碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)1)

張 玉 鄧 欣 張飛凡 張 朋 郭玉晗

**(中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院,北京 102249)

?(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

1 碳纖維簡(jiǎn)介

碳纖維含碳量高于95%,是一種高強(qiáng)度、高模量的纖維材料,其拉伸強(qiáng)度為一般碳鋼的8 倍及以上,但密度不到一般碳鋼的1/4,如表1 所示[1]。碳纖維有多種分類方式,按原料來源,分為聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按力學(xué)性能,可以分為高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度、高模量、超高模量碳纖維；按狀態(tài),分為長絲、短纖維和短切纖維；按產(chǎn)品規(guī)格,分為宇航級(jí)(小絲束) 和工業(yè)級(jí)(大絲束),大絲束碳纖維以民用工業(yè)應(yīng)用為主,小絲束碳纖維主要應(yīng)用于國防軍工和高技術(shù),以及體育休閑用品。目前,用量最大的是PAN 基碳纖維,產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%[2]。

表1 碳纖維與其他材料性能對(duì)比[1]Table 1 Comparison of properties between carbon fiber and other materials[1]

碳纖維由于優(yōu)異的綜合性能,逐漸在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在航天領(lǐng)域,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛用于飛機(jī)機(jī)體和各零件的制造,尤其是應(yīng)用在機(jī)翼、口蓋、前機(jī)身、中機(jī)身、整流罩等部件的生產(chǎn)中[3]；碳纖維在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部分噴管處也發(fā)揮著重要作用；碳纖維及其復(fù)合材料武器往往更小型化、輕質(zhì)化、強(qiáng)度更高、壽命更長,更加穩(wěn)定和安全；碳纖維在體育休閑用品領(lǐng)域也有十分大的市場(chǎng),在日本碳纖維發(fā)展的早期,體育休閑用品占到整個(gè)市場(chǎng)的1/3,從最開始的釣魚竿,到羽毛球拍、高爾夫球桿、運(yùn)動(dòng)撐桿、網(wǎng)球拍等[4]；碳纖維是汽車輕量化的重要選擇,主要應(yīng)用在外觀組件、電池盒、動(dòng)力總成、剎車系統(tǒng)等,隨著新能源汽車的發(fā)展,預(yù)計(jì)碳纖維在汽車的應(yīng)用將進(jìn)一步發(fā)展；在土木建筑領(lǐng)域碳纖維常用來做橋梁及建筑物的加固和修復(fù),并且瀝青基的碳纖維加固水泥有著很好的效果(圖1)。

圖1 2020 全球碳纖維需求與應(yīng)用(根據(jù)文獻(xiàn)[5] 修改)Fig.1 The global demand and application of carbon fiber (according Ref.[5] to modify)

近年來,碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中也逐漸嶄露頭角,隨著深水油氣資源及清潔海洋能源的開發(fā),碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用也備受關(guān)注(圖2)。

圖2 碳纖維在海洋工程中的應(yīng)用Fig.2 The application of carbon fiber in ocean engineering

2 碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)與裝備材料以高強(qiáng)度鋼為主,但是隨著海洋資源的開發(fā)逐漸從淺水走向深水,對(duì)結(jié)構(gòu)與裝備輕質(zhì)、防腐、抗疲勞等要求越來越高,亟需新材料的應(yīng)用。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)給海洋工程產(chǎn)業(yè)建造提供了新思路。目前,碳纖維材料在海洋管纜、錨泊系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)葉片、耐壓艙以及裝備修復(fù)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

2.1 碳纖維在海洋管纜的應(yīng)用

海洋石油、天然氣等資源深水及超深水的一般開發(fā)模式是上部浮式裝置+ 底部水下生產(chǎn)系統(tǒng),連接浮式裝置與水下生產(chǎn)系統(tǒng)的管纜包括生產(chǎn)立管、臍帶纜等,生產(chǎn)立管的主要作用是輸送油氣資源等介質(zhì),臍帶纜的主要作用是為水下設(shè)備提供電、液控制信號(hào)以及化學(xué)藥劑等。生產(chǎn)立管、臍帶纜等在位運(yùn)行時(shí)主要承受風(fēng)、浪、流的作用,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其抗拉、抗彎、抗扭、疲勞等力學(xué)性能。

