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       一、海洋工程裝備簡介

       海洋工程裝備是開發(fā)、利用和保護海洋所使用的各類裝備的總稱，其上游包括海工裝備設(shè)計、主要材料及涂料、配套零件及系統(tǒng)；中游包括生產(chǎn)裝備、輔助設(shè)備、鉆井平臺；下游應用于海洋工程項目總包、海洋能源開發(fā)工程建筑、海洋油氣資源勘探開采、海上油田開采、油田工作及輔助性工作等。

       二、海洋裝備有以下多種類型：

       1、新型動力船舶：隨著大氣污染和水污染防治工作的不斷深化，能有效減少船舶污染物排放的LNG、氫能、氨氣、動力電池等新型動力船正受到越來越多的關(guān)注。

       2、大型郵輪等高端船舶：大型郵輪是船舶工業(yè)“皇冠上的最耀眼的明珠”，郵輪產(chǎn)業(yè)鏈的形成是以郵輪作為主要載體，以休閑、觀光、游玩等為具體內(nèi)容，以船舶制造、交通運輸、游覽觀光、后勤保障、餐飲購物、港口服務(wù)和銀行保險等行業(yè)構(gòu)成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。

       3、深海資源勘探和開發(fā)裝備：國際海底擁有豐富的礦產(chǎn)資源，以多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷鐵錳結(jié)核為主。近年來，美國、加拿大、英國等一些國家的深海礦業(yè)公司正在加緊采礦技術(shù)研發(fā)。國際海底礦產(chǎn)資源勘探加速，商業(yè)性開采時代或?qū)砼R，這將為深遠?？碧酱?、探礦船、鉆采設(shè)備、鉆井平臺等海洋裝備提供巨大機遇。

       4、海上風能源開發(fā)裝備：海上風電產(chǎn)業(yè)鏈，以海上風電場規(guī)劃及裝備需求為契機，需要有海上浮式風電裝備總體方案，突破海上浮式風電裝備的總體設(shè)計及關(guān)鍵系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)。大功率風機已成為海上風電未來的發(fā)展方向，運輸?shù)跹b運維設(shè)備和船舶進一步專業(yè)化。

       5、海上清潔能源裝備：如海上LNG發(fā)電裝備、海上制氫裝備等。

       三、復合材料正快速滲透到海洋裝備的方方面面

       1、復合材料在船舶領(lǐng)域應用優(yōu)勢

       船舶、潛水器、近海結(jié)構(gòu)和其他海洋結(jié)構(gòu)部件都面臨著相關(guān)的環(huán)境挑戰(zhàn)。因此，通常會考慮具有較高抗性且長時間幾乎不需要維護或無需維護的材料。此外，對于船舶來說，重量輕和耐腐蝕性是必須的，以滿足設(shè)計要求，并能快速且可靠地運行。復合材料，特別是纖維增強聚合物（FRP），自二戰(zhàn)后早期應用以來已廣泛應用于海洋工業(yè)，當時設(shè)計復合材料是為了克服鋼、鋁和木材的腐蝕問題。減重過去是，現(xiàn)在仍然是一個關(guān)鍵方面，特別是對于商船的上部重量而言。多年來，復合材料不斷發(fā)展，以滿足海洋領(lǐng)域不斷增長和變化的需求，在制造格柵、管道、軸、管道和船體外殼等綜合元件方面仍有相關(guān)應用。迄今為止，復合材料已用于海洋領(lǐng)域的所有區(qū)域以及各種部件和結(jié)構(gòu)，即船體、軸承、螺旋槳、艙口蓋、排氣裝置、上部結(jié)構(gòu)、天線罩、聲納罩、欄桿、各類船舶、閥門和其他海底結(jié)構(gòu)。近年來，由復合材料制成的競賽動力艇因持久的高性能和安全性變得越來越常見。

       2、復合材料在深海資源勘探領(lǐng)域的應用

       復合材料在深海資源勘探領(lǐng)域有廣泛應用，以下是一些常見的應用場景和相關(guān)復合材料的特點：

       1）臍帶式管纜和系纜：碳纖維復合材料（CFRP）具有彎曲剛性高、極限強度大、耐腐蝕性強等優(yōu)點，可用于近海石油平臺的結(jié)構(gòu)件，如臍帶式管纜和系纜。相比鋼制繩索和管子，其重量更輕，可減少平臺漂浮尺寸和消耗，且無需周期性檢修和維護。

       2）立管：傳統(tǒng)鋼制立管在深海環(huán)境中面臨腐蝕和重量等問題，而 CFRP 立管具有更好的耐腐蝕性和輕質(zhì)高強的特性，能夠適應深海的惡劣條件。

       3）可卷繞復合材料管：這種管材具備柔韌性和抗腐蝕性，便于在深海作業(yè)中進行鋪設(shè)和使用。

       4）形狀感應氈：可用于監(jiān)測和感知深海結(jié)構(gòu)的形狀變化，有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。

       5）鉆井管：例如碳纖維復合材料制成的連續(xù)抽油桿，解決了鋼制抽油桿在作業(yè)中因管外海水壓力與管內(nèi)壓力不平衡而引起的疲勞斷裂問題。其在海水中使用壽命更長，且更耐腐蝕，適合海底油田開發(fā)。

       6）復合材料容器：可用于存儲和運輸深海資源，耐高溫高壓，具有良好的安全性和可靠性。

       7）水下機器人：采用復合材料制成的水下機器人，如“洞察”號自主水下機器人，具有體積小、續(xù)航力強的特點。它安裝了深海自適應浮力均衡技術(shù)模塊和深海照相機，能在水下高效長距離航行，靈活執(zhí)行近底精細調(diào)查任務(wù)，可提高海底礦區(qū)資源和生物分布調(diào)查效率。

