ניתוח של פלסטיקים עמידים בסיבים בבנייני הנחתים

מבוא ל-Seam-Reinforced plastics in Marine Engineering

פלסטיקים עמידים בסיבים (FRPs) הפכו לחומר אבן הפינה בבנייה ימית מודרנית, המציע שילוב ייחודי של כוח ספציפי, עמידות קורוזיה מעולה, וגמישות עיצובית.חומרים מורכבים אלה, המורכבים ממטריקס פולימריבי מתחזק עם סיבים כגון זכוכית, פחמן, או ארמאיד, משמשים באופן נרחב בכבדות, מערכות על, סיפון, מדחף, ומטהור של כלי שיט קטנים, כדי להפחית את התחזוקה, כדי להפחית את החמצן, או למכוניות גדולות.

עם זאת, הסביבה הימית מציגה כמה מהתנאים האגרסיביים ביותר עבור כל חומר מבני.חשיפה מתמדת למים מלוחים, עומס גל מחזורי, קרינת UV, קיצוניות טמפרטורה, וטעינה ביולוגית עלולה להפיג את ה-FRP מורכב לאורך זמן.כאשר כישלונות מתרחשים, הם יכולים להוביל לתיקונים יקרים, אובדן של כלי שיט, ואפילו התמוטטות מבנית קטסטרופלית.

מצבי כישלון משותפים במבנה ה-FRP של Marine FRP

כשלים במפרקי FRP הם לעתים נדירות תוצאה של מנגנון יחיד.במקום, הם בדרך כלל כרוכים בשילוב של מצבי נזק אינטראקציה להאיץ אחד את השני.הסעיפים הבאים מפורטים את מצבי הכישלונות העיקריים שנצפו במבנים FRP ימיים ואת התכונות האופייניות שלהם.

חיסון

דלמינציה היא הפרדת שכבות סמוכים בתוך מסובייקט מלוטש.זה אחד מצורות הכישלון הנצפות ביותר ב-FRP ימי, במיוחד במבנים עבים ובכרייך. Delamination יכול להתחיל מפגמים בייצור כגון לא שלם, ריקנות, או הכללות, או מהשפעות שירות לא-שירות כגון ריצוף, התנגשות עם פסולת, או כלי שיטוי מופחת, לעתים קרובות, לאחר שלעתים קרובות, ירידה של בדיקות מחזוריות מתקדמות לא יכולות להפחתת גורמות להפחתה של הדבקה פנימית מתקדמות.

המונחים: breakage

סיבים הם המרכיב העיקרי של עומס ב FRPs. פיבורת סיבים מתרחשת כאשר מתחים מקומיים ברייליים עולה על הכוח האולטימטיבי של הסיבים. זה יכול לקרות במהלך אירועים נרחבים, כגון עומסים מתפתלים בעלי מלאכה מהירה גבוהה, או כתוצאה של בסיסים ארוכי טווח שבו סיבי פחמן בודדים הם יותר מתפתלים רגישים לשבור פתאומי, בעוד סיבים חמים יותר כמו שברים מימיים איטיים יותר, לעתים קרובות יותר, כמו צינורות מימיים איטיים.

מטריקס Cracking

ממטריקס פולימר מספק תמיכה בסיבים והעברות עומסים ביניהם.מטריקס סדק הוא בדרך כלל הצורה הראשונה של נזק להופיע במשמלות מורכבות תחת עומס מכני או תרמי.זה קורה כאשר המתח במריצה עולה על הזנים שלה, אשר נמוך פינות של סיביים מטריקס יכול לפתח מלחצים ימיים, תנודות טמפרטורה, או עומס מכני על בעוד מטריצה בודדים הם לעתים קרובות לא יכולים לזרז את הלחץ המבני, כגון סדקים מעגליים, כגון מטריקס מעגליים.

המונחים: Matrix Debonding

מצב כישלונ זה כרוך אובדן של מתח בין סיבים חוזרים סיבים לבין ממטריקס פולימר שמסביב.זה יכול לגרום טיפול על פני סיבים עניים במהלך הייצור, לחות כי מחלישה את הממשק, או טעינה מכנית חוזרת כי גורם עייפות בין-גזעית. סיבי-מטריקס debonding להפחית את היכולת של המרוכב להעביר עומסים בין סיבים לבין ממטריקס, המוביל לאובדן של כוח ועוצמה מימית במיוחד באזורים קשים כמו אזורי מים קשים.