生產(chǎn)立管主要有鋼管和柔性立管,柔性立管是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu),典型的結(jié)構(gòu)包括外保護(hù)層、鎧裝層、骨架層和內(nèi)襯層。相比于鋼管,柔性立管的剛度較小,更適用于深水油氣資源的開發(fā)。但是,隨著開采深度的進(jìn)一步增加(如巴西、美國油氣開采最大水深為3000 m),柔性立管中的鋼制結(jié)構(gòu)重量不容忽視,容易出現(xiàn)由于自身重量增加引起的拉斷失效。碳纖維材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等性能,應(yīng)用于柔性立管中(圖3(a)),可以在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí),大大減輕自重[6]。Meniconi 等[7]針對(duì)1000 m 張力腿用生產(chǎn)立管,用±20?碳纖維層合材料和環(huán)向玻璃纖維復(fù)合材料作為復(fù)合結(jié)構(gòu)層,依據(jù)相關(guān)破壞準(zhǔn)則確定了復(fù)合結(jié)構(gòu)層的壁厚,分析了整體結(jié)構(gòu)的軸向拉伸?壓強(qiáng)失效載荷包絡(luò)線。陳靖華等[8]基于可靠性理論和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,提出了碳纖維復(fù)合材料輸氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。2003 年,挪威船級(jí)社發(fā)布了復(fù)合材料立管的設(shè)計(jì)規(guī)范及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[9]。顏芳芳等[10]考慮碳纖維復(fù)合材料的屬性特點(diǎn),建立了按照限定應(yīng)變準(zhǔn)則確定復(fù)合材料安全系數(shù)的分析模型。Amaechi 等[11]利用有限元分析軟件對(duì)深水碳纖維復(fù)合材料立管進(jìn)行了應(yīng)力分析,研究了不同受載狀況下整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù),并對(duì)整體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行了一定優(yōu)化。

臍帶纜是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,截面復(fù)雜,含有多個(gè)功能單元,在上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間傳遞液壓、電力、控制信號(hào)、化學(xué)藥劑等。深水臍帶纜中一般含有鋼制抗拉鎧裝層(偶數(shù),螺旋角度相反),但是隨著水深的增加,臍帶纜中鋼制鎧裝層由于自重太大容易造成臍帶纜拉斷失效?？蓱?yīng)用碳纖維增強(qiáng)桿代替鋼制鎧裝層來為臍帶纜提供拉力,在滿足強(qiáng)度的同時(shí)自重也極大地減小。趙毅[12]建立了臍帶纜碳纖維螺旋纏繞增強(qiáng)桿的力學(xué)模型(圖3(b)),考慮了材料各向異性特性,對(duì)其剛度以及臍帶纜的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[13-14] 考慮了臍帶纜的拉伸失效、扭轉(zhuǎn)失效的失效機(jī)理,并對(duì)其可靠性進(jìn)行了分析。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于海洋管纜既可以滿足管纜的輕量化要求,又可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但是,碳纖維管纜在海洋復(fù)雜環(huán)境下的耐久性需要長時(shí)間的工程實(shí)踐。另外,碳纖維管纜制造成本相比鋼制管纜有所提高,但從安裝、運(yùn)營等全壽命周期成本來考慮的話,整體成本將會(huì)降低。

圖3 海洋管纜Fig.3 Marine pipe line

目前,水合物及礦產(chǎn)資源開采軟管、LNG 低溫軟管、CO2注入軟管、油氣卸載漂浮軟管等,對(duì)剛度、耐腐及輕量化也具有很高的需求,碳纖維在這些軟管中的應(yīng)用同樣具有廣闊的前景。

