不容忽视的船舶隔热材料

时间: 2024-06-25 23:21:01 |   作者: 资产

  2月3日,距离巴西海岸约350公里的大西洋水域,伴随着一连串爆炸声,南美洲最后一艘航母、巴西的圣保罗号沉入约5000米深的海底。

  作为巴西海军旗舰,圣保罗号曾有过辉煌时刻。然而近年这艘航母可谓命运多舛。其锅炉舱接连发生爆炸和起火事故,高昂的维修和改造费用,让巴西海军不堪重负。2018年11月退役后,圣保罗号被卖给了土耳其的一家船舶拆解公司,却被土耳其政府以船体包含石棉等违禁隔热材料为由,拒绝该舰进入土耳其领海。交易取消折返途中,又被巴西各州政府以相同理由拒绝接收。最终,这艘“无家可归”的航母在争议声中被引爆沉没,令人唏嘘。

  圣保罗号沉海的消息,使人们的目光再次聚焦于船舶隔热材料。土耳其为何会将其拒之门外?隔热材料又在舰船上发挥着什么样的作用?请看——

  2022年12月22日,俄罗斯唯一的航空母舰库兹涅佐夫号突发火灾。幸运的是,这次火灾规模不大,没有造成多大损失。无独有偶,就在库兹涅佐夫号起火20多天前,美国林肯号航母训练时突发大火,造成9名水兵受伤。

  这些年,军舰非战斗损毁的新闻屡见不鲜,其中有很大一部分与火焰、燃爆紧密相关。震惊之余,人们不禁也会疑惑:数万吨的钢铁巨舰,为何总会被火焰“灼伤”?

  大型军舰与民用船舶不同,舱室结构极其复杂、通风系统四通八达。正所谓“火趁风威,风助火势”,若发生火灾,高效的通风系统将摇身一变,化作大火蔓延的“绝佳帮手”。军舰往往还携带有易燃易爆品,舰上发生火灾时,灭火难度极大,且耗时较长。

  按照现代军舰的损害管制理念,可通过结构防火、限制使用可燃材料等手段,缩小火灾蔓延范围、降低火灾爆炸可能性。阻断热流传递是实施结构防火的主要手段之一,通过敷贴隔热材料,可以让舱壁在一段时间内不会被火焰穿透,从而防止火焰快速蔓延到其他舱室,为控制火情争取时间。

  事实上,防火阻热只是隔热材料的功用之一,减少热耗散、抑制凝露腐蚀,才是主要用途。

  隔热材料常用作船舶主机、高温管路等热力部位的包敷层。航行期间,船舶主动力系统每时每刻都在发生大规模燃烧反应。如若主机锅炉整体隔热不好,则很难保证燃烧效果,功率提不上去;如隔热效果不均匀,个别位置有极大几率会出现疏漏,长时间往外渗透高热量,容易诱发火灾。在锅炉膛外附着隔热材料,可以有效解决这一个问题。

  从使用效果上看,在锅炉膛外附着隔热材料,能进一步提升热效率,从而增强主机输出功率和燃油利用率,提高舰艇续航能力;从环境影响上看,隔热材料能够明显降低主机高热部位对其他舱室的影响,减低舱室温度,保证精密仪器的工作环境;从作战效能上看,合理使用隔热材料,还能帮助军舰减小红外暴露,降低被红外探测设备发现的概率。

  值得注意的是,隔热材料服役环境恶劣,要一直经受高温、高热震、烟气腐蚀冲刷等考验。因此,隔热材料除了隔热性能好外,往往还被要求具备厚度适宜、施工方便、受火后不会产生过量有害化学气体等特性。因此隔热材料研发的难度相比来说较高。2012年,印度“维克拉马蒂亚”号航母,在试航时就曾因动力系统耐火隔热材料不过关,造成主锅炉坍塌,延期近1年交船。

  热导率是直接反映材料隔热性能的指标。通常来说,热导率越大,导热能力越强,隔热性能越差;反之则导热能力越弱,隔热性能越好。传统隔热材料基本都是由骨架材质和空气组成的多孔结构,靠着占绝大部分体积的空气的低热导率来实现隔热。其原理跟羽绒服很像,羽绒的蓬松结构能够鼓起大量空间吸存空气,空气的热导率又很小,因此羽绒的保温隔热效果就很好。

