传统的海洋结构与装备材料以高强度钢为主，但是随着海洋资源的开发逐渐从浅水走向深水，对结构与装备轻质、防腐、抗疲劳等要求越来越高，亟需新材料的应用。

复合材料的优势给海洋工程产业建造提供了新思路。目前，碳纤维材料在海洋管缆、锚泊系统、风机叶片、耐压舱以及装备修复等领域应用越来越广泛。

# 碳纤维在海洋管缆的应用

海洋石油、天然气等资源深水及超深水的一般开发模式是上部浮式装置 + 底部水下生产系统，连接浮式装置与水下生产系统的管缆包括生产立管、脐带缆等，生产立管的主要作用是输送油气资源等介质，脐带缆的主要作用是为水下设备提供电、液控制信号以及化学药剂等。生产立管、脐带缆等在位运行时主要承受风、浪、流的作用，设计时需要考虑其抗拉、抗弯、抗扭、疲劳等力学性能。

生产立管主要有钢管和柔性立管，柔性立管是一种多层复合结构，典型的结构包括外保护层、铠装层、骨架层和内衬层。相比于钢管，柔性立管的刚度较小，更适用于深水油气资源的开发。但是，随着开采深度的进一步增加 (如巴西、美国油气开采最大水深为 3000 m)，柔性立管中的钢制结构重量不容忽视，容易出现由于自身重量增加引起的拉断失效。

碳纤维材料因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能，应用于柔性立管中 (图 3(a))，可以在满足强度要求的同时，大大减轻自重。Meniconi 等针对1000 m 张力腿用生产立管，用 ±20◦ 碳纤维层合材料和环向玻璃纤维复合材料作为复合结构层，依据相关破坏准则确定了复合结构层的壁厚，分析了整体结构的轴向拉伸 − 压强失效载荷包络线。陈靖华等基于可靠性理论和结构优化方法，提出了碳纤维复合材料输气管道的结构设计方法。2003 年，挪威船级社发布了复合材料立管的设计规范及验收标准。颜芳芳等考虑碳纤维复合材料的属性特点，建立了按照限定应变准则确定复合材料安全系数的分析模型。Amaechi 等利用有限元分析软件对深水碳纤维复合材料立管进行了应力分析，研究了不同受载状况下整体结构的安全系数，并对整体结构的主要参数进行了一定优化。

脐带缆是水下控制系统的关键组成部分，截面复杂，含有多个功能单元，在上部设施和水下生产系统之间传递液压、电力、控制信号、化学药剂等。深水脐带缆中一般含有钢制抗拉铠装层 (偶数，螺旋角度相反)，但是随着水深的增加，脐带缆中钢制铠装层由于自重太大容易造成脐带缆拉断失效。可应用碳纤维增强杆代替钢制铠装层来为脐带缆提供拉力，在满足强度的同时自重也极大地减小。将碳纤维复合材料应用于海洋管缆既可以满足管缆的轻量化要求，又可以提高结构强度。但是，碳纤维管缆在海洋复杂环境下的耐久性需要长时间的工程实践。另外，碳纤维管缆制造成本相比钢制管缆有所提高，但从安装、运营等全寿命周期成本来考虑的话，整体成本将会降低。

目前，水合物及矿产资源开采软管、LNG 低温软管、CO2 注入软管、油气卸载漂浮软管等，对刚度、耐腐及轻量化也具有很高的需求，碳纤维在这些软管中的应用同样具有广阔的前景。

#  碳纤维在系泊系统中的应用

在深海油田开采中，受风、浪、流的影响，开采 平台在海面上容易变得不稳定，而系泊系统的主要 作用就是将开采平台在对应位置进行固定。

传统的 系泊系统基本为钢制结构，钢材料在海水中易腐蚀， 平均使用寿命短，且后期维护成本较高。 此外，随 着开采深度的增加，钢制结构重量增加明显，如一 个  1500 m  水深的钻井平台，其钢制系缆的质量可达 6500 t  左右 。