2.2 碳纖維在系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用

在深海油田開采中,受風(fēng)、浪、流的影響,開采平臺(tái)在海面上容易變得不穩(wěn)定,而系泊系統(tǒng)的主要作用就是將開采平臺(tái)在對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行固定。傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)基本為鋼制結(jié)構(gòu),鋼材料在海水中易腐蝕,平均使用壽命短,且后期維護(hù)成本較高。此外,隨著開采深度的增加,鋼制結(jié)構(gòu)重量增加明顯,如一個(gè)1500 m 水深的鉆井平臺(tái),其鋼制系纜的質(zhì)量可達(dá)6500 t 左右[15]。

復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異,耐腐蝕性好,利用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制系泊,可有效減輕系纜自身重量并有效減緩海水腐蝕,延長使用壽命。當(dāng)平臺(tái)工作水深超過1600 m 時(shí),復(fù)合材料系纜總成本較鋼制系纜低(圖4)[16]。Jackson 等[17]介紹了一種用于移動(dòng)式海上鉆井裝置的碳纖維系泊纜。周利鋒等[18]發(fā)明了一種復(fù)合材料錨鏈結(jié)構(gòu),整個(gè)錨鏈由環(huán)形單元鏈接組成,環(huán)形單元外層材料和內(nèi)填充材料分別為碳纖維和玻璃纖維。Luz 等[19]分析了碳纖維螺旋桿系泊系統(tǒng)在拉伸和彎曲載荷作用下的力學(xué)特性,證明碳纖維系泊纜相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更大的拉斷力和更小的曲率半徑(圖5)。但是,碳纖維屬于黏彈性材料,在張力及循環(huán)載荷下需要考慮動(dòng)態(tài)黏彈性及蠕變性,碳纖維系泊瞬時(shí)張力特性與長期張力特性均不同于鋼制系泊纜,在設(shè)計(jì)及分析時(shí)需著重考慮。

圖4 碳纖維復(fù)合材料系纜[16]Fig.4 Carbon fiber composites mooring cable[16]

圖5 碳纖維螺旋桿系泊纜模型[19]Fig.5 The model of carbon fiber composites mooring cable[19]

2.3 碳纖維在耐壓艙中的應(yīng)用

耐壓艙是深潛器、滑翔機(jī)等水下設(shè)備的核心部件,其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是既要有足夠的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,還要有盡可能小的容重比[20]。將碳纖維應(yīng)用于耐壓艙,可使整體結(jié)構(gòu)具有工作深度大、重量輕、容重比小等優(yōu)點(diǎn)。

20 世紀(jì)90 年代,美國使用碳纖維對(duì)深潛器的原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了與之對(duì)應(yīng)水下搜索系統(tǒng)的更新升級(jí),使用狀況顯示在滿足結(jié)構(gòu)浮力要求的同時(shí),容重比明顯減小,并且下潛深度可達(dá)6096 m。2013年,美國Ocean Gate 公司推出載人深潛器Cyclops研發(fā)計(jì)劃,計(jì)劃包含兩種型號(hào)的深潛器,包括Cyclops I 和Cyclops II 兩種。其中,Cyclops I 使用碳纖維作為船體外殼,潛深500 m；Cyclops II 使用碳纖維和鈦合金兩種材料,實(shí)際潛深4000 m (圖6)[21]。英國南安普頓海洋研究中心研制的魚雷形自主式水下機(jī)器人(AUV)AUTOSUB 號(hào),將碳纖維制造成圓柱殼用作潛水器的耐壓艙,結(jié)合鈦合金做成密封端蓋,在保證潛水器有剩余浮力的同時(shí),也減輕了耐壓結(jié)構(gòu)的重量,實(shí)際下潛深度6000 m[22]。2017 年3月,由沈陽自動(dòng)化研究所研制的“海翼7000” 水下滑翔機(jī)在馬里亞納海溝進(jìn)行深?？茖W(xué)考察任務(wù),滑翔機(jī)的耐壓結(jié)構(gòu)諸多部件使用碳纖維,這次科學(xué)考察任務(wù)中滑翔機(jī)的最大連續(xù)工作深度為6239 m,創(chuàng)造了多項(xiàng)世界紀(jì)錄(圖7)[23]。2021 年西北工業(yè)大學(xué)潘光教授團(tuán)隊(duì)研究了碳纖維耐壓柱體屈曲失效機(jī)理,分析了不同厚度及橢圓度的碳纖維柱體抗屈曲性能[24-25]。