איכות הסביבה Degradation

בעוד FRPs הם בדרך כלל יותר עמיד קורוזיה מאשר מתכות, הם לא חסינים מפני התקפה סביבתית. ים ספיגת מים גורמת הידרוליזה של ממטריקס פולימר, המוביל לפלסטיקה, נפיחות וטמפרטורה מופחתת של מעבר זכוכית.זה יכול לרכך את המרחץ ואת degrade תכונות מכניות.קרינת UV מן השמש גורמת להפחתה חמצון תמונה של פני השטח פולימרים, וכתוצאה מכך chaling, סדק, ושחיקה, כמו גם חומר מתכתי, כמו גם סגסוגת מימית, כמו גם סגסוגת מגנטית.

גורמים המשפיעים על הכישלון בסביבת הנחתים

גורמים חיצוניים ופנימיים מאיצים את הכישלון של רכיבי FRP בשירות ימי.הבנת הגורמים הללו חיונית לניתוח כשל מדויק ולעיצוב מבנים עמידים יותר.

המונחים:

מבנים ימיים חווים ספקטרום מורכב של עומסים מכניים. . Static לטעון כוללים משקל מת, buoyancy, ומטענים דינמיים עולה מפעולת גל, מתפתל, רטט, ותמרון. ההשפעה מפני התנגשות עם מעוגנים, פסולת צף, או ריצוף יכול לגרום נזק מיידי.בנוסף, מבנים ימיים רבים הם חשופים לעומס מחזורי ארוך (fgue) כי יכול לעתים קרובות להפיץ נזקי לחץ על רמות אלה תחת לחץ, אפילו תחת לחץ משותף.

חשיפה סביבתית

הסביבה הימית היא אגרסיבית מטבעה.מלח מים מכיל כלוריידים שיכולים לחדור לתוך המורכב באמצעות סדקים או פורוזיות, עלייה של מטריקס ופגיעה בסיבים זכוכית פוטנציאליות. טמפרטורות לגרום להתרחבות תרמית שונה בין סיבים וממטריקס, יצירת לחצים פנימיים שיכולים להוביל לפצח מטריקס.קרינת UV מקלקלת את פני השטח, ובסופו של דבר חושפת סיבים להתקפות סביבתיות ישירות על ידי גורמים סביבתיים ואפקטים יותר של מחזוריים של תפקוד יתר של מחזורי דם של 50% יותר.

ייצור Defects

בקרת איכות במהלך הייצור היא מכריעה גדולה של ביצועים לטווח ארוך. פגמים נפוצים שתורמים לכישלון מוקדם כוללים: ריקות ונפיחות מאיחוד שלם; סיבים לא משוחד או כובד אשר מפחית כוח; מחזורים לא מתאימים המובילים ללחץ חיווראלי; סיבים לא שלמים רטובים גורמים כתמים יבשים; וסתימות זרות יכול להפוך אתרי זהירות או סדקים לא תקין תחת עומסים, עדיין להניח פגמים אוטומטיים כגון היתוך או נפיחות, במיוחד, כמו מומים רגישים, כמו נפיחות, כמו נפיחות עצמית, כמו מומים רגישים, עדיין, כמו מומים אוטומטיים, כמו מומים רגישים, כמו נפיחות או נפיחות או מומים.

עיצוב ודברים מפורטים

עיצוב גרוע הוא עוד תורם תכופים לכישלון.פינות שארפ, שינויים פתאומיים בעובי, רדיוס לא מספיקים בשוליים, ופרטים משותפים מעוצבים בצורה גרועה יוצרים ריכוזים של מתח.חוסר בורות דו-אפ נאותה פירושו שכשל מקומי אחד יכול להפיץ באופן קטסטרופלי.לא מדויק של ליקויים דרך-תיקים בחיתולים עבים יכול להוביל לכשל לא צפוי.

גורמי תחזוקה ומבצע

תנאי הפעלה מעבר למשטח העיצוב המיועד, כגון עומס יתר, מהירות מופרזת בים גסים, או אחסון לא תקין (למשל, השארת סירה מתוך מים ללא תמיכה), עלולה לגרום לכשלים.תחזוקה בלתי צפויה, כולל אי-תיקון סדקים ג'לקוט במהירות, המאפשר לשלפוחית-Julsters לגדול ללא בדיקה, או להתעלם מסימנים של נזק, מאפשר נזק קטן לכשלים מבניים.

שיטות ניתוח כשל עבור Marine FRPs

ניתוח כישלונות שיטתי חיוני כדי לקבוע את שורש הגורם לכישלון וליישם פעולות נכונות.הטכניקות הבאות מועסקות בדרך כלל על ידי מהנדסים ימיים ואנליסטים כישלונות.

