攻克船舶轻量化难关：复合材料在商业船舶中的应用突围

玻纤和碳纤增强聚合物（GFRP和CFRP）复合材料建造海船数十年，包括多艘40-60米猎雷舰、更大舰艇如瑞典海军72米Visby级隐身护卫舰、75米帆船Mirabella V。141米机动游艇Swift 141（更名Yas）为荷兰钢质护卫舰改装，甲板下底板和三层上层建筑用GFRP/CFRP（见“从护卫舰到豪华巨型游艇”），含复合-钢甲板接头。

然而复合材料在造船中极少应用。主因是国际海事组织（IMO，英国伦敦）发布的《海上人命安全公约》（SOLAS）规定商船须用钢建造，直至2002年发布MSC/Circ.1002允许替代设计。

Bureau Veritas（BV，法国南特）复合材料部主管Stéphane Paboeuf解释：“法规要求风险分析证明替代设计建造等效于钢。过程漫长昂贵，最终仍可能否决。”因此，尽管复合材料在造船有诸多优势，防火安全和法规障碍阻碍应用。

同时，船东、运营商、造船商寻求可持续方案：减重降燃耗、温室气体排放和吃水——后者针对浅水内河。复合材料固有耐腐蚀性降低维护也具吸引力。

2017年，IMO发布MSC.1/Circ.新指南允许商船用FRP复合材料。随着IMO 2021年评估临近，惊人活动正展开。两个欧洲联盟FIBRESHIP和RAMSSES，获378成员欧洲海上轻量化应用网络（E-LASS）支持，引领演示项目浪潮，含复合甲板、舵、船体、模块化舱室和上层建筑、钢/复合修补、复合-钢焊接接头。旨在不仅演示大型结构和整船防火结构性能，还开发新认证路径、生产方法、连接技术和设计工具，通过持续研讨会、知识库、材料/设计数据库共享信息。海洋复合新市场或将开启，但需要何种解决方案？

FIBRESHIP与RAMSSES

FIBRESHIP和RAMSSES于2017年6月启动，获欧盟“地平线2020”资助。FIBRESHIP 18成员至2020年5月，RAMSSES 36成员至2021年5月。均含研发中心、大学、材料技术供应商、部件制造商、船舶设计工程公司、船厂、船东、船级社。后者基于IMO通用指南制定个别船舶建造特定规则，受旗国授权审核建造确保合规。TSI（西班牙马德里）研发主管兼FIBRESHIP协调员Alfonso Jurado表示：“所有利益相关方和最终用户参与至关重要。”

Jurado续称：“FIBRESHIP核心目标是开发50米以上大型船舶设计生产能力以减重。这也是我司核心动力。”TSI设计85米总长（LOA）渔业调查船（FRV）作为演示者，结构重较基准钢船降近70%。“惊人，为航运业提供真实可能。”合作伙伴iXblue船厂（法国拉西奥塔）建造20吨、11×11×8.6米FRV段（见首图），在2019年6月FIBRESHIP第二届公开研讨会展出（见含演示器制造视频的新闻帖）。

Jurado解释FRV是FIBRESHIP开发的三大通用复合船型首个。后两者为260米LOA集装箱船和204米ROPAX（兼具滚装货船货运能力和渡轮客运设施）。“选FRV作演示因较小、结构较常规，近期最可建造。船东也表浓厚兴趣。”同时RAMSSES推进13演示项目，10含复合，也追求全复合船舶。

Jurado指出参与企业看好新颖设计和轻量产品带来竞争优势，但大型演示不足。“也需监管当局支持，”他补充。“首步是推动IMO调整SOLAS法规适应航运新需求。没有这步无法前行，因保险公司不会为不满足最低要求和安全认证的纤维增强复合船承保。”

RAMSSES项目开发的复合材料商业船舶快速审批（FTA）路径，2019年6月E-LASS研讨会（西班牙维戈）展示。来源 | RAMSSES和Stephane Paboeuf，Bureau Veritas

BV的Paboeuf解释：“FIBRESHIP走长期路线开发新规则，RAMSSES走短期路线复用现有规则方法。BV是RAMSSES唯一船级社合作伙伴，也是FIBRESHIP三伙伴之一（含劳氏船级社伦敦、RINA意大利热那亚）。RAMSSES开发快速审批（FTA）程序，基于复用项目数据标准化测试、提供设计审批指引。程序简明易读，面向船厂、船舶架构师、供应商。加速源于RAMSSES演示项目开发的支撑：