圖6 Cyclops I 載人深潛器[21]Fig.6 Cyclops I manned deep submersible[21]

圖7 中國“海翼7000” 水下滑翔機(jī)[23]Fig.7 China “Sea-Wing 7000” underwater glide[23]

2.4 碳纖維在海洋清潔能源結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用

從圖1 可以看出,2020 年風(fēng)機(jī)葉片碳纖維需求占全球碳纖維需求的比例最高。我國海上風(fēng)資源豐富,2020 年提出“碳中和”、“碳達(dá)標(biāo)” 的發(fā)展目標(biāo)后,海上風(fēng)電能作為一種綠色能源迅速發(fā)展。2020年,風(fēng)電葉片碳纖維用量高達(dá)3.06 萬噸,占全球碳纖維用量的30.602 9%,“十四五”期間風(fēng)電葉片對(duì)碳纖維需求依然強(qiáng)勁,預(yù)計(jì)到2025 年可達(dá)9.3 萬噸以上[26]。隨著風(fēng)機(jī)制造加工及配套技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)機(jī)功率會(huì)增大,葉片尺寸隨之會(huì)變大。據(jù)測(cè)算,40 m 以上的風(fēng)電葉片中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如梁帽、主梁使用碳纖維復(fù)合材料可使葉片自重減少38%,成本降低4%。未來風(fēng)機(jī)單機(jī)容量逐漸增大,風(fēng)機(jī)葉片的長度也逐漸加大,碳纖維已成為必然選擇[27]。

風(fēng)機(jī)葉片不同位置所受載荷不同,根據(jù)不同位置的受力情況及失效形式,可以在葉片不同位置使用不同的材料。碳纖維復(fù)合材料的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料的2～3 倍,密度也較玻璃纖維小,一般可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)中梁的制造。如圖8 所示,葉片主梁、前緣、后緣一般采用碳纖維復(fù)合材料,在外殼等部分一般采用玻璃纖維復(fù)合材料[28-29]?；旌蠌?fù)合材料是將兩種或兩種以上的材料增強(qiáng)到基體材料中,從而使最終產(chǎn)品具有所涉及材料的最好性能而獲得的復(fù)合材料,如世界上最長之一的風(fēng)機(jī)葉片由玻璃/碳混合增強(qiáng)材料制成[30]。除此之外,納米工程復(fù)合材料是復(fù)合材料制造領(lǐng)域最新的研究,將納米增強(qiáng)體添加到基體中以獲得更好的復(fù)合性能。Merugula 等[31]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維復(fù)合材料葉片中增加1%～5% 的納米碳纖維后,葉片的拉伸應(yīng)力及壽命均得到了提高。

圖8 風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)組成[27]Fig.8 The composition of wind turbine blade[27]

海上制氫技術(shù)是清潔能源發(fā)展的重要內(nèi)容。氫氣在常溫常壓下的體積能量密度很低,儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。金屬在氫氣環(huán)境中容易發(fā)生氫脆,而碳纖維材料則可避免此種損傷,新能源汽車中采用碳纖維材料的儲(chǔ)氫瓶發(fā)展迅速,可為海上儲(chǔ)氫裝置提供重要參考。2002 年,德國Lincoln Composites 公司的高密度聚乙烯內(nèi)膽碳纖維全纏繞高壓儲(chǔ)氫氣瓶工作壓力可達(dá)95 MPa[32],加拿大Dynetek公司生產(chǎn)的鋁膽碳纖維全纏繞結(jié)構(gòu),具備70 MPa 的高壓儲(chǔ)氫能力[33],而我國目前的壓力水平也初步達(dá)到70 MPa 的生產(chǎn)能力[34](圖9)。IACMI-復(fù)合材料研究所于2020 年從美國能源部(DOE) 獲得270 萬美元,用于開發(fā)和驗(yàn)證新的碳纖維技術(shù),該技術(shù)將使制造高性能碳纖維的成本降低25%,以制造復(fù)合材料天然氣或氫燃料箱,為汽車和卡車提供動(dòng)力[35]。2021年,郭巍等[36]對(duì)碳纖維儲(chǔ)氣罐進(jìn)行仿真分析,考慮多種影響因素(包括碳纖維纏繞層數(shù)、碳纖維纏繞角度、玻璃纖維纏繞層數(shù)和玻璃纖維纏繞單層厚度)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 儲(chǔ)氫瓶[34]Fig.9 Hydrogen storage cylinder[34]

