聚乙烯渔船是以聚乙烯为材料,通过注塑[1-2]、焊接等工艺制成船体,安装相应设备和舾装后,用于从事渔业生产的渔船。随着中国经济的发展,水产养殖对节能减排、安全生产的要求越来越严格[3]。现有较多老旧的养殖渔船[4],材料以木质、钢质为主,已不能满足社会发展的需求,因此很有必要使用代替传统材质的新材料制作养殖渔船[5]。本文通过充分调研和查阅资料,介绍目前国内外聚乙烯渔船的发展状况,并与传统木质、钢质渔船对比,总结聚乙烯渔船用于水产养殖行业的优势及存在的问题,并对聚乙烯渔船的发展提出建议,旨在通过推广绿色低碳、可持续的新型环保聚乙烯渔船,解决水产养殖中渔船耗能高、安全隐患突出[6]等问题,为水产养殖业高质量发展提供基础资料。
1 聚乙烯渔船国内外发展概况
中国聚乙烯渔船产业起步较晚,与西方造船发达国家还有一定的差距。近几年,国内企业参考国外相关规范和技术,开始研究生产聚乙烯渔船。目前,已有少量聚乙烯渔船试用于河湖和海洋近岸水域,从事养殖生产,但在全国尚未得到大范围应用。2014 年,大连蓝旗船舶有限公司建成中国第一艘高密度聚乙烯渔船,该船总长11.2 m,设计载重量10 t,最高航速可达9节[17]。目前国内能生产聚乙烯渔船的区域较少,主要有浙江省舟山市研发生产聚乙烯滚塑渔船、辽宁省大连市研发生产聚乙烯焊接渔船、山东少数企业也有尝试制作聚乙烯渔船。
2021年,中华人民共和国海事局制定发布《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则(2021)》[18],该规则填补了国内聚乙烯渔船技术法规的空白,对船舶的原材料、焊接、性能指标、结构设计、厂房设备等提出了要求和标准,为高质量聚乙烯渔船的建造和维护提供了技术支撑,对中国加快聚乙烯渔船的应用和推广具有重要指导作用。
2 发展聚乙烯渔船的优势
中国水产养殖业在渔业中所占的比例较高,养殖渔船数量众多。大多数船已经到了“限制使用船龄”,因而这些渔船可能存在安全风险较大、耗能高等问题。中国经济发展进入新常态,高效、低碳的养殖模式成为必然趋势。因此,发展聚乙烯渔船,才能更好地服务于水产养殖绿色发展。
2.1 降低养殖生产成本,促进渔民增收
聚乙烯渔船使用后期的维护费用低。聚乙烯材料冲击韧性高,用其建成的船体结构稳固,使聚乙烯渔船更耐碰撞,抗撞能力远高于钢质、木质材料,能有效减少恶劣海况下碰撞造成的损伤。而且聚乙烯材料在防腐蚀、防水生物附着方面的性能也均明显优于木材和钢板,因此在使用时聚乙烯材料渔船不存在生锈、油漆脱落问题,基本不需要维修,避免了木质渔船木材容易腐烂、容易遭受虫蛀等问题,而钢质渔船存在锈蚀问题,会导致钢铁强度下降[21-22],同时上船坞打砂喷漆[23],每年不仅维护费用高,而且费时、费力[24]。此外,聚乙烯材料表面不易附着蚌壳、水藻等海洋生物,渔船无需定期上坞清理船底,维护费用很低[25],而木质、钢质渔船船底常附着生长海洋生物,不仅增加船在水中阻力,还需定期清理,增加了成本。
2.2 降低能源消耗,促进低碳环保
水产养殖是一种高效利用水资源的方式,在为人们提供营养丰富食品的同时,有助于减少对野生资源的捕捞,保护了生态系统平衡。为保护环境,推进渔业绿色循环发展,环保型、生态型渔船一直是国家发展支持的重点项目。推广使用聚乙烯渔船对建设绿色环保、可持续发展和节约型社会都具有重要的作用。
聚乙烯材料无毒无味,化学性质稳定,用其制成的养殖渔船不会造成水域污染。而木质船的建造原料来自树木板材,对森林碳汇具有负面影响,船体表面涂刷油漆、桐油防腐,对水质也可能产生污染;钢质船外壳需涂刷油漆以防锈蚀,但污染水质。因此,使用聚乙烯渔船代替木质、钢质渔船,有利于环境保护(表1)。
表1 聚乙烯渔船与其同尺度不同材料船舶对比
Tab.1
| 指标 Indices | 渔船类型Fishing boat type | ||
|---|---|---|---|
| 聚乙烯渔船 Polyethylene fishing boat | 木质渔船 Wooden fishing boat | 钢质渔船 Steel fishing boat | |
| 法规达到限制使用船龄/年(以12 m以下捕捞船为例)Reach the limit of service age/year (take fishing vessel under 12 m as an example) | 暂无规定 | 18 | 21 |
| 报废后处理方式 Disposal method after scrapping | 可回收循环再利用 | 废弃 | 废铁回收利用 |