  早期的隔热材料一般取材于自然界天然有机材料。橡木在木制战舰时代是造船主材之一,整体材质坚实细密,木质纤维中又有很多气泡,拥有非常良好的透气、保湿和隔热作用,被称作“会呼吸的木头”,甚至到了近现代还被用于船舶隔热。打响十月革命第一炮的“阿芙乐尔”号巡洋舰,采用的隔热材料就是橡木。但木质材料在温暖潮湿的环境中容易腐烂,需要舰员经常保养,且温度过高后会变形甚至被引燃,因而随技术发展逐渐被淘汰。

  20世纪50年代以后,合成有机隔热材料开始慢慢地应用于舰船的夏天隔热,冬天保温。如酚醛泡沫、聚氨酯硬质泡沫、聚酰亚胺泡沫等。然而,有机隔热材料由于耐温性、防火等级较低,仅适用于保冷或者工作时候的温度较低的场合。很快,以石棉为代表的耐高温无机隔热材料开始登上舞台,并在很长一段时间内饰演主角。

  石棉是天然纤维状硅石矿物的泛称,其单元纤维抗拉强度高、弹性好,耐高温和非物理性腐蚀,具有很强的吸附性,且价格低,性能好价格低。但跟着时间推移,石棉的缺点也逐渐暴露,其纤维组织非常脆弱,随着剧烈振动和敲击会形成特别细小的粉尘,在密闭舱室内很容易引发石棉肺、肺癌等病症。自2011年起,国际海事组织开始禁止使用石棉材料造船,石棉也因此逐渐退出船舶隔热材料的主流行列。

  硅酸铝纤维是目前最常用、评价较好的船舶隔热材料。它以高岭土、耐火黏土或石英砂为原料,经电炉高温熔融后离心制得,热导率和热容量低、耐热性和抗热震性好、耐压强度和韧性高。其耐火温度通常高于900℃,制品大多数都用在船舶耐火分隔和高温管道隔热。

  人是战争制胜的决定性因素。现代海军舰船的制造,更加遵循以人为本的原则,维护好上舰官兵的身体健康,才能最大限度地发挥舰船的战斗力。随着科学技术发展,隔热材料早已形成了一个品类繁多的材料种类。除去对更好隔热性能的追求,人的使用感受正在成为选择和使用隔热材料的主要的因素。舰船制造禁用石棉,体现着时代的进步,也为舰船制造“升级”提供了新机遇。

  1992年,国际材料工程大会提出了超级隔热材料的概念,即在预定条件下,材料热导率低于无对流空气。要实现超级隔热,必须降低材料内部空气的导热。其实现途径主要有两种:一是将材料内部抽成真空,减少材料内部的气体分子;二是使多孔材料内部孔径尺度与自由空间中空气分子的平均自由程相当,减少气体分子之间的碰撞,降低气体导热。

  随着科技的加速发展,超级隔热材料这一概念已经逐渐应用于现实。轻质、憎水、高效、环保的新型复合纳米孔材料,以及具有纳米结构的气凝胶材料,都被研发并应用于船舶隔热。这两类材料的共同特点是,其内部孔结构维持在纳米尺度,小于空气分子的平均自由程,因而具有低于“无对流空气”的热导率。

  气凝胶材料曾被国际著名期刊《科学》列为世界十大新材料之一,保持了最低热导率、最低密度等数十项世界纪录。目前,气凝胶已被用作美国鱼鹰直升机红外系统的防护构件、英国美洲豹战斗机改型的驾驶舱隔热壁等,包括中国在内的各国航天探测设备中也都有广泛应用。

  随着现代物理研究的进步,隔热材料的前沿概念也有了逐步发展。比如近年来比较火的热超构材料,其工作原理为,使热流规避某一区域却不变向,进而让该区域内的物体实现热隐身。将其运用到隔热领域,则需要研究能否通过设计材料的几何结构来实现热流反转,从而开辟一片绝对恒温区。

  无论新型超级隔热材料,还是概念中的热超构材料,都可以用更轻的重量、更小包敷厚度达到与传统隔热材料等效的隔热效果。这一特点在舰船热防护系统中具有举足轻重的优势。新型隔热材料运用后,除了能明显降低舱室环境和温度,还可以有效减重,节省宝贵的舱室战斗空间,降低热损耗,节约燃料,提高续航力;同时也能够减少管路及设备腐蚀,改善舰员工作环境,降低安装及维修费用;用于隔热的热超构材料,还能够明显降低舰船的红外目标可探测性,甚至实现舰船热隐身,具有巨大的经济、科技和军事价值。

  纵观材料科技发展历史,性能的精益求精促使研究视域由宏观世界发展到微观尺度,甚至细化到分子视角。这更加需要研究人员勇于探索,在科技无人区不断取得新突破。