• 预批准解决方案和材料测试结果数据库，避免重复测试，
• 覆盖类似应用的火灾风险场景，限制风险评估数量和范围，
• 分析建模工具，含未来可替代物理测试的数值/统计模型。

Paboeuf续称：“FIBRESHIP与劳氏船级社、RINA合作开发专用于大型复合船舶的规范规则。结构性能方面，定义局部和整体载荷新安全系数。”RAMSSES和FIBRESHIP还提议用新公约REIxx替代现行A60、B30、B15防火等级，R指耐火（耐火承载力）、E指完整性（防烟火蔓延）、I指隔热。“目标是更好将结构防火等级与复合材料对齐。”

此外，两项目也处理起火空间火焰蔓延、烟气产生、火灾风险及整船安全层面的风险评估。“防火性能上，开发局部等效法，基于各舱室隔墙等结构分区防火等级处理局部火灾安全，”Paboeuf说。“第二，整体等效法，在船级层面处理火灾，考虑所有系统（主动/被动防火、探测、疏散等）对整船消防安全影响，而非仅各分区。”

“复合材料在造船采用将循序渐进，”他说。“始于甲板、上层建筑等小部件，或轴系、螺旋桨等设备，进而整船建造，初期多为特种船如科研、地震测量船、高速巡逻艇。”

图1 RAMSSES 80米全复合船舶
Damen Shipyard（DSNS）在RAMSSES项目开发全复合近海巡逻型舰艇。其6×6×3米全尺寸船体段演示器将2020年用树脂注射建造，合作InfraCore Company（ICC）和Airborne International（AIR）。来源 | Damen Shipyard和RAMSSES

全复合船舶演示器

除FIBRESHIP 85米FRV，RAMSSES开发80米近海巡逻型舰为首艘全复合SOLAS船。由Damen Shipyard Group（荷兰戈林赫姆）牵头，承继2014年Bluenose项目成果。RAMSSES工作包17，Damen演示该舰6×6×3米全尺寸复合船体段，用真空注射，中心海事技术中心（CMT，德国汉堡）研发工程师Matthias Krause与CETENA（意大利热那亚）共同担任RAMSSES协调员。Krause解释：“Evonik为演示器船体段开发新型树脂，制造6米高工装。Damen也与Airborne International（荷兰海牙，航空供应商亦建大型注射结构）合作。”Evonik（德国埃森）阐述其角色：改善玻纤/乙烯基酯注射船体冲击韧性和疲劳行为。

演示器另一伙伴InfraCore Co.（荷兰鹿特丹），开发其姊妹公司FiberCore Europe（鹿特丹）用于全球1000+复合桥梁和船闸门的InfraCore技术新应用。InfraCore运营经理Laurent Morel解释：“最初加入Damen造12-14吨直升机甲板，现扩展至甲板、隔舱和船体结构。将用水平和垂直注射一次成型船体段。目前已注射至9.8米高度。”完成后将测试结构和防火性能，结果经验反哺RAMSSES FTA模块。

轻量化甲板

复合材料已在首艘采用复合货物甲板的滚装车船演示，由Uljanik Group（克罗地亚普拉）设计建造，属RAMSSES工作包14（见“轻量驭重洋”），以及110米河轮轻量阳光甲板（见“复合甲板降河轮吃水”）和200米杂货船复合中间甲板。“中间甲板是可拆卸甲板，分隔货舱适应不同货物，”Compocean（挪威桑维卡）经理Arnt Frode Brevik解释，该公司从油气业衍生出复合解决方案供应商。

“我们与大岛造船（日本长崎）、DNV GL合作数年，开发轻量中间甲板目标减重50% vs钢，”Brevik说。成果为9×2米GRP原型，经冲击和极限载荷测试，2017年NOR-Shipping展出。

Compocean现扩展与大岛、DNV GL、船东Masterbulk Pte Ltd.（新加坡）新项目，建全尺寸27×12米原型复合中间甲板，明年安装测试至2021年底。

“大岛寻求优化项目降燃耗和装卸成本，”Brevik说。“虽每船中间甲板不多，但引入新材料易切入因非船体主结构。”设计基于聚酯注射玻纤板配底部帽型加强筋。采用±45°、0°、0°/90°混合铺层不同比例。甲板结构需集成大量系固点固定货物。板用结构胶粘接帽型加强筋，系固系统配合螺栓。螺栓钢端托架连接复合与钢船体结构。“未来也将追求纯胶接头设计。”

图2 复合中间甲板
大岛造船新65k开口杂货船设计将用Compocean原型复合中间甲板，较钢减重50%，含多根注射FRP帽型加强筋（插图）粘接FRP面板，复合-钢螺栓连接。来源 | Compocean和DNV GL

