LNG船用聚氨酯绝缘箱胶接工艺及关键技术

2023-05-17马建青胡永强

船舶与海洋工程 2023年2期

岳鑫，孔谅，曹恒，马建青，胡永强，金鑫

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240；2.江苏雅克科技股份有限公司，江苏宜兴 214203）

0 引言

聚氨酯绝缘箱是以增强型聚氨酯泡沫板（Reinforced Polyurethane Foam，R-PUF）作为超低温绝缘体，应用于薄膜型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船上的新型绝缘箱。聚氨酯绝缘箱能进一步降低LNG 的蒸发率（低于0.10% /d），具有可在工厂预制成型、可在造船现场直接安装和能缩短LNG船的建造周期等优势，现已成为薄膜型LNG船货物围护系统（如NO.96-L03 +和MarkⅢ/FLEX等）采用的主流绝缘箱类型［1］。

聚氨酯绝缘箱由R-PUF与胶合板（Plywood，PW）和三合一片材（刚性屏蔽层或柔性屏蔽层）等多种部件经胶接连接组成。常温条件下的胶接工艺直接决定聚氨酯绝缘箱的胶接性能，进而影响LNG船围护系统的低温性能［2-3］。HARTONO等［4］和DA SILVA等［5］的研究表明，胶接试件的胶层厚度会影响胶接表面应力，胶层厚度越大，胶层表面应力越大，胶接强度越弱。谭伟［6］和陈征辉等［7］通过试验发现：胶层厚度是胶接过程中的一个重要质量控制点，胶层过薄可能会导致局部缺胶和应力集中，胶层过厚易产生脱粘和气孔等缺陷；随着胶层厚度的增加，胶接强度先增大后减小。目前韩国、英国等国家已掌握聚氨酯绝缘箱批量预制工艺，对胶粘剂研制和低温胶接性能的研究也已趋于成熟，但目前国内外有关聚氨酯绝缘箱常温胶接工艺的研究较少。国内引进的聚氨酯绝缘箱制造技术在常温胶接质量控制方面存在严重不足，由于对影响箱体胶接性能的工艺参数缺乏深入的研究，对常温条件下大面积胶接界面的胶接工艺影响胶接性能的规律不够明确，导致产品在常温条件下的胶接性能不稳定，直接影响了产品的合格率。

本文针对聚氨酯绝缘箱中用量最大的R-PUF和PW在生产中存在的胶接工艺问题，对工厂批量预制情况下的常温胶接工艺和关键技术进行研究，通过分析涂胶量对R-PUF与PW之间胶接性能的影响、自动涂胶的方式和压合工艺条件对大尺寸聚氨酯绝缘箱胶接效果的作用规律，阐述大面积胶接界面的质量控制方法，为提升聚氨酯绝缘箱制造的质量提供技术支撑。

1 试验材料和试验方法

本文采用的R-PUF、PW和XPU型双组分胶粘剂均已获得GTT（Gaz Transport Technigaz）公司认证。试验所用被连接材料的物理性能见表1，采用的胶粘剂的性能见表2。

表1 试验所用被连接材料的物理性能

表2 试验采用的胶粘剂的性能

本文参照GTT公司的《垂直拉伸试验标准》及相关试验要求，通过力学性能试验、失效模式和胶层截面微观形貌分析等方法研究涂胶量、胶条分布形式和压合面的精度等因素对聚氨酯绝缘箱胶接性能的影响。

2 涂胶量对聚氨酯绝缘箱胶接性能的影响

涂胶量是指涂布于被粘物表面的单位胶接面积上的胶粘剂的剂量。设计涂胶量为200 ～550 g/m2、组间涂胶量间隔50 g/m2的涂胶试验，试验所用拉伸试样为经胶粘剂连接的PW、R-PUF和PW等三层结构，每组4个试样，试样胶接面尺寸为50 mm×50 mm。加压固化时间取5 h，固化压力为4 MPa；时效固化时间为24 h；试验温度为23 ℃，相对湿度不超过70%。试样制好之后，先用高强度速干胶将试样上PW两侧与万能试验机的夹具相连接，随后通过万能试验机以5 mm/min 的拉伸速率获得各试样在垂直拉伸试验中的试验数据，并对各试样的断口形貌进行观察，进一步分析涂胶量对聚氨酯绝缘箱胶接性能的影响。

2.1 涂胶量与拉伸性能的关系

制成的垂直拉伸试样及其受力图见图1。图2 为垂直拉伸试验中的应力与应变关系曲线，其中的拉伸曲线基本上为直线，末端略微弯曲，没有明显的屈服和颈缩现象；试样突然拉断属于较典型的脆性断裂。

图1 垂直拉伸试样及其受力图

图2 垂直拉伸试验中的应力与应变关系曲线

图3 为根据试验数据绘制的垂直拉伸强度和胶层平均厚度与涂胶量的关系图。由图3可知：

图3 垂直拉伸强度和胶层平均厚度与涂胶量的关系图

1）当涂胶量小于300g/m2时，试样拉伸平均强度低于1.33 MPa，与涂胶量较大时的强度有明显的差距，同时同一涂胶量下不同试样的拉伸强度分布较为分散，说明此时胶接的稳定性较差。此时对应的胶层厚度均值小于170 μm。