בדיקה ותיעוד חזותי

הצעד הראשון בכל ניתוח כישלונות הוא בדיקה חזותית יסודית.מפקחים מחפשים סדקים על פני השטח, blisters, discoloration, ג'לקט נזק, ותחומים של הדבקה לכאורה.דפוס ומיקום הנזק יכול לספק רמזים חשובים על ההיסטוריה הטעינה. לדוגמה, דפוס בצורת כוכב עם נקודת השפעה מרכזית מרמז השפעה מקומית, בעוד סדק ליניארי לאורך מקשה מציין תיעוד מצולם, כולל תמונות מפורטות, כגון, ודיווחים, הוא קריטי, לאחר מכן, הוא תיאורים, לאחר מכן, הוא משמעותי של השפעה מרכזית.

Macroscopic ו- Microscopic Testing

לאחר בדיקה חזותית, חלקים נחתכים מהאזור הכושל לבדיקה קרובה יותר. Macroscopic באמצעות סטריאוסקופ (10-50 × Mag) יכול לחשוף את רצף ה-up, תוכן ריק ותכונות שבר ברוטו. לסרוק אלקטרונים microscopy (SEM) ב 100-10,000 × Magification מספק תמונות מפורטות של משטחים, המאפשר זיהוי של תבניות של פירוק סיבים, עיוות, ניתוח מוטציות ודימום, זיהוי של צינורות אנרגיה, או סימני מתיחה על פני השטח של הדבקה.

בדיקה לא הרסנית (NDT)

שיטות NDT מאפשרות זיהוי של נזק פנימי מבלי להרוס את הרכיב.בדיקת אולטרה סאונד (UT) משתמשת גלי קול גבוהים קידוד כדי לזהות laminations, רִיק, והכללות.שלב UT מספק תמונות מפורטות חצו-מחלקה.המתרמיוגרפיה מזהה פגמים תת-קרקעיים על ידי ניטור שינויים טמפרטורה תחת גירוי תרמי.

בדיקות מכניות

כדי לכמת כוח ונכסים טבעיים לאחר כישלון, בדיקות מכניות מבוצעות על קופונים מנותקים מהמבנה.מבחנים נפוצים כוללים Tenile, דחיסה, flexure, ו- interlaminar (ILSS) בדיקות Fatigue ניתן להשתמש כדי לאפיין את התקדמות הנזק תחת טעינה מחזורית.התוצאות הן בהשוואה לערכי עיצוב, ויכולות להצביע אם החומר מתואם, ניתוח מכני (D) יכול למדוד את השינויים הטמפרטורה או הידרדרת או שינוי חום.

ניתוח כימי ומסתורי

ניתוח ה-RMOgravimetric (TGA) קובע את התוכן הסיבים ואת טמפרטורת ההידרדרות של שרף. סורקים שונים (DSC) מודד את מידת הריפוי של ממטריקס פולימר - תחת טיפול חלקיים רגישים יותר להשפלה סביבתית. Fourier להפוך את ספקטרום אינפרא אדום (FTIR) יכול לזהות שינויים כימיים כגון חמצון, הידרוזה, או זיהום אלה הם שימושיים במיוחד כאשר הם גורמים סביבתיים.

להבנה עמוקה יותר של שיטות NDT החלים על תרכובות ימיות, מדריך ה-FLT:0 (Compositesworld) על NDT של מורכבי FLT:1 מספק כיסוי מקיף של טכנולוגיות זמינות.

תוצאות חיפוש: Lessons from Marine FRP Diss

בחינת כישלונות בעולם האמיתי מספק תובנות חשובות לשיפור שיטות עיצוב ותחזוקה. להלן שתי דוגמאות מרשימות.

מחקר ראשון: Delamination in a High-Speed Ferry Hull

מעבורת נוסעים 40 מטר עם זכוכית /פס אוקס hull חוו דלמנט חמור לאחר חמש שנים של שירות.בדיקה חזותית ראשונית חשפה כי הסתה לאורך כלין ו-keel. בדיקות אולטרה סגול הראו דלמנט נרחב בלוחות התחתונים המשתרעים עד 30% של עובי ההלמין הנדרש בחלק מהאזורים.ניתוח גילה כי הפחתת החיסון יזמה במהירויות ייצור ליד קצף-ל-לשנות הנית-לעת הממשקים, היורד-ההתיקים, לאחר ירידה של ירידה ראשונית של ירידה מוגבלת.

מקרה מחקר 2: Galvanic קורוזיה בפחמן

יאכטה מרוץ מצויד פחמן / פפקסי מסטר מנוסה קורוזיה מהירה של הצעד האלומיניום שלה ואת המזרז שמסביב בתוך שנתיים. פחמן מורכב שימש כקטודה אצילי יחסית לאלומיניום, ואת נוכחות של מי הים יצר תא גליוני מים יבשה. ⁇ מים עניים בידוד בין המית פחמן לבין האלומיניום מזרז את קורוזיאום.