复合材料力学性能优异，耐腐蚀性好，利用复合 材料代替传统钢制系泊，可有效减轻系缆自身重量 并有效减缓海 水腐蚀，延长使用寿命。当平台工作水深超过 1600 m 时，复合材料系缆总成本较钢制系缆低 (图 4)。Jackson 等介绍了一种用于移动式海上钻井装置的碳纤维系泊缆。周利锋等发明了 一种复 合材料锚链结构，整个锚链由环形单元链接 组成，环形单元外层材料和内填充材料分别为碳纤 维和玻璃纤维。 Luz  等 分析了碳纤维螺旋杆系泊 系统在拉伸和弯曲载荷作用下的力学特性，证明碳 纤维系泊缆相比传统结构具有更大的拉断力和更小 的曲率半径  ( 图  5) 。

但是，碳纤维属于黏弹性材料， 在张力及循环载荷下需要考虑动态黏弹性及蠕变性， 碳纤维系泊瞬时张力特性与长期张力特性均不同于 钢制系泊缆，在设计及分析时需着重考虑。

#  碳纤维在耐压舱中的应用

耐压舱是深潜器、滑翔机等水下设备的核心部 件，其主要设计目标是既要有足够的结构力学性能， 还要有尽可能小的容重比 。 将碳纤维应用于耐压 舱，可使整体结构具有工作深度大、重量轻、容重比 小等优点。

20 世纪 90 年代，美国使用碳纤维对深潜器的原 始结构进行优化，实现了与之对应水下搜索系统的更 新升级，使用状况显示在满足结构浮力要求的同时， 容重比明显减小，并且下潜深度可达  6096 m 。

2013 年，美国  Ocean Gate  公司推出载人深潜器  Cyclops 研发计划，计划包含两种型号的深潜器，包括  Cy clops I  和  Cyclops II  两种。 其中， Cyclops I  使用碳纤 维作为船体外壳，潜深  500 m ； Cyclops II  使用碳纤 维和钛合金两种材料，实际潜深  4000 m ( 图  6) 。

英国南安普顿海洋研究中心研制的鱼雷形自主式水 下机器人  (AUV)AUTOSUB  号，将碳纤维制造成圆 柱壳用作潜水器的耐压舱，结合钛合金做成密封端 盖，在保证潜水器有剩余浮力的同时，也减轻了耐 压结构的重量，实际下潜深度  6000 m 。

2017 年 3月，由沈阳自动化研究所研制的 “海翼 7000” 水下滑翔机在马里亚纳海沟进行深海科学考察任务，滑翔机的耐压结构诸多部件使用碳纤维，这次科学考察任务中滑翔机的最大连续工作深度为 6239 m，创造了多项世界纪录 (图 7) 。2021 年西北工业大学潘光教授团队研究了碳纤维耐压柱体屈曲失效机理，分析了不同厚度及椭圆度的碳纤维柱体抗屈曲性能。

#  碳纤维在海洋清洁能源结构与装备中的应用

从图 1 可以看出，2020 年风机叶片碳纤维需求 占全球碳纤维需求的比例最高。 我国海上风资源丰 富， 2020  年提出  “ 碳中和 ” 、 “ 碳达标 ”  的发展目标 后，海上风电能作为一种绿色能源迅速发展。 2020 年，风电叶片碳纤维用量高达  3.06  万吨，占全球碳 纤维用量的  30.602 9% ， “ 十四五 ”  期间风电叶片对碳 纤维需求依然强劲，预计到  2025  年可达  9.3  万吨以 上 。

随着风机制造加工及配套技术的发展，风机 功率会增大，叶片尺寸随之会变大。 据测算， 40 m  以 上的风电叶片中关键结构如梁帽、主梁使用碳纤维 复合材料可使叶片自重减少  38% ，成本降低  4% 。

未 来风机单机容量逐渐增大，风机叶片的长度也逐渐 加大，碳纤维已成为必然选择 。 风机叶片不同位置所受载荷不同，根据不同位 置的受力情况及失效形式，可以在叶片不同位置使 用不同的材料。

碳纤维复合材料的刚度是玻璃纤维 复合材料的  2  ～  3  倍，密度也较玻璃纤维小，一般可 应用于风机中梁的制造。 如图  8  所示，叶片主梁、前 缘、后缘一般采用碳纤维复合材料，在外壳等部分 一般采用玻璃纤维复合材料 。 混合复合材料是 将两种或两种以上的材料增强到基体材料中，从而 使最终产品具有所涉及材料的最好性能而获得的复 合材料，如世界上最长之一的风机叶片由玻璃 / 碳混 合增强材料制成 。