获DNV GL全尺寸中间甲板设计最终批准后，Compocean制模并开始制造测试。“全尺寸复合甲板由马来西亚合作伙伴建造，驳船运至船上，”Brevik说。下步争取更大减重，如货舱口顶复合盖板（船渲染图中绿“箱”上平板）。“此型船有七大舱盖，”他注。“获DNV GL批准将带来新挑战，但中间甲板成功将助力。”

轻量化上层建筑、模块化舱室

RAMSSES六工作包聚焦主甲板以上复合上层建筑及组件，多含演示器，2020年呈测试结果。工作包16由Naval Group（法国巴黎）牵头，演示轻量复合上建模块连接钢甲板。岸基演示器为近海巡逻舰标准分段。“金属造船基于分段建造降时降本，”Jurado解释。“复合分段建造面临大模具需求、连接技术和接头安全要求。FIBRESHIP研究并制定复合基础分段连接建议，含装配序列。”RAMSSES中Naval Group研究三类夹层结构含GF/聚酯/轻木芯、FR环氧/PET泡沫芯、GF/聚酯/3D纤维增强泡沫芯。也开发接头和复合面板内结构健康监测（SHM）系统。

工作包18由Chantiers de l'Atlantique（法国圣纳泽尔）牵头，开发乘客舱模块化方案。“典型舱室无地板，因焊接在钢甲板上，”Krause说。“思路是用复合材料制舱室，预装供暖空调、电气等辅助系统。含复合地板可像抽屉插入钢框架，而非焊实心钢甲板，大幅减重。项目评估复合墙、顶、卫浴单元降低生产装配时间，但替代钢甲板每平米估计省125公斤，复合地板成重点。”Hutchinson（巴黎）提议用ZALTEX矿物纤维增强复合泡沫，耐温-190°C至1000°C。

工作包13由邮轮建造商Meyer Werft（德国帕彭堡）牵头，也瞄准高效装配流程，但针对隔舱。目标建两演示器——一岸基、一海试——复合墙连接钢框架后经80项力学测试。合作伙伴InfraCore分析定义复合墙热/声绝缘、固有频率（振动）、变形、最大宽高要求。“受托开发多功能内外墙，”InfraCore Morel解释。“为省时省本减重，必须将绝缘和良好内饰集成轻量结构面板。每艘邮轮达6800平方米此类墙体。2020年中有机会装船，或成全球首个SOLAS批准邮轮复合墙。”

工作包10，Podcomp（瑞典奥耶宾）开发基于生物基复合的替代室内外面板，须阻燃且具价格竞争力。经Composites Evolution（英国切斯特菲尔德）GF/聚糠醇醇（PFA）预浸料及不同芯材，考察三夹层概念。仅一概念通过RISE瑞典研究院（博罗斯）锥式量热计等防火测试。现优化重量成本。

尝试铝和摩擦搅拌焊后，Baltic Workboats（爱沙尼亚纳斯瓦）转向复合开发铝工作艇甲板室/上建预装配加强面板（工作包15）。将演示面板设计、面板互连及与甲板室结构连接、结构分析程序、绝缘方案、船上安装技术。

另一轻量上建方案由BaltiCo（德国霍恩卢克）开发，新创企用机器人绕桁架缠绕碳纤维造整船。“按半米间距放GFRP横向结构或肋骨造骨架，机器人缠绕碳纤维，”Krause解释。目标高自动化超轻模块化系统。演示含非SOLAS轻量太阳能双体船两自承船体和甲板模块生产装配。

焊接FRP-钢接头

CMT资深10年专家Dr. Lars Molter表示：“我们相信造船未来在于FRP复合材料、钢及其他材料混合成混合结构。研究过粘接，但无标准化接头设计适用所有船，无SOLAS船胶粘通用规则。且须控制环境和粘接工艺。”他指出在焊接切割主导的船厂建造中难实现。“问DNV GL异材接头认可什么，”Molter说。“说主结构通常需机械连接；纯粘接无冗余紧固件难认证。”

Molter和CMT发起德资助FAUSST（纤维与钢标准接头）项目，开发混合针织织物从100%玻纤过渡至100%钢纤维。后者压焊接钢连接件（如平板、矩形型材等），易焊入船体钢结构（图3）。玻纤端经树脂注射连接复合结构。“此接头设计提供100%无损检测，可用UT（超声）或X射线检测焊缝，”Molter说。FAUSST对该接头做力学、环境、疲劳测试，获船级社原则批准，但技术转商业产品仍有大量工作。故Molter离CMT创立HYCONNECT GmbH（德国汉堡）2018年。