מדדים מונעים ושיפורי עיצוב

מניעת כשלים במבנים ימיים FRP דורש גישה הוליסטית המשתרעת על פני בחירת חומרים, עיצוב, ייצור, תפעול ותחזוקה.

אופטימיזציה של עיצוב ובחירת חומרים

בחירת השילוב הסיבים הימני של מטריקס היא קו ההגנה הראשון.עבור hulls ו הסיפוןs חשופים לחות גבוהה, epoxy resins המועדפת על פוליסטר בשל ספיגת המים התחתונה שלהם תכונות מכניות טובות יותר. סיבי פחמן מציעים נוקשות גבוהה וביצועי עייפות אבל דורש בידוד אלקטרוכימי זהיר של פינקל עם ייצוב רשתות UVLTs צריך להשתמש בנדיבות, פתאומי, למנוע גירויים של ציוד קירור אופטיקה (FV) ו-Fallower) עם חיזוי פעולה משולבת (R) עם צמיגים אלקטרו-FR) מצופה).

בקרת איכות ייצור

תהליכי ייצור עקביים להפחית את שערי הפגם.צעדי מפתח כוללים: שליטה קפדנית של יחסי שרף וריפוי מחזורים; שימוש באלומיניום כדי למזער את הריקים; מיקום סיבים אוטומטיים לעקביות; ותהליך קבוע אימות באמצעות קופונים בדיקה. Post-manufacturing NDT (כגון באמצעות transmission Testing on Critical Zones) צריך להיות סטנדרטי עבור כלי ביצועים גבוהים.

תרגול הטוב ביותר

המפעילים צריכים לעקוב אחר משקל ומגבלות מהירות, להימנע ממערכות ימיות עיצוב, ולבצע בדיקות חזותיות קבועות.דיווח מיידיות ותיקון של כל נזק או סדקים ג'לקט יכול למנוע לחות בתוך המערכת תוך אחסון יכול להפחית את ספיגת לחות הצוות כדי לזהות סימנים של מצוקה מבנית (למשל, flexing, שמן יכול, או סדק בלתי חוקי) חשוב מוקדם עבור ההתערבות של חיל הים ו- 10.

תחזוקה ואסטרטגיות תיקון

בדיקה תקופתית באמצעות NDT, במיוחד באזורים בעלי מתח גבוה, יכול לזהות נזק לפני שהוא מתפשר יושרה מבנית. הליכים תיקון חייב לעקוב אחר מפרט היצרן או סטנדרטים מוכרים כגון אלה מ DNV GL או ארגון הימי הבינלאומי (IMO) תיקונים צריכים לשחזר לא רק כוח אלא גם הגנה סביבתית.הימנע משימוש בממלאי מילוי או מעומס יתר על כך שמלכודת רכיבים, ולשדרג לחומרים עמידים יותר (למשל, שימוש בפחים מורכבים).

מסקנה

פלסטיקים עמידים בסיבים הפכו את המהפכה בבנייה ימית על ידי כך שהם מאפשרים יותר, קורוזיה-resistant, מבנים עמידים.עם זאת, הביצועים שלהם בשירות תלויים הבנה מעמיקה של מנגנוני כישלונות והגורמים מאיצים אותם. Delamination, פירוק סיבים, מטריקס מטריקס, סיבים - מפצה debonding, והשפלה סביבתית הם מצבי הכישלונות העיקריים, לעתים קרובות מונעים על ידי עומס מכני, חשיפה למים, או ניתוח מכני, מיקרוסקופי, או מומים מכניים, בדיקות מיקרו-מריצה.

על ידי יישום אמצעים מונעים שדנו - בחירה חומרית זהירה, עקרונות עיצוב חזקים, בקרת איכות מחמירה, תפעול הולם ותחזוקה יזום - מהנדסים ימיים יכולים להרחיב באופן משמעותי את חיי השירות של מבני FRP. למידה רציפה ממחקרים ודבקות בתקנים מתפתחים ישפרו עוד אמינות.כפי שהתעשייה הימית דוחפת לעבר מבנים גדולים יותר מורכבים יותר, השקעה ביכולת ניתוח כישלונות והנדסת מניעת במניעת , היא לא אופציה לבטיחות כלכלית ובטיחות.

לקריאה נוספת, ה- 0 (Compositesworld Complexsverds PartFLT:1) מציע תובנות תעשייתיות מתמשך, בעוד עמוד הנושא FLT:2ScienceDirect על פולימרים בעלי כוח סיבים:FLT 3: מספק בסיס ספרות עמוק על מנגנונים מורכבים.