船舶内装材料的轻量化应用

韩 旗

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，南京 210015）

0 引言

轻量化是一种发展战略的实施，旨在通过一个系统的最小质量，在给定的技术边界条件下实现所需的功能，且在整个产品生命周期内还应确保系统的可靠性[1]。轻量化内装材料的应用目的在于在规范、规则的许可以及满足一定性能要求的前提条件下，通过使用较轻的内装材料，达到减轻整个船舶上层建筑质量的目的。

本文以某82 000吨级散货船选用的内装材料为研究对象，阐述了轻量化内装材料的性能特点以及应用现状。通过常用内装材料的质量对比，结合轻量化内装材料的性能特点及价格因素，详细介绍了内装轻量化材料的应用方案。

1 概述

船舶内装材料的应用贯穿于从船舶开工、上船台、下水至交船的整个船舶建造的全过程。而在整个船舶产品的形成过程中，选择合适的材料是非常关键的[2]。材料轻量化的目的是尽可能使用最轻的材料生产出符合规定要求的结构[1]。通过用一种密度较低的材料替代另一种材料，可以减少结构的质量[1]。

船舶内装材料多种多样，总是可以找到针对特定应用的解决方案，而且往往还不止一个[2]。轻质的内装材料很多，但是更轻的材料一般意味着更高的成本或者性能的降低；如何在质量、成本与性能之间取得平衡，使其成为轻量化的内装材料，大部分情况下是根据经验来进行选择[2]。

本文根据内装材料的应用位置进行分类，分别为内装设备用材料，内装背景用材料以及内装装饰用材料。从这3 部分内装材料的选用进行研究，详细介绍了内装轻量化材料的应用方案。

2 轻量化的内装材料

2.1 内装设备用材料

内装设备用轻量化材料主要有玻璃钢材料与铝合金材料等两类。

2.1.1 玻璃钢（Glass Fiber Reinforced Plastics，GRP）

玻璃钢材料具有质轻、高强、耐腐蚀、冲击韧性好、隔热性好、可设计性好等优点[3]。基于这些性能优点，玻璃钢材料在内装设备上的有着广泛的应用。玻璃钢平台格栅具有质量轻、强度高、耐腐蚀等优点；玻璃钢风雨密门具有质量轻、强度高、耐腐蚀、冲击韧性好、可设计性好等优点；玻璃钢水龙带箱具有质量轻、强度高、耐腐蚀、冲击韧性好、隔热性好等优点；玻璃钢窗斗具有质量轻、强度高、冲击韧性好、隔热性好、可设计性好等优点。而且船用玻璃钢材料的价格与钢材的价格持平或略低于钢材的价格，而质量仅有钢材的30%～40%。因此，采用玻璃钢材料替代常规的钢材，可有效的减轻内装设备质量，某82 000 吨级散货船采用的玻璃钢材料设备与采用钢质材料的质量对比情况见表1。

表1 某82 000 吨级散货船采用的玻璃钢材料设备与采用钢质材料的质量对比

2.1.2 铝合金材料

铝合金材料是一种较为常用的轻量化材料，多用于轻量化的结构设计中[4]，如铝合金上层建筑、铝合金雷达桅等，在内装设备中应用较少。一般常见的铝合金内装设备有铝合金风雨密门及铝合金窗斗这2 种。铝合金的密度约为2.7～2.8 t/m3，是钢材密度的35%左右。如表2 所示，内装设备用铝合金材料替代钢材的可明显减轻质量，但铝合金材料的综合成本要明显高于钢材，在民用船舶的结构上也较少应用，一般用于对质量有特殊要求的民用船舶，或公务船和军船。

表2 某82 000 吨级散货船采用的铝质材料设备与采用钢质材料的质量对比

2.2 内装背景用材料

内装背景用轻量化材料主要有轻质绝缘材料、轻质基层甲板敷料、塑料管材这3 类。

2.2.1 轻质绝缘材料

绝缘材料的主要作用为防火、隔热、保温、隔声、吸声等。防火性能的要求来源于规范、规则对于安全性的要求，如国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）发布的《国际海上人命安全公约》，中国海事局发布的《国内航行海船法定检验技术规则》《内河船舶法定检验技术规则》等；隔热、保温、隔声、吸声等性能要满足船员、乘客的舒适性要求。

