張 玉 鄧 欣 張飛凡 張 朋 郭玉晗

**(中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院,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 碳纖維簡介

碳纖維含碳量高于95%,是一種高強度、高模量的纖維材料,其拉伸強度為一般碳鋼的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；按力學性能,可以分為高強度、超高強度、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(小絲束) 和工業(yè)級(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,逐漸在各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在航天領(lǐng)域,碳纖維增強復合材料廣泛用于飛機機體和各零件的制造,尤其是應(yīng)用在機翼、口蓋、前機身、中機身、整流罩等部件的生產(chǎn)中[3]；碳纖維在火箭發(fā)動機關(guān)鍵部分噴管處也發(fā)揮著重要作用；碳纖維及其復合材料武器往往更小型化、輕質(zhì)化、強度更高、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,在日本碳纖維發(fā)展的早期,體育休閑用品占到整個市場的1/3,從最開始的釣魚竿,到羽毛球拍、高爾夫球桿、運動撐桿、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、動力總成、剎車系統(tǒng)等,隨著新能源汽車的發(fā)展,預計碳纖維在汽車的應(yīng)用將進一步發(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,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[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。復合材料的優(yōu)勢給海洋工程產(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)、風機葉片、耐壓艙以及裝備修復等領(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、液控制信號以及化學藥劑等。生產(chǎn)立管、臍帶纜等在位運行時主要承受風、浪、流的作用,設(shè)計時需要考慮其抗拉、抗彎、抗扭、疲勞等力學性能。

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合結(jié)構(gòu),典型的結(jié)構(gòu)包括外保護層、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、耐腐蝕、抗疲勞等性能,應(yīng)用于柔性立管中(圖3(a)),可以在滿足強度要求的同時,大大減輕自重[6]。Meniconi 等[7]針對1000 m 張力腿用生產(chǎn)立管,用±20?碳纖維層合材料和環(huán)向玻璃纖維復合材料作為復合結(jié)構(gòu)層,依據(jù)相關(guān)破壞準則確定了復合結(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,提出了碳纖維復合材料輸氣管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。2003 年,挪威船級社發(fā)布了復合材料立管的設(shè)計規(guī)范及驗收標準[9]。顏芳芳等[10]考慮碳纖維復合材料的屬性特點,建立了按照限定應(yīng)變準則確定復合材料安全系數(shù)的分析模型。Amaechi 等[11]利用有限元分析軟件對深水碳纖維復合材料立管進行了應(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),并對整體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進行了一定優(yōu)化。

臍帶纜是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,截面復雜,含有多個功能單元,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、化學藥劑等。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)用碳纖維增強桿代替鋼制鎧裝層來為臍帶纜提供拉力,在滿足強度的同時自重也極大地減小。趙毅[12]建立了臍帶纜碳纖維螺旋纏繞增強桿的力學模型(圖3(b)),考慮了材料各向異性特性,對其剛度以及臍帶纜的動力響應(yīng)進行了分析。文獻[13-14] 考慮了臍帶纜的拉伸失效、扭轉(zhuǎn)失效的失效機理,并對其可靠性進行了分析。將碳纖維復合材料應(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)強度。但是,碳纖維管纜在海洋復雜環(huán)境下的耐久性需要長時間的工程實踐。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、運營等全壽命周期成本來考慮的話,整體成本將會降低。

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、浪、流的影響,開采平臺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在對應(yīng)位置進行固定。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1500 m 水深的鉆井平臺,其鋼制系纜的質(zhì)量可達6500 t 左右[15]。

復合材料力學性能優(yōu)異,耐腐蝕性好,利用復合材料代替?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。當平臺工作水深超過1600 m 時,復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)明了一種復合材料錨鏈結(jié)構(gòu),整個錨鏈由環(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)載荷下需要考慮動態(tài)黏彈性及蠕變性,碳纖維系泊瞬時張力特性與長期張力特性均不同于鋼制系泊纜,在設(shè)計及分析時需著重考慮。

圖4 碳纖維復合材料系纜[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、滑翔機等水下設(shè)備的核心部件,其主要設(shè)計目標是既要有足夠的結(jié)構(gòu)力學性能,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。

20 世紀90 年代,美國使用碳纖維對深潛器的原始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,實現(xiàn)了與之對應(yīng)水下搜索系統(tǒng)的更新升級,使用狀況顯示在滿足結(jié)構(gòu)浮力要求的同時,容重比明顯減小,并且下潛深度可達6096 m。2013年,美國Ocean Gate 公司推出載人深潛器Cyclops研發(fā)計劃,計劃包含兩種型號的深潛器,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器人(AUV)AUTOSUB 號,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,也減輕了耐壓結(jié)構(gòu)的重量,實際下潛深度6000 m[22]。2017 年3月,由沈陽自動化研究所研制的“海翼7000” 水下滑翔機在馬里亞納海溝進行深海科學考察任務(wù),滑翔機的耐壓結(jié)構(gòu)諸多部件使用碳纖維,這次科學考察任務(wù)中滑翔機的最大連續(xù)工作深度為6239 m,創(chuàng)造了多項世界紀錄(圖7)[23]。2021 年西北工業(yè)大學潘光教授團隊研究了碳纖維耐壓柱體屈曲失效機理,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[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 年風機葉片碳纖維需求占全球碳纖維需求的比例最高。我國海上風資源豐富,2020 年提出“碳中和”、“碳達標” 的發(fā)展目標后,海上風電能作為一種綠色能源迅速發(fā)展。2020年,風電葉片碳纖維用量高達3.06 萬噸,占全球碳纖維用量的30.602 9%,“十四五”期間風電葉片對碳纖維需求依然強勁,預計到2025 年可達9.3 萬噸以上[26]。隨著風機制造加工及配套技術(shù)的發(fā)展,風機功率會增大,葉片尺寸隨之會變大。據(jù)測算,40 m 以上的風電葉片中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如梁帽、主梁使用碳纖維復合材料可使葉片自重減少38%,成本降低4%。未來風機單機容量逐漸增大,風機葉片的長度也逐漸加大,碳纖維已成為必然選擇[27]。

