【專題綜述】復(fù)合材料在海洋工程中的應(yīng)用以及未來發(fā)展

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，加快海洋資源的開發(fā)和利用已成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略方向。水上船舶、潛水器、海上結(jié)構(gòu)和其他海洋結(jié)構(gòu)組件都面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。因此，通常會考慮具有高度抗性并且需要長時間幾乎不需要維護的材料。此外，輕量化和耐腐蝕性對于船舶來說是必要的，以滿足設(shè)計要求并實現(xiàn)速度和可靠性。復(fù)合材料，特別是纖維增強聚合物（FRP），自二戰(zhàn)后早期應(yīng)用以來，在海洋工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)時復(fù)合材料旨在克服鋼鐵、鋁和木材所遇到的腐蝕問題。減重一直是一個關(guān)鍵方面，尤其是商用船舶頂部重量的減輕。多年來，為了滿足海洋行業(yè)不斷增長和多變的需求，復(fù)合材料已經(jīng)得到發(fā)展，仍然在制造各種合成元素方面發(fā)揮著重要作用，包括格柵、管道、軸、管道和船體殼體。迄今為止，復(fù)合材料被應(yīng)用于海洋行業(yè)的所有領(lǐng)域，用于各種組件和結(jié)構(gòu)，包括船身、軸承、螺旋槳、艙口蓋、排氣口、船體結(jié)構(gòu)、雷達(dá)罩、聲納罩、欄桿、各種類型的船只、閥門和其他海底結(jié)構(gòu)。近年來，由復(fù)合材料制成的賽艇越來越普遍，以實現(xiàn)持久高性能和安全性。

一、復(fù)合材料在船體、船舶和潛艇中的應(yīng)用

鹽和腐蝕性海水對水上船舶和結(jié)構(gòu)特別具有破壞性?？紤]到復(fù)合材料抗腐蝕和疲勞的能力，通過在特定部件中使用熱固性復(fù)合材料，如固定件和連接器，可以顯著減少維護需求。

航海工業(yè)經(jīng)歷了明顯的技術(shù)進步，如今，船體的制造基于最新一代生產(chǎn)系統(tǒng)。先進復(fù)合材料的引入在船只和船舶制造中代表了一個里程碑式的創(chuàng)新。更堅硬的船體和甲板是船舶工業(yè)采用復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。此外，在海洋夾層結(jié)構(gòu)中，芳綸、碳素和玻璃 FRP 材料通常用作包裹外層，取代金屬。聚合物泡沫材料（如聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC））和蜂窩結(jié)構(gòu)主要用作芯材。將芳綸纖維（如凱夫拉）或碳纖維與高品質(zhì)樹脂和超輕芯材（如諾邁克司）結(jié)合起來，制造出具有無與倫比機械性能和尺寸的船只。

應(yīng)用案例：“短劍”高速隱形快艇擁有美國使用碳纖維合成材料一次成型制造的最大船體，整個生產(chǎn)過程中沒有使用一枚釘子、鉚釘，而且不用焊接，因此它的外表十分光滑，重量大大降低，同時其磁信號特征也非常小，不易觸發(fā)水雷。

2004年及2008年，中國分別建造了采用復(fù)合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯號”船采用GFRP材料建造，展現(xiàn)了復(fù)合材料在船舶制造領(lǐng)域的快速發(fā)展和應(yīng)用拓展。

1.船體結(jié)構(gòu)

船體結(jié)構(gòu)是船舶的重要組成部分，對于船只的航行安全和性能具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)多為金屬材料，如鋼鐵、鋁等，但隨著復(fù)合材料的出現(xiàn)，越來越多的船只開始采用復(fù)合材料作為船體結(jié)構(gòu)的主要材料。復(fù)合材料在船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以顯著降低船只的重量，從而提高航速和減少能耗。同時，復(fù)合材料還具有良好的耐腐蝕性能，可以延長船只的使用壽命。

2.船舶推進系統(tǒng)

船舶推進系統(tǒng)是船只航行的動力來源，其性能直接關(guān)系到船只的航行效率和能耗。復(fù)合材料在船舶推進系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在螺旋槳上。復(fù)合材料螺旋槳具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，可以顯著提高螺旋槳的推進效率，降低能耗。同時，復(fù)合材料螺旋槳還可以減少船只的振動和噪音，提高船只的舒適性和穩(wěn)定性。

3.船舶設(shè)備

船舶設(shè)備是船只航行和作業(yè)所必需的裝備，如發(fā)動機、發(fā)電機、導(dǎo)航設(shè)備等。復(fù)合材料在船舶設(shè)備中的應(yīng)用可以顯著提高設(shè)備的性能和壽命。例如，復(fù)合材料制成的發(fā)動機部件具有重量輕、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，可以提高發(fā)動機的效率和壽命。此外，復(fù)合材料還可以用于制造船舶中的管道、閥門等配件，具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐磨性能。

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(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 。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(jì) 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(dá) 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 Cy clops 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 。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 。

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(xué)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(xué)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(jì)錄 。2021 年西北工業(yè)大學(xué)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。