除了儲(chǔ)氫瓶中的應(yīng)用,碳纖維在氧氣罐和其他壓力容器中也有較大的應(yīng)用,我國壓力容器行業(yè)碳纖維需求量占世界需求量17%,但是受限于國內(nèi)工藝水平,壓力容器用碳纖維主要依靠進(jìn)口。

2.5 碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)中的應(yīng)用

海洋結(jié)構(gòu)物在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境下工作,長期受工作載荷和環(huán)境載荷的作用,在其服役期間不可避免地會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷,比如疲勞裂紋、腐蝕缺陷等。碳纖維復(fù)合材料憑借其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、施工方便、疲勞性能良好及不影響結(jié)構(gòu)完整性等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用到海洋結(jié)構(gòu)物的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)。陳團(tuán)海等[37]建立了碳纖維修復(fù)含裂紋導(dǎo)管架平臺(tái)的力學(xué)模型。QinetiQ 公司對(duì)在挪威服役的某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(floating production storage and offloading,FPSO)出現(xiàn)的大約60 mm 長裂紋的艙壁通過碳纖維材料進(jìn)行了修復(fù)[38](圖10)。Zhang等[39]研究了碳纖維修復(fù)平臺(tái)中含裂紋鋼板的力學(xué)模型,建立了界面應(yīng)力的理論表達(dá)式及界面失效預(yù)測(cè)模型。Zhang 等[40]研究了碳纖維修復(fù)腐蝕缺陷海洋管道在載荷?溫度?海水浸泡作用下的耐久性,討論了碳纖維修復(fù)結(jié)構(gòu)耐久性與碳纖維材料本身以及碳纖維?金屬界面性能衰減規(guī)律之間的關(guān)系(圖 11)。Alrsai 等[41]研究了碳纖維材質(zhì)的海洋管道防壓潰裝置的可行性,綜合對(duì)比分析了碳纖維防壓潰裝置和傳統(tǒng)的滑動(dòng)式或整體式防壓潰裝置。Elchalakani 等[42]研究了使用碳纖維布加固修復(fù)管道在三點(diǎn)彎曲和直接壓痕作用下的變形規(guī)律,分析了壁厚的腐蝕穿透、沿管道的腐蝕程度、碳纖維布的類型等參數(shù)的影響。采用碳纖維修復(fù)含有腐蝕、裂紋等缺陷的海洋結(jié)構(gòu),不僅可以提高結(jié)構(gòu)的極限承載力,還可以抑制缺陷繼續(xù)發(fā)展,提高結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命,但是,修復(fù)后的結(jié)構(gòu)具有多種材料界面,復(fù)雜的海洋環(huán)境(溫度循環(huán)、靜載荷、動(dòng)載荷等) 下容易發(fā)生界面損傷,可采用聲發(fā)射、圖像處理等技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖10 CFRP 修復(fù)FPSO 艙壁[38]Fig.10 Repaired FPSO bulkhead by CFRP[38]

圖11 CFRP 修復(fù)鋼管[40]Fig.11 Repaired steel pipe by CFRP[40]

3 碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

隨著海洋資源向深水的發(fā)展以及海洋清潔能源的開發(fā),海洋結(jié)構(gòu)與裝備對(duì)材料的要求越來越高,具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)異性能的碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。但是,海洋環(huán)境與載荷非常復(fù)雜,碳纖維從生產(chǎn)制造到工程應(yīng)用的過程都會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。