近几年来，国际海事组织、挂旗国、船级社、船东公司等对船员、乘客安全性和舒适性的要求也越来越高[5]，这使得上层建筑外露甲板、围壁的绝缘厚度不断增加，这就使得应用轻质的绝缘材料显得更尤为重要。如：海上安全委员会发布的《船上噪声级规则》；英国劳氏船级社（Lloyd's Register of Shipping，LR）发布的LR-PAC、LR-CAC、LR-PCAC等入级符号，挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）发布的COMF 系列入级符号等。

1）防火绝缘材料

某82 000 吨级散货船应用的防火绝缘材料（陶瓷纤维制品）的应用经历了陶瓷棉板→环保纤维毯→氧化铝板→可溶纤维毯的发展过程。不仅减轻了防火绝缘材料的质量，还提升了安全性和环保性。

陶瓷纤维在欧洲被定为2 类致癌物，某些欧洲船东已禁止在船上使用陶瓷纤维制品，转而使用Isover 以及Rockwool 等非陶瓷纤维产品，这就使得使用岩棉或其他新型材料作为防火绝缘材料成为一种新的发展方向。目前国内某厂家已推出满足A60级甲板及A60 级舱壁的岩棉产品，其密度仅为45 kg/m3。以表3 中的防火材料为例，若采用密度为45 kg/m3的岩棉产品，则需要2 210 kg。此岩棉产品的铺设节点与可溶纤维毯不同，需要单独铺设扶材绝缘，因此使用这种岩棉产品作为防火绝缘，其质量要高于密度为64 kg/m3的可溶纤维毯，且此防火岩棉产品的价格要高于可溶纤维毯产品。

表3 某82 000 吨级散货船应用的防火材料（陶瓷纤维制品）的质量对比

2）隔热隔音绝缘材料相比于防火绝缘材料，船上使用的更多的是隔热隔音绝缘材料。隔热隔音绝缘材料的型式多种多样，如岩棉板、玻璃棉板、陶瓷纤维制品等。一般来说，陶瓷纤维制品的价格要高于岩棉板，而岩棉板的价格又高于玻璃棉板。目前较常使用的是密度100～110 kg/m3的岩棉板、密度24～40 kg/m3的玻璃棉板、密度38 kg/m3左右的矿物棉板，以及密度64 kg/m3左右的可溶纤维毯产品。岩棉产品的防火性能、隔热性能、隔音性能较好；玻璃棉产品的隔热性能、吸声性能较好。目前最轻的隔热隔音绝缘材料使用的是密度24 kg/m3的玻璃棉产品。以某82 000 吨级散货船为例，各种隔热隔声绝缘材料的质量差异见表4。

表4 某82 000 吨级散货船应用的隔热隔声绝缘材料的质量对比

2.2.2 轻质基层甲板敷料

基层甲板敷料的主要作用就是找平，以弥补钢甲板的平整度，以便于在其上方铺设其他饰面材料，如地毯、橡胶地板、乙烯地板、地砖等。在此基础上又衍生出了其他类型的甲板敷料产品，如A60 级防火型甲板敷料，主要用于不好铺设防火绝缘的区域。浮动地板、阻尼涂料等产品主要用于需要减振降噪的区域。

常规基层甲板敷料的密度一般为1 000～2 000 kg/m3，此外，还有更轻型的密度小于1 000 kg/m3的产品，主要用于对空船质量有严格控制要求的船舶。

因基层甲板敷料的使用面积较大，超轻质的基层甲板敷料对减轻船舶上层建筑的质量有显著效果。但600 kg/m3的超轻质基层甲板敷料产品比较容易开裂，不适用于经常通行的地面，如走道、梯道等。此外，越轻的基层甲板敷料的价格越高。综合考虑，轻量化基层甲板敷料一般选用密度为800～1 000 kg/m3的产品。某82 000 吨级散货船上层建筑采用的甲板基层敷料的质量对比情况见表5。