| 无污染 | 污染土壤、水体 | 污染空气 | |
| 维修保养 Maintenance and repair | 基本不需要 | 捻缝、刷桐油、油漆 | 除锈、刷(喷)漆 |
| 更换木板 | 更换腐蚀钢板 | ||
| 冲击韧性(假定钢质为1.0) Impact toughness (assuming steel was 1.0) | 12.0 | 0.4~0.6 | 1.0 |
| 表面附着水生物 Surface attached to aquatic organisms | 不易 | 容易 | 容易 |
| 建造周期Time of construction | 非常短 | 长 | 长 |
聚乙烯渔船报废以后,其材料还可回收循环再利用[26],按《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则(2021)》要求,再生原料虽不能用于船壳制造,但可用于制造浮漂等渔业周边辅助工具,变无用为有用。而木质渔船的报废处理还没有有效的方法,传统的方法是掩埋和燃烧,会造成土壤和空气的污染;钢质渔船报废后,虽然可以回收钢材,但需要将钢材切割成大小合适的尺寸,在切割过程中,钢板表面油漆和燃油室内的油污燃烧会产生很多有毒气体和滚滚浓烟,若不经处理直接排放,会严重污染空气。因此,使用聚乙烯渔船符合当代社会可持续发展的理念。
聚乙烯材料船体表面光滑,在水中阻力小,还不容易附着蚌壳、海藻等海洋生物,船只材料本身密度小、重量轻,使用时耗能低。而木质渔船表面粗糙及钢质渔船本身重量很大,使其在水中受到的阻力大,且船体水下部分附着的海洋生物也会增加航行时的阻力,影响航速,存在耗能高的问题[27]。在相同尺度下,使用聚乙烯渔船油耗更低,能源利用效率更高而更加节能。
2.3 保障水上航行作业安全
安全生产的意义非常重大,它关系到人们的生命财产安全。目前,中国养殖渔船“老、旧”数量众多,船体磨损锈蚀严重,存在严重的安全隐患。聚乙烯材料性能佳,能够满足安全生产的需求,可有效降低事故发生的概率,保障生产过程中相关人员的生命安全。同时,养殖企业的安全生产也能提高生产效率和经济效益,促进企业的可持续发展。
聚乙烯密度在0.95 g/cm3左右,比淡水密度还小,因而聚乙烯渔在水中能提供充足的浮力[13]。在对新造的聚乙烯养殖船进行灌水试验以验证不沉性时,整船所有舱灌满水后的船体仍可浮于水面,不会沉没,如图1所示。与钢质渔船相比,聚乙烯渔船拥有较高的储备浮力,从而大大提高了渔船的抗沉性[28]。采用滚塑工艺制造的聚乙烯渔船,在制造过程中一次成型,船体上没有任何接缝;采用的焊接工艺,其焊缝强度[29]也接近本体强度,焊缝也不易开裂。而木质渔船的板材之间的缝隙采用捻缝工艺,捻缝质量全凭捻工和验船人员的工作经验[30],目前还没有相关仪器可进行检测,且在使用过程中,其缝隙易腐烂虫蛀,渔船的航行作业安全隐患较大。聚乙烯渔船体材料比木质、钢质的强度高[31]、韧性好、抗冲击,能避免碰撞、搁浅、触礁等情况造成的船体破损进水[32]。此外,在发生意外时,聚乙烯渔船不沉没,结构完好,可为救援赢取宝贵时间,减少生命财产的损失。
图1
稳性是船舶航行安全的一个重要性能,聚乙烯渔船压载重心低,在风浪中的稳性能力强,与同船型的钢质渔船相比,聚乙烯渔船从横倾恢复到初始状态所用的时间短,横摇周期可缩短2~3 s[33]。好的稳性,能够避免船只倾覆造成的损失,特别是在恶劣海况下的紧急情况,这对渔民来说是一种重要的安全保障。
2.4 加快发展渔业现代化
聚乙烯渔船建造周期短,工序简单,材料易于加工。滚塑工艺聚乙烯渔船的建造如图2所示,在模具设计制作好后,注入配方原料并脱模,安装主机,便可初步建造完成,并能快速大批量规模化生产。聚乙烯渔船开发成本低,设计灵活,生产周期短,适应市场变化能力强,有助于形成规模经济。而传统木质渔船的建造很难适应市场的个性化需求,从选料到加工多采用眼看手柞的方法,没有具体的理化指标;钢质渔船的生产从下料到弯曲、定位,再到装配、焊接,程序多,生产投入大,造船企业利润少,导致很少有造船企业愿意生产制造小型钢质渔船。
图2
图2
滚塑聚乙烯渔船建造流程图
Fig.2
Flow chart of the construction of rotational molding polyethylene aquaculture fishing boat