(1)碳纖維結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的異種材料界面。碳纖維本身由纖維與基體組成,存在纖維與基體的粘結(jié)界面；在碳纖維殼體結(jié)構(gòu)中,一般都是多層碳纖維布粘結(jié)而成,存在不同層的碳纖維粘結(jié)界面；碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中往往不是單獨(dú)使用,需要與金屬材料配合使用,存在碳纖維與金屬的連接界面。在長時(shí)間的復(fù)雜海洋環(huán)境及載荷作用下,碳纖維結(jié)構(gòu)中的異種材料界面會(huì)由于材料性質(zhì)不同、變形不協(xié)調(diào)等原因出現(xiàn)損傷,如界面分層、界面裂紋等,這需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

(2)碳纖維結(jié)構(gòu)與裝備一般為復(fù)合結(jié)構(gòu)。一般來說,海洋結(jié)構(gòu)與裝備需要承受拉、壓、彎、扭等復(fù)雜載荷,還需要滿足密封和疲勞的要求。但是,碳纖維具有各向異性的特點(diǎn),只在纖維方向具有較高的力學(xué)性能,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其力學(xué)特性,必要時(shí)需要與其他材料相結(jié)合做成復(fù)合結(jié)構(gòu)。另外,碳纖維中由于樹脂基及界面的存在,其滲透性不如金屬材料,在密封設(shè)計(jì)時(shí)也可能需要與其他材料相結(jié)合制作成復(fù)合結(jié)構(gòu)。碳纖維與不同材料形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造工藝、復(fù)雜海洋環(huán)境與載荷下的失效機(jī)理、力學(xué)響應(yīng)分析等方面都比傳統(tǒng)的金屬單一結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(3) 碳纖維材料在制造時(shí)容易出現(xiàn)較差的分散性。碳纖維以及其他種類的復(fù)合材料是以纖維或纖維織物為增強(qiáng)體,以碳或石墨化的樹脂作為基體,在制造的過程中易出現(xiàn)分散性較差的現(xiàn)象,需要對(duì)碳纖維的加工工藝展開研究,合理調(diào)配基體各成分的比例,使得作為增強(qiáng)體的碳纖維或碳纖維織物在整個(gè)材料中具有較好的分散性。

(4)碳纖維在復(fù)雜海洋環(huán)境與載荷下的耐久性需要關(guān)注。海洋結(jié)構(gòu)與裝備不僅需要長時(shí)間承受復(fù)雜的風(fēng)、浪、流、冰等環(huán)境載荷,還會(huì)受到腐蝕、介質(zhì)溫度的影響,這種情況下碳纖維以及碳纖維與其他材料的界面性能長時(shí)間易出現(xiàn)性能衰減,從而一定程度上影響海洋結(jié)構(gòu)與裝備的整體性能,這需要從碳纖維材料本身性能的提升以及制造、加工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)束語

深水油氣資源開發(fā)所需的海洋結(jié)構(gòu)與裝備是我國海洋能源發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)之一,“十一五”到“十三五” 期間我國在海洋結(jié)構(gòu)與裝備方面取得了突出的成果,部分海洋裝備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,并進(jìn)行工程應(yīng)用,但是相比完全“獨(dú)立自主”還有一定的距離。2020 年我國提出“碳中和” 和“碳達(dá)標(biāo)” 的發(fā)展目標(biāo),海洋清潔能源(例如海上風(fēng)電、海上制氫等)是其中重要的內(nèi)容,其發(fā)展離不開相關(guān)結(jié)構(gòu)與裝備的研發(fā)。本文主要介紹了碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中的一些應(yīng)用及研究現(xiàn)狀。碳纖維由于輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn),在深水及清潔能源開發(fā)所需的海洋結(jié)構(gòu)與裝備輕量化設(shè)計(jì)中具有廣闊應(yīng)用前景,能夠有效降低其全壽命周期成本。但是,碳纖維本身由于材料的特性及生產(chǎn)制造工藝等限制因素,在海洋結(jié)構(gòu)與裝備中的應(yīng)用中還有一些問題需要研究和解決。這需要從材料研發(fā)、生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面聯(lián)合攻堅(jiān),進(jìn)行多學(xué)科交叉研究。相信未來碳纖維在深水海洋資源開發(fā)及清潔能源的海洋結(jié)構(gòu)與裝備中將大有作為。