二、用于海洋可再生能源的纖維增強復(fù)合材料

“海洋可再生能源系統(tǒng)”范疇包括安裝在海洋環(huán)境中、利用波浪、洋流、潮汐、鹽度和溫度梯度以及風(fēng)能的能量的設(shè)備和工廠。在這些技術(shù)中，潮流能、波動能和近海風(fēng)力代表了最成熟的技術(shù)，其中玻璃和碳纖維增強復(fù)合材料得到越來越多的應(yīng)用。

2023年，全球行業(yè)制造商就發(fā)布了許多與復(fù)合材料風(fēng)電葉片有關(guān)的新進展，主要包括如下：

1、法國通用電氣可再生能源公司延長了與美國風(fēng)電葉片制造商TPI Composites公司的供應(yīng)協(xié)議，并同意在TPI位于墨西哥華雷斯的工廠增加四條新的葉片生產(chǎn)線。

2、丹麥維斯塔斯公司公布了新的合作伙伴關(guān)系，如簽署了一份諒解備忘錄作為烏克蘭基輔DTEK Tyligulska風(fēng)電項目的一部分，將在烏克蘭再建造384兆瓦。此外公司在美國還獲得了新的重新供電訂單。

3、全球各大制造商也推出了幾種新的風(fēng)電葉片設(shè)計，如西門子歌美颯的SG 4.4-164大容量渦輪機和中國明陽智能能源的18-MW MySE 18.X-28X海上風(fēng)電葉片，具有140米長的葉片。2023年10月，第一臺GE13-MW Haliade-X海上風(fēng)力渦輪機，經(jīng)過3年的測試，開始在英國海岸的Dogger Bank風(fēng)電場發(fā)電。

4、2023年11月，中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司宣布了一項全新突破，使用阿科瑪Elium® 樹脂制作而成的近百米級熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片成功下線。

圖片來源：中材葉片

三、復(fù)合材料在石油和天然氣工業(yè)中的應(yīng)用

玻璃纖維是用于生產(chǎn)復(fù)合管道的最常見材料，用于將海岸鉆井站開采的石油或天然氣輸送到陸上工廠。在上世紀(jì)50年代初期，就開始將玻璃纖維用于制作玻璃鋼管道，距今已有70余年歷史。其中，1990年，殼牌公司成為世界上最大的玻璃鋼管使用商,1990年的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)時殼牌使用了世界范圍內(nèi)約35%的玻璃鋼管,也開創(chuàng)了將玻璃鋼管投入到高溫、高壓的工作環(huán)境下作業(yè)的先河。

升降管是連接海上浮動設(shè)施或鉆井平臺與水下鉆井和生產(chǎn)系統(tǒng)的管道，被認(rèn)為是最關(guān)鍵的組件，暴露在惡劣和惡劣的工作環(huán)境中承受高靜態(tài)和動態(tài)載荷。連接管道的長度和柔性對于承受潛水結(jié)構(gòu)與浮動站之間由海浪運動和海流引起的相對位移至關(guān)重要。目前研究者及公司都在開發(fā)復(fù)合材料的升降管。

例如，一個1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質(zhì)量就達(dá)6500t左右，而碳纖維復(fù)合材料密度是普通鋼材的1/4，若使用碳纖維復(fù)合材料取代部分鋼材將顯著減少鉆井平臺的載重負(fù)荷，一定程度上可以節(jié)省平臺的建造成本。美國在90年代就開始了實驗驗證，正常運行了3年-4年，平均檢泵周期達(dá)到1204天，從驗證結(jié)果來看，碳纖維抽油桿效果良好。

圖：海上鉆井平臺

在修復(fù)領(lǐng)域，復(fù)合材料被有效地應(yīng)用于修復(fù)由于化學(xué)制劑和海洋生物（如鋼筋混凝土、鋼材或木材）而受到腐蝕性海洋環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)。

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(xué)藥劑等。生產(chǎn)立管、臍帶纜等在位運行時主要承受風(fēng)、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(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。Meniconi 等針對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(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 − 壓強失效載荷包絡(luò)線。陳靖華等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)計方法。2003 年，挪威船級社發(fā)布了復(fù)合材料立管的設(shè)計規(guī)范及驗收標(biāo)準(zhǔn)。顏芳芳等考慮碳纖維復(fù)合材料的屬性特點，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 等利用有限元分析軟件對深水碳纖維復(fù)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(fù)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(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。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。

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。

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1500m水深的鉆井平臺，其鋼制系纜的質(zhì)量可達(dá)6500t左右 。

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)平臺工作水深超過 1600 m 時，復(fù)合材料系纜總成本較鋼制系纜低 (圖 4)。Jackson 等介紹了一種用于移動式海上鉆井裝置的碳纖維系泊纜。周利鋒等發(fā)明了 一種復(fù) 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 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。

五、我國海洋工程材料發(fā)展面臨的問題分析：

（1）基礎(chǔ)技術(shù)的差距

基礎(chǔ)技術(shù)的差距主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計能力和材料體系供應(yīng)體系方面。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法沒有完全建立，缺乏相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則和設(shè)計手段。高性能原材料方面則進口依賴性較強，而且長期海洋環(huán)境性能數(shù)據(jù)積累不足，影響應(yīng)用 。