目前中国大力发展规模化水产养殖基地,以提升养殖综合生产能力和可持续发展能力,提高养殖设施和装备水平,完善养殖生产经营体系。与木质、钢质渔船相比,聚乙烯渔船更能满足工业化生产的要求,有助于推动标准化、集约化、机械化、智能化、清洁化的规模养殖基地的建设,促进水产养殖绿色高质量发展。
3 发展聚乙烯渔船存在的问题
3.1 受固有观念影响,购买积极性不高
新材料渔船发展缓慢,很大一部分原因是养殖户已经习惯使用木质渔船或钢质渔船进行生产作业,而且受塑料生活用品的影响,普遍错误地认为聚乙烯材料易燃、不耐磨、容易出现老化变质。此外,聚乙烯渔船的安全性和可靠性尚未得到人们的广泛认可,养殖户对新型材料养殖船的质量存在疑虑,一些潜在的客户仍持有谨慎观望的态度。
3.2 材料表面防滑性不足
聚乙烯材料船体表面光滑,能减小水中阻力,但同时对聚乙烯渔船的应用也产生了新的问题。聚乙烯材料做成的船体表面防滑系数较低,若设计处理不好,当表面有海水时,人踩在上面容易滑倒,存在一定的安全隐患。
为增加摩擦阻力,企业在设计制造聚乙烯渔船时,在船舱内人员可能行走的位置涂刷防滑涂料或镶嵌、粘接摩擦系数大的其他材质,如木板或在船舱内增加网格板、防滑板等,以减少安全隐患。但无论哪种解决方案,使用的材质都不耐用,不能保证在磨损严重时能得到及时更换。为从根本上解决人员接触位置的防滑问题,还需对聚乙烯原料配方进行改良。在材料科学领域,防滑聚乙烯材料的研究与应用也是热门的课题,近期国内院校和科研机构在这方面已经取得突破,超高密度聚乙烯的防滑性能在有水环境下得到很大的提升[34]。
3.3 尺寸受局限,成品精度低
采用滚塑工艺,聚乙烯渔船的尺寸受到滚塑模具的限制,无法制造船长较长的船舶[35]。目前国外制成的聚乙烯船最大的船长也只有18.5 m,国内的滚塑制造工艺水平、滚塑设备精密度、自动化水平与发达国家存在很大的差距。英国北爱尔兰滚塑系统公司和加拿大Exxon化学公司合作开发成功的滚塑工艺系统,可实时监控模具内温度随时间变化的曲线,直观地显示滚塑加热过程中的模具传热和物料受热的实时情况,所生产的产品精度高、质量好。国内制造工厂缺少先进的技术和设备,对滚塑工艺了解研究不够深入,聚乙烯船体在滚塑成型后收缩率比较大一般为2%~3%,工艺控制不好的甚至高达3%~5%,若模具设计不好,在局部线性尺寸较大的部位,材料收缩率甚至更高[36]。生产聚乙烯船舶的企业一般规模较小,对建造质量监督不如大型企业,而造船厂的一些设备相对简陋,缺乏相关的技术人员。
虽然成品尺寸精度低,但聚乙烯渔船成品的预期可控,对作为养殖生产船使用影响较小。为提高成品精度,还需对原料参数、模具内部结构、温度控制等作分析和调整;生产企业要引进人才和先进的设备,严格控制工艺参数,提升工人素质,提高产品在市场的竞争力。
3.4 相关规范有待完善
2021年11月22日,中华人民共和国海事局发布了《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则(2021)》,这份文件对聚乙烯渔船的发展具有重要的指导作用。该规则由中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所编制,结合中国实际,借鉴国外船级社已有的标准,听取了各单位切实可行的建议。由于目前聚乙烯渔船数量较少,该规则的制定项目组调研的企业和单位院校数量少,也留下了许多需要商榷的问题。在实际检验中,该规则内容对船厂资质的认定、聚乙烯改性材料的添加使用规定、渔船到达老旧船龄的规定等部分还存在许多需要完善的内容,也需要更多详尽的建造、检验标准与之配套。
4 发展聚乙烯渔船的建议
相比传统船舶,聚乙烯渔船优势更加突出。新材料的推广普及需要一个漫长的过程[37]。为推动聚乙烯渔船的应用,促进水产养殖业绿色发展,提出以下建议。
4.1 加大人才培养,组织科技攻关,打破技术壁垒
聚乙烯材料用于船体制造,涉及高分子、船舶、机械设计等多个学科专业领域,目前中国高端聚乙烯材料发展较为缓慢,还存在相关技术壁垒,一些核心关键技术长期被国外企业垄断,材料自给率低,需要大量依赖进口[38]。国家需加大对高校院所科研人员的培养和经费支持,强化高分子材料研制综合管理人才的吸引和培养,并尽可能多地引进国际顶尖人才。加大科研投入,交流经验,解决聚乙烯渔船研发、设计能力不足及船型仍按木质渔船设计等问题,充分发挥聚乙烯材料渔船的优势。提供平台,鼓励开展学科交流会,创造积极的发展条件,帮助企业解决困难,推动高端聚乙烯材料和制造设备的国产化进程。
4.2 出台相关政策扶持