2）当涂胶量为350 ～450 g/m2时，试样的平均拉伸强度保持在1.36 MPa以上，且拉伸强度随涂胶量的增加变化不大，拉伸强度均值较为接近，此时对应的胶层厚度均值为250～300μm。特别地，当涂胶量为400g/m2时，试样的拉伸强度均值最大，达到1.38 MPa；同时，根据误差棒判断，此时多个试样的拉伸强度分布最为集中，变化范围最小，说明此时试样胶接的稳定性最好，胶接效果最好。

3）当涂胶量大于500 g/m2时，试样的拉伸强度随着涂胶量的增加开始呈现减小的趋势，同一涂胶量下不同试样的拉伸强度的分布逐渐变得分散，胶层平均厚度随之增加至超过310 μm，胶接的稳定性开始变差。

2.2 涂胶量与胶接接头失效形式的关系

胶接结构的失效形式包括胶粘剂内聚破坏、被粘物内聚破坏、胶粘剂界面破坏和混合破坏等4 种。已有研究［6］表明：当出现内聚破坏时，胶接接头的性能最优；当出现界面破坏或混合破坏时，胶接接头的性能较差。统计不同涂胶量下胶层的平均厚度和试样的内聚失效率，结果见表3。当涂胶量小于350 g/m2时，试样的胶接接头的失效形式有界面混合破坏和R-PUF内聚破坏2种，且随着涂胶量的增加，试样的内聚失效率增大；当涂胶量大于350g/m2时，试样的胶接接头的失效形式主要是R-PUF 内聚破坏。图4 为4 种典型涂胶量下试样的断裂位置。

表3 不同涂胶量下胶层的平均厚度和试样的内聚失效率

图4 4种典型涂胶量下试样的断裂位置

图5 为2 种典型涂胶量下试样拉伸断裂的断口形貌。对比图5a与图5b 可发现：当涂胶量为200 g/m2时，试样大多断裂在胶层界面位置，即R-PUF 内聚破坏与界面破坏或混合破坏同时发生，甚至可发现缺胶现象；当涂胶量为400 g/m2时，试样断裂基本上都发生在远离胶层界面的P-PUF 基体中，试样的典型破坏形式为R-PUF 内聚破坏。造成这种现象的原因如下。

图5 2种典型涂胶量下试样拉伸断裂的断口形貌

1）当涂胶量较小（小于300 g/m2）时：胶粘剂无法充分流动，不能充分润湿被粘物的整个胶接表面，被粘物表面的沟槽等空穴不能完全被填满，难以产生足够的机械咬合效应；胶粘剂与被粘物之间的相互扩散不充分；胶粘剂对被粘物表面的润湿性较差，固化之后界面处易产生气孔，形成弱界层，综合作用下导致胶接接头的性能较差。［7-8］

2）当涂胶量较大（350 ～450 g/m2）时，胶粘剂更多地向被粘物扩散，形成交织的牢固结合，同时固化之后不易在界面处产生弱界层，综合作用下共同提升了胶接接头的胶接性能。

3）当涂胶量大于500 g/m2时，虽然胶层厚度有所增加，但拉伸强度有减小的趋势，且胶接的稳定性变差，这是由于当涂胶量较大时，胶层厚度较厚使得胶接界面处易发生应力集中，从而出现局部脱粘现象，同时胶层内部产生气孔等缺陷的概率有所增加［7］，从而导致试样的内聚失效率有所下降。此外，涂胶量较大使得压合过程中胶粘剂溢出界面的损失量较大，不符合工业生产中的经济性原则。

在本文试验选取的涂胶量范围内，随着涂胶量的增加，界面的胶层厚度增加，使得胶粘剂能更充分地润湿被粘物表面，被粘物表面更多的缺陷位置被胶粘剂填满，形成较强的结构嵌合力［9-10］。因此，综合考虑拉伸强度和胶层厚度，较为合适的涂胶量范围是350 ～450 g/m2，结合涂胶量为400 g/m2时最大的胶接强度和最稳定的胶接效果，考虑到在实际生产中对涂胶量的精度控制，为获得稳定的胶接效果，要求涂胶量涂布误差不超过5%，即涂胶量工艺窗口为400 g/m2±20 g/m2。

3 大面积胶接界面的质量控制方法

为探究常温生产条件下聚氨酯绝缘箱PW与R-PUF之间胶层大面积胶接的质量控制方法，分析胶粘剂的涂布轨迹和压合过程对批量制造的产品胶接质量的影响。

3.1 自动涂胶的胶条排布形式

聚氨酯绝缘箱的常温批量制造均采用自动涂胶机进行，按设定的涂胶量，通过宽排涂胶头的多个出胶口在被粘接材料表面形成一定形状和轨迹的均匀多排胶条，随后进行部件叠加装配、固化压合和固化时效等工序。常用的自动涂胶形成的胶条分布形式有平行式和菱形式2 种，见图6。