表5 某82 000 吨级散货船上层建筑采用的甲板基层敷料的质量对比

2.2.3 玻璃钢管

进几年来，玻璃增强环氧树脂（Glass-Reinforced Expoxy，GRE）管在船上的应用愈发广泛。因其具有耐腐蚀性能强、水力学性能、安装简便、设计灵活、使用寿命长等优点[6]，在疏排水、灰水、压载水等管路系统中得到了广泛的应用。采用GRE 管作为上层建筑的外部疏排水管路以及灰水管路，可以替代传统的钢管或不锈钢管，且GRE 管的总质量一般不到钢管或不锈钢管的1/2[6]，而其价格比钢管略低或基本一致。某82 000 吨级散货船采用GRE管作为外部疏排水管路和灰水管路，其总质量约为2 080 kg。若采用传统的钢管材料，其总质量约为5 491 kg，使用GRE 管可减轻3 411 kg 的质量。

2.2.4 聚乙烯（Polyethylene，PE）管

作为冷热水的供水管路，PE 管已在建筑领域得到广泛的应用。与传统钢制管相比，PE 管具有质量轻、耐腐蚀、磨阻小、使用寿命长、耐高压、安装工艺简单、造价较低等优势[7]。采用PE100/PE-RT管作为上层建筑的冷热水供水管路，可以替代传统的不锈钢管或紫铜管。以某82 000吨级散货船为例，采用PE100/PE-RT 管作为冷热水供水管路，其总质量约为971 kg。若采用传统的不锈钢管材料，总质量约为7 196 kg，可减轻6 225 kg 的质量。

2.3 内装装饰用材料

内装装饰用轻量化材料主要包块轻质装饰板材料、轻质家具材料这2 类。

2.3.1 轻质装饰板材料

复合岩棉板的综合性能较好、技术成熟，目前货船上的装饰板材料一般以复合岩棉板为主。客船（含客滚船、邮船等）的装饰板材料种类较多，但一般也以复合岩棉板为主。为满足造型的需要，也可使用复合铝蜂窝板或蛭石板等装饰板材料。军船、公务船的装饰板材料一般以复合铝蜂窝板为主。由于装饰板材料的质量占据内装材料质量的较大部分，为减轻装饰板的质量，一些货船逐渐开始使用以铝蜂窝板或玻璃棉板作为芯材的装饰板材料[8]。某82 000 吨级散货船上层建筑采用的装饰板的质量对比情况见表6。

表6 某82 000 吨级散货船上层建筑采用的装饰板质量对比

材料轻量化需要在满足一定性能要求的前提下，选择质量较轻的材料。3 种常见芯材装饰板材料的性能对比情况分别见表7 和表8。一般来说，复合铝蜂窝板的价格要高于复合玻璃棉板的价格，复合玻璃棉板的价格又高于复合岩棉板的价格。

表7 30mm 厚装饰板性能对比

表8 50mm 厚装饰板性能对比

由表7 和表8 可知，复合岩棉板的防火性能、隔声性能、隔热性能较好；复合玻璃棉板的隔热性能较好。这就需要根据性能的要求、减重的需求及价格因素来选择合适的芯材材料。

2.3.2 轻质家具材料

目前民用船舶上的家具一般以木质家具为主，因为木质家具有可塑性强、造型方便、固定方式简单等优点。而在军船或者公务船上，为考虑家具的防火性能以及减轻家具质量等要求，已开始将铝蜂窝材料或铝合金（铝板）材料[9]等金属材料用作家具的材料。近几年来，部分民用船舶为减轻上层建筑的质量，也开始尝试使用铝蜂窝材料作为家具结构材料。铝蜂窝材料的可塑性没有木质材料高，但可以采用外贴防火板的方式来达到一定的造型效果。铝合金（铝板）材料家具的可塑性不好，造型不便，价格高昂，因此在民用船舶上应用较少。一般来说，整套铝合金（铝板）家具的价格要高于铝蜂窝家具，整套铝蜂窝家具的价格又高于木质家具（非实木家具）的价格。某82 000 吨级散货船上层建筑采用的家具的质量对比情况见表9。

表9 某82 000 吨级散货船上层建筑采用的家具质量对比

3 结论

本文基于某82 000 吨级散货船，介绍了轻量化内装材料的性能特点和应用现状，并探讨了内装轻量化材料的应用方案。研究表明：选用轻量化的内装材料可减轻约1/3 的内装材料质量，为实现整个船舶上层建筑的轻量化提供了帮助。