風機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。碳纖維復合材料的剛度是玻璃纖維復合材料的2～3 倍,密度也較玻璃纖維小,一般可應(yīng)用于風機中梁的制造。如圖8 所示,葉片主梁、前緣、后緣一般采用碳纖維復合材料,在外殼等部分一般采用玻璃纖維復合材料[28-29]。混合復合材料是將兩種或兩種以上的材料增強到基體材料中,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合材料,如世界上最長之一的風機葉片由玻璃/碳混合增強材料制成[30]。除此之外,納米工程復合材料是復合材料制造領(lǐng)域最新的研究,將納米增強體添加到基體中以獲得更好的復合性能。Merugula 等[31]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維復合材料葉片中增加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 風機葉片結(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氫瓶發(fā)展迅速,可為海上儲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氫氣瓶工作壓力可達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 的高壓儲氫能力[33],而我國目前的壓力水平也初步達到70 MPa 的生產(chǎn)能力[34](圖9)。IACMI-復合材料研究所于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%,以制造復合材料天然氣或氫燃料箱,為汽車和卡車提供動力[35]。2021年,郭巍等[36]對碳纖維儲氣罐進行仿真分析,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)對整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

圖9 儲氫瓶[34]Fig.9 Hydrogen storage cylinder[34]

除了儲氫瓶中的應(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口。

2.5 碳纖維在海洋結(jié)構(gòu)修復補強作業(yè)中的應(yīng)用

海洋結(jié)構(gòu)物在復雜惡劣的海洋環(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出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷,比如疲勞裂紋、腐蝕缺陷等。碳纖維復合材料憑借其密度小、強度高、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,已被廣泛應(yīng)用到海洋結(jié)構(gòu)物的修復補強作業(yè)。陳團海等[37]建立了碳纖維修復含裂紋導管架平臺的力學模型。QinetiQ 公司對在挪威服役的某浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(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行了修復[38](圖10)。Zhang等[39]研究了碳纖維修復平臺中含裂紋鋼板的力學模型,建立了界面應(yīng)力的理論表達式及界面失效預測模型。Zhang 等[40]研究了碳纖維修復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,綜合對比分析了碳纖維防壓潰裝置和傳統(tǒng)的滑動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管道在三點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,修復后的結(jié)構(gòu)具有多種材料界面,復雜的海洋環(huán)境(溫度循環(huán)、靜載荷、動載荷等) 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)進行監(jiān)測。

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

圖11 CFRP 修復鋼管[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)與裝備對材料的要求越來越高,具有輕質(zhì)、高強、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)用將會越來越廣泛。但是,海洋環(huán)境與載荷非常復雜,碳纖維從生產(chǎn)制造到工程應(yīng)用的過程都會面臨一些挑戰(zhàn)。

(1)碳纖維結(jié)構(gòu)具有復雜的異種材料界面。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。在長時間的復雜海洋環(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、加工工藝等方面對其進行改進和優(yōu)化。

(2)碳纖維結(jié)構(gòu)與裝備一般為復合結(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,只在纖維方向具有較高的力學性能,設(shè)計時需要考慮其力學特性,必要時需要與其他材料相結(jié)合做成復合結(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)計時也可能需要與其他材料相結(jié)合制作成復合結(jié)構(gòu)。碳纖維與不同材料形成的復合結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)制造工藝、復雜海洋環(huán)境與載荷下的失效機理、力學響應(yīng)分析等方面都比傳統(tǒng)的金屬單一結(jié)構(gòu)復雜。

(3) 碳纖維材料在制造時容易出現(xiàn)較差的分散性。碳纖維以及其他種類的復合材料是以纖維或纖維織物為增強體,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,使得作為增強體的碳纖維或碳纖維織物在整個材料中具有較好的分散性。

(4)碳纖維在復雜海洋環(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間承受復雜的風、浪、流、冰等環(huán)境載荷,還會受到腐蝕、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)可以實現(xiàn)國產(chǎn)化,并進行工程應(yīng)用,但是相比完全“獨立自主”還有一定的距離。2020 年我國提出“碳中和” 和“碳達標” 的發(fā)展目標,海洋清潔能源(例如海上風電、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、耐腐蝕等特點,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)計等方面聯(lián)合攻堅,進行多學科交叉研究。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。