图6 胶条的排布形式示意图

取涂胶量为400 g/m2，在胶条形状和胶条中心间距相同的情况下采用2 种胶条排布形式，在同一台压合设备上设定相同的压合参数，分别批量制作28 只实尺度K2 型聚氨酯绝缘箱；压合固化参数与本文第2 节相同。按GTT公司的取样标准，针对每种胶条排布形式分别制作140 个垂直拉伸试样，测试各胶条排布形式的R-PUF内聚失效率，由试验结果（见表4）可知：在相同的固化压力、相同的胶条形状和胶条中心间距下，平行式胶条排布形式的R-PUF内聚失效率为96.4%，优于菱形式胶条排布形式的R-PUF内聚失效率75.0%。

表4 不同胶条排布形式的R-PUF内聚失效率

聚氨酯绝缘箱特有的大面积胶接界面的特点和双组分胶粘剂混合之后的高黏度特性共同造成相同涂胶量、不同胶条排布形式下R-PUF内聚失效率出现较大差异。在压合固化过程中，胶条受到2 个被粘接板材的挤压之后迅速向四周铺展，胶条间的空气随之被排出。

由于双组分胶粘剂混合之后的黏度较高（为7.0 ～11.0 Pa·s），当胶条采用菱形式排布形式时，在1 182 mm×990 mm的大面积胶接界面中，上下板材与菱形胶条之间会形成相对密闭的空间，不利于空气的快速排出，使得胶条在受压铺展过程中，胶条间的空气残留在菱形空间内，固化之后在胶接界面形成局部小范围的气室或空腔，不仅会减小胶粘剂的有效界面面积，而且极易产生弱界层，降低试样的胶接性能；当胶条采用平行式排布形式时，胶条间的空气沿平行胶条的排出通道的流动更通畅，不易在胶接界面形成残留的气室或空腔，胶粘剂与界面的结合更均匀。

3.2 压合面的精度

设定涂胶量为400 g/m2，采用平行式胶条排布形式批量制作14 只实尺度K2 型聚氨酯绝缘箱；分别在2 种压合设备上进行压合固化（每台设备7 只聚氨酯绝缘箱），2 种压机的压合台面与箱体平面的平行度分别为A压机0.3 mm，B压机0.1 mm；压合固化和时效固化参数与本文第2 节相同。时效固化之后在绝缘箱的箱体中部和箱体边缘取胶层截面试样，通过扫描电镜观察其胶接情况。

聚氨酯绝缘箱的箱体尺寸和胶层厚度检测的取样位置见图7；在不同压合设备上制备的箱体不同位置胶层截面的微观形貌（PW-泡沫）见图8；在不同压合设备上制备的箱体不同位置的平均胶层厚度统计见表5。由于实际压合过程中存在一定的胶水溢出和板间滑移等现象，箱体的平均胶层厚度小于本文第2 节中小试样的胶层厚度。

图7 聚氨酯绝缘箱的PW+R-PUF的胶层取样位置

表5 在不同压合设备上制备的箱体不同位置的平均胶层厚度统计

图8 在不同压合设备上制备的箱体不同位置胶层截面的微观形貌（PW-泡沫）

理想情况下胶接界面承受拉伸（或压缩）力时应力是均匀分布的，但在实际生产中很难保证制造期间胶接界面的应力分布均匀。由于在大尺寸的R-PUF与PW胶接之后的箱体压合过程中，箱体边缘会发生应力集中，使得高应力位置的胶粘剂向其他位置流动，边缘部分的胶粘剂被挤出，损失较多，边缘位置胶层变薄，胶层分布不均匀。

试验发现，压合台面与箱体平面的平行度对箱体的胶层厚度有很大影响。在相同的固化压力下，当压合台面与箱体平面的平行度较大时（如A 压机的0.3 mm），中部位置与边缘位置的胶层厚度有很大差异，如图8a和图8b所示，箱体中部的胶层较厚，平均胶层厚度约为249 μm；箱体边缘的胶层较薄，平均胶层厚度约为206 μm；不同位置的平均胶层厚度差异大于15%，由于压合台面与箱体平面的平行度较大，导致箱体边缘的应力集中现象进一步恶化，箱体边缘的胶层厚度减小现象加剧，相对来说边缘位置的胶接效果不如箱体中部，在服役过程中，箱体边缘更易出现失效的情况。

当压合台面与箱体平面的平行度较小时（如B压机的0.1 mm），上下压板之间不同位置的距离差进一步缩小，对于大面积的箱体板材压合而言，可实现大面积板材不同位置处所受压力均匀一致，胶粘剂在压力的作用下可在板间胶接界面更均匀地铺展分布，最终使大面积尺度下板间不同位置的平均胶层厚度差异显著减小，如图8c和图8d所示，箱体中部和边缘位置的平均胶层厚度分别为241 μm和225 μm；不同位置的平均胶层厚度差异约为6.6%，箱体各位置的板间胶层厚度的一致性较好，表明将压合台面与箱体平面的平行度控制在0.1 mm以内，绝缘箱箱体的整体胶接性能的一致性可得到充分保证。