于水压较大的情况，堵漏伞撑开比较困难。

2）金属堵漏箱

优点：操作原理简单，水压较小时堵漏速度快，约20s可完成。

缺点：水压较大时，面对破口进水压力时，堵漏箱很难固定到位，且要求内壁区域破口四周平整，旁边无水管等其它结构阻挡，操作空间要求高，空间太狭小时无法完成操作。

3）快速（泡沫）堵漏器

优点：使用时，敲碎内置的两个玻璃瓶，玻璃瓶里的两种化学品混合在一起，生成泡沫类物质，撑开帆布袋，填充破损口，类似快干水泥的效果，可以适应不规则形状的破损口。

缺点：当水压较大时很难将堵漏器伸到舱外，膨胀过程需人工顶住，时间较长，一次堵漏失败，无法现场拆除重新堵漏。

3 一种新型的自适应缓凝发泡堵漏装置的研究设计

通过调研分析，针对现有堵漏工具不易操作、适应性差的问题，现设计一种自适应缓凝发泡堵漏装置，该装置主要由T形杆与膨胀囊组成，通过运用基于聚氨脂的高分子聚合膨胀材料，解决当前堵漏过程中遇到的不易操作、成功率低等难题，再通过改变聚氨脂的膨胀速度解决破口不平整、船舶内壁不规则或有障碍物时的难题，提高堵漏自适应性，且操作方法与堵漏箱类似无需进行额外培训。

在膨胀囊的设计方面，如果将膨胀囊设计在舱外虽然有堵漏效果好，较牢靠等优点。但缺点是水压大时伸到舱外较困难，且膨胀过程中需人工顶住，水压过小时有脱落可能，如果一次堵漏不成功，很难拆除重来，因此很难将其投入到训练中，而将膨胀囊设计在舱内膨胀的优点则是容易伸到舱外，膨胀过程中无需人工顶住，水压过小时不会脱落，如果一次堵漏不成功，可拆除重来，培训训练过程中易拆除，还可实现二次加固。

在膨胀囊内部还应有改进性设计，一方面在膨胀囊内分前后两格，后格内的高分子膨胀材料比前格中的材料遇水膨胀快，后级先将前级挤推至最前方破口附近时才开始膨胀，较好改善渗水情况，另一方面膨胀囊外围由帆布与金属网组成，后端有8股后档杆形成较大、较硬的支撑，且前端相对较软，延展性强，帆布内侧加入一定数量的海绵或软质材料，避免渗水处形成喷射状水柱。前端膨胀材料还可以加入粘性成份，进一步减少渗水。

自适应缓凝发泡堵漏装置机械结构由T形杆、发泡膨胀囊、后档杆（8股）、步进压杆等组成。具体如图1示意。

图1 自适应缓凝发泡堵漏装置机械结构示意图

使用时，将T形杆由舱内通过破口伸出舱外并卡牢，手动压动步进压杆将开始膨胀的膨胀囊尽可能地压向破口，使破口漏水变小，随后膨胀囊前格内的高分子材料才开始膨胀并硬化，膨胀结束后即可把整个破口及内壁全部封堵，如遇到有管道、棱角等不规则内壁时，可自适应变形，确保填满整个破口，令海水无法进入舱内，完成堵漏，堵前堵后具体如图2（a）、（b）示意。

图2 堵前堵后示意图

该设计能很好地解决现有堵漏装置的九个主要缺点，分别是：1）破口有时内翻有时外翻，在紧急情况下可能选错堵漏工具，导致堵漏失败；2）破口内壁不规则，有水管、棱角、柱子等阻挡，传统堵漏工具无法使用；3）破口附近有障碍物，操作空间狭小；4）破口很深，水压很大，操作困难；5）破口较大，无堵漏工具可用；6）破口变形，不在同一平面，堵漏困难；7）破口呈长条状；8）部分新型堵漏装备，操作较复杂，需额外培训；9）部分新型堵漏装备培训过程中难拆除，不利培训。

新设计的自适应缓凝发泡堵漏装置能较好地解决以上九个现存的缺点：1）T形杆的设计能适应内外两种翻口；2）内壁不规则时可通过高分子材料的二级膨胀自动堵塞；3）操作空间狭小时，该装置允许斜插操作；4）堵漏后期操作由装置自动膨胀完成，水压很大时也能适用；5）因后期操作由装置自动膨胀完成，不存在人工难固定到位的问题；6）破口变形，不在同一平面时，该装置可通过膨胀囊的自动变形解决；7）破口呈长条状，可同时插入多个装置，多个装置相互膨胀挤压，完成长条状破口堵漏；8）该装置原理简单，操作容易，与现阶段应用最广的金属堵漏箱操作类似，无需专门培训；9）该装置因膨胀囊设计在舱内膨胀，拆除容易。

此外，自适应缓凝发泡堵漏装置生产选材方面还要从可靠耐用、简化操作流程等角度开展结构优化设计，并尽可能采取减重措施，提高堵漏效率并降低对总体资源的消耗。

4 高分子膨胀堵漏材料技术实现

该设计中膨胀囊内选用聚氨酯为原材料，但是纯聚氨酯存在一些问题：1）聚氨酯强度不够高；2）聚氨酯作为堵漏材料疏水性不强；3）聚氨酯不便于储存；4）受缩合反应影响，凝固时间难以控制。

还应在聚氨酯内部通过添加强化剂、疏水物质、固化剂、缓凝剂等，达到增大强度、提高疏水性、固态化保存、膨胀时间可控等要求。在低聚物多元醇的柔性长链构成的软段和以二异氰酸酯及扩链剂构成的硬段上进行分子改造，聚氨酯大分子长链中硬段和软段结构单元如图3。

图3 聚氨酯大分子长链中硬段和软段结构单元示意图

其相应的解决方案是：1）提高聚氨酯材料的强度依赖于聚氨酯硬段结构的分子设计，应采用二苯基甲烷二异氰酸酯作为硬段分子单体，更利于硬段的规整排列和结晶，从而有利于提高聚氨酯的强度；2）聚氨酯的疏水性能可以通过软段结构来调节，可以通过提高聚氧丙烷二醇的比例提高聚氨酯的疏水性；3）通过调节二异氰酸酯和多元醇的比例，从而调节聚氨酯预聚体的分子量，实现聚氨酯预聚体固态化保存；4）为了调节凝胶速度，可以加入适当的缓凝剂，控制凝胶时间。此外，利用聚氨酯中的-NCO与水反应产生的二氧化碳可形成孔洞，可提高膨胀率。

在上述基础上，还可以通过在聚氨酯材料中添加纳米二氧化硅进一步提高聚氨酯的强度，添加带有粘度的试剂，增加聚氨酯材料表面的粘度。聚氨酯（图4（a））在纳米粒子选择性地与聚氨酯硬段（蓝色粗线条，图4（b））或者软段（黑色细线条，图4（c））产生相互作用，提高硬度。分子结构图如图4。

图4 分子结构图

5 结语

该装置运用T形杆与膨胀囊的组合，解决当前堵漏过程中遇到的不易操作、成功率低等各项难题，再通过改变聚氨脂各项特性提高堵漏效果。该装置具备操作简单，成本可控，适应性强的特点，具有较大的推广前景。