近年来国家高度重视节能减排工作,2019年农业农村部、生态环境部等10部门发布《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》,为水产养殖业的绿色发展指明了方向。目前,相同尺度下聚乙烯渔船价格比传统木质渔船的略高,因此可以考虑设立专项扶持资金,补贴渔民养殖户建造或购买聚乙烯渔船的费用,折价收购渔民手里的老旧渔船;提供融资平台,联合金融机构为渔民建造或购买聚乙烯渔船提供免息贷款等惠民政策,调动渔民对建造或购买聚乙烯渔船的积极性。此外,鼓励聚乙烯渔船生产企业购置先进设施装备,加大减税力度,淘汰落后产能,加快转型升级,提升产品质量,帮助水产养殖产业走上绿色发展道路[39]。
4.3 加大对验船师队伍的培训,做好聚乙烯渔船的监管
《聚乙烯渔船技术与检验暂行规则(2021)》发布之前,浙江、辽宁等地已有地方性的检验规则,但全国其他地区验船师对规范掌握理解还不够。近几年受疫情各方面原因影响,部分地区海事局未能组织所在地适任制资格验船师业务培训考试。各地海事局应做好验船师队伍的培训[40],解决基层验船人员数量少和经验不足等薄弱问题,增加验船师对新规则接触的机会,熟练掌握新规则,提升检验过程中的技能水平和业务素质[41]。加大对验船师队伍的管理,对新建的聚乙烯渔船,严格按照检验规则和相关法规进行检验,检查船厂资质,跟进施工进度,检验材料产品证书,杜绝产品存在的隐患。在聚乙烯渔船的营运过程中,把好年度检验关,检查船体结构的损坏程度,对救生衣、灭火器、求救信号弹等救生消防设施的配备情况和有效性进行检查,不合格的产品必须整改到位,否则不得签发证书。验船师要不断提升业务技能和服务水平,保障渔业船舶检验质量,保证聚乙烯渔船生产流程和使用的规范性。
4.4 加大宣传
通过新闻媒体、微博、微信公众号、短视频制作等方式进行普及聚乙烯渔船,加大广告宣传的力度。开展产品推介会,企业现场讲解,同时企业做出适当让利活动,吸引愿意接受新事物的渔民购买,逐步打开市场,通过使用对比,让渔民养殖户们了解新材料聚乙烯的特性,知晓聚乙烯养殖船的优势,打消顾虑,提高渔民使用聚乙烯渔船的积极性,从而淘汰耗能高、安全状况差的养殖渔船,推动聚乙烯渔船的发展。
5 结语
聚乙烯渔船是一种安全、节能、环保的新型产品,具有强度高、寿命长、无污染、环保等优点。在国家大力发展绿色造船的背景下,同木质、钢质材质相比,聚乙烯渔船更符合可持续发展理念,有着良好的市场前景。目前中国老旧养殖渔船数量大,为推进水产养殖业绿色发展[42],利用聚乙烯材料制造养殖新船,淘汰旧船,加快养殖渔船产业现代化,还需要各方的共同努力。
参考文献
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针对复合材料在自然环境老化因环境因素复杂导致预测困难的问题,选取复合材料基材聚乙烯为研究对象,在青岛海洋大气环境下开展了3、6、9、12、15、18和24个月的自然暴晒试验,基于拉伸和弯曲力学性能演变数据,考虑环境因素的综合影响作用,分别建立了以辐射量为自变量的自然风化模型和以老化时间为自变量的多因素叠加模型。结果表明,聚乙烯在青岛海洋大气环境下,拉伸性能、弯曲性能等力学指标随老化时间和总辐照量均呈下降趋势,24个月暴晒能够造成其表面微裂纹损伤。自然风化模型预测对聚乙烯拉伸性能和弯曲性能预测误差小于11.20%,而多因素叠加模型则小于3.07%,预测精度更高。
A comparative study for the fatigue assessment of a ship structure by use of hot spot stress and structural stress approaches
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Fatigue analysis of ship deck structure accounting for imperfections
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Europe funds research into efficient shipbuilding materials
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表1
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