（２）工程應(yīng)用的差距

工程應(yīng)用的差距主要表現(xiàn)在大型結(jié)構(gòu)的低成本制造技術(shù)方面。國內(nèi)在規(guī)?；ㄔ?、無模塊成型技術(shù)、大尺寸大厚度精確制造技術(shù)方面與 發(fā)達(dá)國家存在較大差距，結(jié)構(gòu)阻燃防火工程評價方面也缺少評價方法。在復(fù)合材料無損檢測方面，缺乏適合船舶復(fù)合材料使用的大型、大厚度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無損檢測設(shè)備和評價方法。

（３）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的差距

我國目前在海洋工程復(fù)合材料方面的技術(shù)規(guī)范、檢驗標(biāo)準(zhǔn)十分匱乏，這也嚴(yán)重制約了我國海洋工程用復(fù)合材料的發(fā)展速度。

六、提升中國海洋工程裝備制造業(yè)國產(chǎn)化率的對策建議

（一）增強自主創(chuàng)新能力，提高設(shè)備國產(chǎn)化率創(chuàng)新是引領(lǐng)海工裝備制造業(yè)發(fā)展的第一動力，增強自主創(chuàng)新能力是提高我國海工裝備國產(chǎn)化率，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要支點。提高海工裝 備制造業(yè)的自主創(chuàng)新能力，首先政府和企業(yè)應(yīng)加大對海洋工程裝備制造業(yè)的研發(fā)投入，提供更多的資金、資源和政策支持，完善海工裝備研發(fā)的科研設(shè)備和人才配備。其次，要加強技術(shù)交流，加強企業(yè)與科研機構(gòu)和高校合作交流，共享資源和技術(shù)，提高技術(shù)創(chuàng)新水平；要加強國際合作，開展聯(lián)合研發(fā)和項目合作，吸收國際領(lǐng)先的創(chuàng)新成果和技術(shù)，提高自主創(chuàng)新能力。人才資源是影響海工裝備發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，要加大人才培養(yǎng)力度。一方面，政府要制定相關(guān)政策，實施海工裝備高技能人才培養(yǎng)戰(zhàn)略，優(yōu)化創(chuàng)新環(huán)境；另一方面，海工裝備制造企業(yè)要完善高水平人才的培養(yǎng)和激勵機制，激發(fā)其自主創(chuàng)新的動力，從而培養(yǎng)出一批適應(yīng)國際競爭環(huán)境以及具有高水平自主創(chuàng)新能力的海 洋工程裝備制造業(yè)技術(shù)人才，通過自力更生，加快海工裝備關(guān)鍵技術(shù)及配套零部件的研發(fā)，逐步減少對進口的依賴，提高海工裝備的國產(chǎn)化率。

（二）加強區(qū)域合作與統(tǒng)籌，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸統(tǒng)籌規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局，解決區(qū)域發(fā)展割據(jù)問題，加強環(huán)渤海、長三角和珠三角三個產(chǎn)業(yè)基地的合 作與統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)我國海洋工程裝備制造業(yè)基地的專業(yè)分工和合理布局。一方面，充分發(fā)掘各地資源和優(yōu)勢，依據(jù)各區(qū)域的獨特優(yōu)勢，明確區(qū)域定位，因地制宜發(fā)展區(qū)域優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，避免區(qū)域性產(chǎn)業(yè)趨同。另一方面，需加大區(qū)域技術(shù)、人才以及各種資源的交流與合作，實現(xiàn)區(qū)域之間優(yōu)勢互補，構(gòu)建具有國際影響力的特色海工裝備制造基地，實現(xiàn)海工裝備制造基地效率最大化和優(yōu)勢發(fā)揮最大化，避免結(jié)構(gòu)性產(chǎn)能過剩和同業(yè)惡劣競爭。同時，面對深海研發(fā)的技術(shù)限制，三大海工裝 備基地需突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。首先，需加強與世界知名大學(xué)和科研機構(gòu)的交流與合作，通過搭建創(chuàng)新平臺、聯(lián)合培養(yǎng)技術(shù)人才、協(xié)同實施創(chuàng)新項目和共同參加國際展覽等形式，引進國外先進技術(shù)， 針對本國實際情景，自主消化吸收，彌補技術(shù)短板，逐步掌握海工裝備核心領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。其次，加快自主創(chuàng)新，研發(fā)深海工程裝備，探究適應(yīng)深海領(lǐng)域新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品，提高深海作業(yè)能力，并且加強深遠(yuǎn)海綜合科考與試驗，豐富深遠(yuǎn)海科技創(chuàng)新知識庫，打破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

（三）優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，完善配套設(shè)施 在海工裝備制造工程中，配套裝備占有較大 的份額，應(yīng)注重配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，完善配套系。然而，目前我國海工裝備配套設(shè)施對外依賴度高，關(guān)鍵配套設(shè)施自主研發(fā)能力弱。為解決 問題，我國海工裝備制造業(yè)應(yīng)重視配套設(shè)施的技術(shù)研發(fā)，逐步從中低端向高端跨越，完善配套產(chǎn)業(yè)。