Abstract

Kuituvahvisteisia polymeereja eli lujitemuoveja käytetään nykyisin laajalti kevyiden alusten runkorakenteissa, kun aluksen pituus on enintään 50 metriä. Näitä komposiittimateriaaleja käyttämällä voidaan saavuttaa suurempi lastikapasiteetti ja merkittäviä polttoainesäästöjä. Lujitemuovit eivät ruostu, mikä vähentää huoltotarvetta ja –kustannuksia. Niiden avulla voidaan myös parantaa laivan stabiilisuutta ja vähentää vedenalaista melua. Yli 50 metrin pituisissa aluksissa lujitemuovien käyttö on nykyisin kuitenkin rajoitettu sekundaarirakenteisiin ja –komponentteihin. Tämä johtuu pääosin näiden materiaalien kestävyyteen ja palo-ominaisuuksiin liittyvistä kysymyksistä, suunnittelu- ja tuotantomenetelmien kehitystarpeista sekä ohjeistuksen puutteesta.

Euroopan unionin rahoittaman ”Engineering, production and life‐cycle management for the complete construction of large‐length fibre‐based ships” (FIBRESHIP) –tutkimushankkeen  tavoitteena on mahdollistaa yli 50 metrin pituisten laivojen rungon ja kansirakenteiden rakentaminen muovikomposiiteista. FIBRESHIP-projektissa kehitetään innovatiivisia komposiittimateriaaleja laivateollisuuden tarpeisiin, laaditaan uusia suunnittelu- ja tuotantomenetelmiä ja –ohjeita sekä kehitetään ja validoidaan simulointityökaluja.

FIBRESHIP-projekti alkaa toukokuussa 2017 ja kestää kolme vuotta. Projektiin osallistuu laivanrakennusteollisuutta, laivanvarustamoja, meriteknologia- ja komposiittimateriaaliyrityksiä, luokituslaitoksia ja tutkimuslaitoksia Espanjasta, Irlannista, Iso-Britanniasta, Italiasta, Kreikasta, Kyprokselta, Ranskasta, Romaniasta, Suomesta, Tanskasta ja Unkarista. Hankkeen koordinaattori on espanjalainen TSI (Técnicas y Servicios de Ingeniería).

VTT on päävastuussa FIBRESHIP-projektissa kehitettävien komposiittimateriaalien ja -tuotteiden palo-ominaisuuksien arvioinnista palokokeiden ja simuloinnin avulla. VTT kehittää ja varmentaa numeerisia pyrolyysimalleja näille materiaaleille. VTT vastaa myös palomallinnuksen ja rakenteellisen analyysin yhdistävän simulointityökalun kehityksestä.

Palotutkimuksen päivillä esitellään projektin tavoitteita, työsuunnitelmaa ja ensimmäisiä tuloksia elokuun 2017 tilanteen mukaisesti. Esityksessä keskitytään kehitettävien materiaalien ja tuotteiden palo-ominaisuuksiin, pyrolyysimallinnukseen ja palosimulointiin.

Tämä projekti on saanut rahoitusta Euroopan unionin Horisontti 2020 –tutkimus- ja innovaatio-ohjelmasta perustuen rahoitussopimukseen nro 723360.

Abstract

Eurooppalaisen FIBRESHIP-tutkimusprojektin tavoitteena on kehittää suunnittelu- ja tuotantomenetelmäkokonaisuus, joka mahdollistaa yli 50 metrin pituisen laivan rungon ja kansirakenteen valmistamisen kuitulujitteisista muovikomposiiteista. Projektissa suoritettiin laaja kaksivaiheinen koeohjelma, jossa tutkittiin kuitulujitemuovimateriaalien ja -rakenteiden mekaanisia, väsymis- ja palo-ominaisuuksia. Tässä artikkelissa esitellään kuitulujitteisten muovikomposiittien pienen mittakaavan palokokeiden ja pyrolyysimallinnuksen tuloksia.

Kuitulujitteisten muovien palo-ominaisuuksia voidaan parantaa merkittävästi paisuvilla pinnoitteilla. Pinnoitteet voivat muuttaa olennaisesti lämmön- ja savuntuottokäyrien muotoa, alentaa niiden maksimiarvoja ja pidentää syttymisaikaa.

Vaikka palo-ominaisuudet ovat merkittävä tekijä kuitulujitteisten muovien käytössä laivateollisuudessa, myös muita näkökohtia kuten mekaaniset ja valmistustekniset ominaisuudet on otettava huomioon. Osa projektissa alustavasti tutkituista tuotteista ei päässyt jatkotarkasteluihin tästä syystä.

Kokeissa tehdyt havainnot korostavat toistettavan ja hallitun valmistusprosessin tärkeyttä. Prosessi on ohjeistettava, valvottava ja raportoitava perusteellisesti. Laminaattien ja pinnoitteiden tulee olla tasalaatuisia, jotta kokeiden perusteella määritetyt palo-ominaisuudet voidaan varmistaa. Tarkat määrittelyt ja laadunvalvonta ovat keskeisessä roolissa, kun halutaan varmistaa materiaalien ja tuotteiden paloturvallisuus.

Kovettujen hartsien massahäviö alkaa tyypillisesti vähän yli 300 °C:n lämpötilassa. Tällöin lujitemuovista tehty rakenne alkaa tuottaa palavia kaasuja ja myötävaikuttaa paloon. Lujitemuovien lasisiirtymälämpötilat ovat tyypillisesti 100 °C:n suuruusluokkaa. Tässä lämpötilassa materiaali pehmenee ja alkaa menettää kuormankantokykyään. Lujitemuoveista valmistetuilla rakenteilla on taipumus lämmetä paikallisesti, koska niiden lämmönjohtavuus on suhteellisen alhainen. Paikallisen palon tapauksessa keskeiset paloturvallisuusriskit ovat palavien kaasujen muodostuminen ja lämmöntuotto. Jos palo uhkaa suurta rakennetta, kuten osastopalon tapauksessa, pääongelma on materiaalin pehmeneminen ja kantokyvyn menetys.

Abstract

The fire safety effect of using fibre-reinforced polymer (FRP) as the primary construction material in a fishing research vessel was studied by fire simulations. The effect of FRP structures on fire development was assessed by comparing the simulated gas temperatures and potential heat releases with FRP and steel structures. The structural integrity of FRP structures was assessed using simulated temperatures of the structures as indicators of integrity. The effect of protective mineral wool and intumescent coating layers was also quantified. The results showed that despite the protection, the structural integrity of FRP bulkheads could be compromised in fire conditions. Mineral wool was found to be better protection than the intumescent coating: it can either prevent or postpone the pyrolysis of the FRP bulkhead, depending on the fire exposure.