       此外，在海洋平臺建設(shè)中，復合材料能夠抵抗海水的腐蝕和海洋氣候的侵蝕，延長海洋平臺的使用壽命并降低維護成本。隨著技術(shù)的不斷進步，復合材料在深海資源勘探領(lǐng)域的應用有望進一步拓展和深化，為深?？碧胶烷_發(fā)提供更可靠、高效的解決方案。同時，納米纖維增韌膜等技術(shù)的發(fā)展也有助于提高復合材料的性能，使其在深海環(huán)境中表現(xiàn)更加出色。不過，復合材料的應用也需要充分考慮其成本、制造工藝、長期穩(wěn)定性等因素，以確保在深海資源勘探中的安全性和經(jīng)濟性。

       3、復合材料在海上風能領(lǐng)域的應用

       1）風機葉片：風機葉片是海上風力發(fā)電的關(guān)鍵部件之一。使用玻璃纖維、碳纖維等增強材料與樹脂基體復合而成的材料，具有比強度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點，可以制造出更長、更輕且能在惡劣海洋環(huán)境下可靠運行的葉片。例如，碳纖維增強復合材料具有耐腐蝕、耐疲勞等特性，可用于制造性能更優(yōu)的風機葉片。

       2）導管架基礎(chǔ)接頭：海上風電機組的導管架基礎(chǔ)接頭處通常面臨復雜的載荷和環(huán)境條件。荷蘭的 Tree Composites 公司開發(fā)的玻璃纖維增強塑料（GFRP）復材接頭，取代了傳統(tǒng)的焊接接頭，顯著降低了運行前排放，并將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制造吞吐量提高了100%，同時優(yōu)化了結(jié)構(gòu)性能，防止了化學腐蝕。這種復合材料接頭通過載荷路徑優(yōu)化形狀減少了構(gòu)件界面處的應力集中，抗疲勞性能得到顯著提高，還能減少高達60%的鋼材需求，使導管架基礎(chǔ)的碳足跡減少30-50%。

       3）芯核材料：葉片芯核對于渦輪機葉片的剛度起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的端粒巴沙木是一種常用的芯核材料，其具有環(huán)境友好、強度和剛度高的特點。此外，通過利用回收的熱塑性塑料（如大部分由回收 PET 瓶制成的 Kerdyn PET 結(jié)構(gòu)芯核）代替不可回收的熱固性材料，可在保證性能的同時更加環(huán)保。例如固瑞特（Gurit）公司采用回收 PET 制成的芯核材料，其在平衡耐熱性、力學性能和成本方面具有優(yōu)勢，并且可以回收任何生產(chǎn)廢料以制成新的泡沫芯核材料。

       隨著技術(shù)的不斷進步，復合材料在海上風能領(lǐng)域的應用有望進一步拓展和優(yōu)化，以提高海上風力發(fā)電的效率、可靠性和可持續(xù)性。同時，對于復合材料的長期穩(wěn)定性、可回收性等方面的研究也在不斷深入，以應對未來海上風能發(fā)展的更多挑戰(zhàn)和需求。

       4、在海上清潔能源裝備開發(fā)中的應用：

       a、海上光伏平臺：例如“集林一號”海上光伏平臺在國內(nèi)首次采用聯(lián)合研發(fā)的新型復合材料作為主材。這種新型生物基材料與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比，具有重量更輕、成本更低、耐海水腐蝕、使用壽命更長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，可提高海上光伏項目的光照利用效率和發(fā)電量。

       b、海洋平臺組件：如柱管（從平臺向下延伸到水面以下以供應海水的管）和消防水系統(tǒng)等。復合材料的抗腐蝕性能意味著多年的免維護服務(wù)，其生命周期成本節(jié)省可高達70％。

       c、在海上 LNG 發(fā)電裝備中的應用

       1）儲存罐體：復合材料那可是具有超級棒的耐低溫性能和抗腐蝕性能呢，完全可以用來制造 LNG 的儲存罐體，穩(wěn)穩(wěn)地確保 LNG 在低溫下能夠安全儲存！

       2）管道系統(tǒng)：能夠大大減輕管道的重量，同時還擁有出色的耐低溫和抗腐蝕特性，為 LNG 的輸送安全提供穩(wěn)穩(wěn)的保障！

       3）結(jié)構(gòu)部件：像支撐結(jié)構(gòu)和框架等等，復合材料高強度和輕量化的特點那可真是太厲害啦，有助于減輕整體裝備的重量，讓裝備的穩(wěn)定性和可操作性蹭蹭往上漲！

       d、在海上制氫裝備中的應用：

       1）電解槽部件：部分復合材料能夠大顯身手，用于制造電解槽中的關(guān)鍵部件，比如電極支架等，因為它有著良好的化學穩(wěn)定性和導電性，對提高電解效率和設(shè)備的使用壽命幫助可大啦！

       2）氣體分離膜：一些特殊的復合材料能夠化身成為氣體分離膜，特別有效地分離氫氣和其他氣體，讓氫氣的純度變得高高的！

       3）防護外殼：為設(shè)備提供強有力的防護，勇敢地抵御海洋環(huán)境中的腐蝕、沖擊和磨損！總之，復合材料的應用為海上 LNG 發(fā)電裝備和海上制氫裝備的性能提升、可靠性增強以及適應海洋復雜環(huán)境提供了強大有力的支持！隨著材料科學不停地向前發(fā)展，它的應用前景一定會更加燦爛廣闊，充滿無限可能！總之，纖維復合材料在海洋工程裝備領(lǐng)域正在快速滲透。（來源：網(wǎng)絡(luò)）

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