除此之外，纳米工程复 合材料 是复合材料制造领域最新的研究，将纳米增强体添 加到基体中以获得更好的复合性能。 Merugula  等 发现玻璃纤维复合材料叶片中增加  1%  ～  5%  的纳米 碳纤维后，叶片的拉伸应力及寿命均得到了提高。

海上制氢技术是清洁能源发展的重要内容。氢 气在常温常压下的体积能量密度很低，储氢技术是 氢能源发展的关键技术。 金属在氢气环境中容易发 生氢脆，而碳纤维材料则可避免此种损伤，新能源汽 车中采用碳纤维材料的储氢瓶发展迅速，可为海上储 氢装置提供重要参考。

2002  年，德国  Lincoln Com posites  公司的高密度聚乙烯内胆碳纤维全缠绕高压 储氢气瓶工作压力可达  95 MPa ，加拿大  Dynetek 公司生产的铝胆碳纤维全缠绕结构，具备  70 MPa  的 高压储氢能力 ，而我国目前的压力水平也初步达 到  70 MPa  的生产能力 ( 图  9) 。

IACMI-  复合材料研 究所于  2020  年从美国能源部  (DOE)  获得  270  万美 元，用于开发和验证新的碳纤维技术，该技术将使制 造高性能碳纤维的成本降低  25% ，以制造复合材料 天然气或氢燃料箱，为汽车和卡车提供动力 。

2021 年，郭巍等 对碳纤维储气罐进行仿真分析，考虑 多种影响因素  ( 包括碳纤维缠绕层数、碳纤维缠绕角 度、玻璃纤维缠绕层数和玻璃纤维缠绕单层厚度 )  对 整体结构进行优化。

除了储氢瓶中的应用，碳纤维在氧气罐和其他 压力容器中也有较大的应用，我国压力容器行业碳 纤维需求量占世界需求量  17% ，但是受限于国内工 艺水平，压力容器用碳纤维主要依靠进口。

碳纤维在海洋结构修复补强作业中的应用 海洋结构物在复杂恶劣的海洋环境下工作，长 期受工作载荷和环境载荷的作用，在其服役期间不 可避免地会出现结构缺陷，比如疲劳裂纹、腐蚀缺 陷等。

碳纤维复合材料凭借其密度小、强度高、耐 腐蚀、施工方便、疲劳性能良好及不影响结构完整 性等优点，已被广泛应用到海洋结构物的修复补强 作业。 陈团海等 建立了碳纤维修复含裂纹导管 架平台的力学模型。 QinetiQ  公司对在挪威服役的某 浮式生产储油卸油装置  (flfloating production storage and offlfflffloading ， FPSO)  出现的大约  60 mm  长裂纹的 舱壁通过碳纤维材料进行了修复 ( 图  10) 。 Zhang 等 研究了碳纤维修复平台中含裂纹钢板的力学 模型，建立了界面应力的理论表达式及界面失效预 测模型。 Zhang  等 研究了碳纤维修复腐蚀缺陷 海洋管道在载荷  −  温度  −  海水浸泡作用下的耐久 性，讨论了碳纤维修复结构耐久性与碳纤维材料本 身以及碳纤维  −  金属界面性能衰减规律之间的关系 ( 图  11) 。 Alrsai  等 研究了碳纤维材质的海洋 管道防压溃装置的可行性， 综合对比分析了碳纤 维防压溃装置和传统的滑动式或整体式防压溃装 置。 Elchalakani  等 研究了使用碳纤维布加固修复 管道在三点弯曲和直接压痕作用下的变形规律，分 析了壁厚的腐蚀穿透、沿管道的腐蚀程度、碳纤维布 的类型等参数的影响。

采用碳纤维修复含有腐蚀、裂 纹等缺陷的海洋结构，不仅可以提高结构的极限承 载力，还可以抑制缺陷继续发展，提高结构的剩余疲 劳寿命，但是，修复后的结构具有多种材料界面，复 杂的海洋环境  ( 温度循环、静载荷、动载荷等 )  下容 易发生界面损伤，可采用声发射、图像处理等技术进 行监测。

文章来源 | 力学与实践

             《碳纤维在海洋结构与装备中的应用与挑战》

               张   玉，邓   欣，张飞凡，张   朋，郭玉晗

全文详见报告原文