图3 HYCONNECT焊接钢-FRP接头
FAUSST钢-玻纤混合织物（左上）压焊接钢板或其他连接件（右上），再经树脂注射融入复合结构（左下）。此混合复合结构易焊入钢船框架（右下）。来源 | HYCONNECT

“我们与船厂、DNV GL、BV会面开发可认证产品，”Molter说。“只需订购带此接头系统的复合件，即可焊入船体。这是愿景。我们设计复合-钢接头，交付织物焊接钢连接件（板、型材等）的产品。”

他解释接头设计和织物将分级认证：“增加FAUSST织物层数，载荷能力线性增长。如基础产品四层FAUSST配1米扁钢，额定特定拉伸弯曲载荷。左侧有低额定产品（如两三层），右侧高额定（如六层）。仍在细化细节，目标标准化易用系统。”

HYCONNECT改良织物技术处理钢与复合刚度和CTE差异；用针织纤维机械咬合配单向纤维承载穿过接头；高质量钢纤维压焊接钢连接件技术（见“复合连接钢”）。“基于持续测试，”Molter说。“FAUSST由标准化成品子组件构成，可数日内快速供货。”原型为选定客户生产中，HYCONNECT将2020年全面量产。

复合舵

船舵也开发为FRP-钢混合件。RAMSSES工作包12，Becker Marine Systems（BMS，德国汉堡）演示大型集装箱船钢舵轻量复合后舵叶。此类舵典型超200吨，BMS研发主管Jörg Mehldau说。“加铰链后舵叶可大幅减小舵面积。”BMS首创此舵叶，大幅缩小转向半径、改善定向和操纵，实现无拖轮靠泊。复合舵叶不止减重，还实现更功能形状、更流体动力和载荷优化设计。

图4 复合舵叶
Becker Marine Systems与InfraCore开发最大集装箱船轻量注射舵叶。长11.8米、宽0.9米、弦长2.9米全尺寸舵叶须承100吨/m²载荷。2米高演示器2020年二季度测试。来源 | Becker Marine Systems

“复合舵叶灵感源航空业，”Mehldau注。RAMSSES全尺寸测试针对最大集装箱船（约400米），舵叶长11.8米、宽0.9米、弦长2.9米（见图4）。“按DNV GL此船型、重、最大速度规则公式计算舵和舵叶载荷，”Mehldau说。BMS做初步设计工程分析、制造和成本权衡研究。“最初倾向缠绕成型但太贵，”他注。“每新船体舵是单一设计。”故选注射成型，及InfraCore替代设计。“综合生产灵活性、成本和结构性能最佳，”Mehldau解释。

“对我这天然契合InfraCore，因我们造复合船闸门极相似，”Morel说。注容器船舵承载约100吨/平方米，面积150平方米，匹配InfraCore用于跨度142米桥面板的注射技术。InfraCore不粘接高密度结构芯材到面层，仅用低密度泡沫芯作多Z型双翼腹板永久模板，重叠、覆多轴织物、共注射形成鲁棒结构。InfraCore将造1:6比例演示器，用DNV GL已认证玻纤聚酯材料控成本。

Morel注InfraCore复合舵叶具成本竞争力，“因钢舵制造相当复杂。”Mehldau赞同，“结合少维护和运营成本优势，看到成功商业案例。”2米高演示器2020二季度完成，后测试。

“将用实验室测试台和气垫测试，施加达8 bar压力等效至少80 MPa载荷，”Mehldau说。“测量应变变形验证仿真，做极限破坏测试。”CETENA（意大利热那亚）作RAMSSES协调员与CMT共同，将在易北河研究船海试实验室演示器。

前进动力

“复合材料在船舶前景好，因海事利益相关方对FIBRESHIP、RAMSSES等项目表浓厚兴趣，”Jurado说。“最大挑战是新法规需求、防火安全、粘接技术、降低造船成本。后者他引用船厂自动化制造为关键，及模具建造、复合材料采购储存。”CMT Krause说：“复合材料在船舶已增长，但我们20年前启动，进程慢。现在有临界质量，行业通过E-LASS更紧密连接。”

SAERTEX LEO FR产品研发应用服务主管Jörg Bünker赞同：“减重驱动力增强。未来5-7年更多复合材料卖入船舶。这是行业展现兴趣努力的正确时机，IMO需看到。供应商须展新方案，船厂须展复合用武之地，但无人能独行。”