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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(hù)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(jì)、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(tái)；下游應(yīng)用于海洋工程項(xiàng)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(dòng)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(dòng)力電池等新型動(dòng)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(yùn)輸、游覽觀光、后勤保障、餐飲購物、港口服務(wù)和銀行保險(xiǎn)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(shí)代或?qū)砼R，這將為深遠(yuǎn)?？碧酱?、探礦船、鉆采設(shè)備、鉆井平臺(tái)等海洋裝備提供巨大機(jī)遇。

       4、海上風(fēng)能源開發(fā)裝備：海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，以海上風(fēng)電場規(guī)劃及裝備需求為契機(jī)，需要有海上浮式風(fēng)電裝備總體方案，突破海上浮式風(fēng)電裝備的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)。大功率風(fēng)機(jī)已成為海上風(fēng)電未來的發(fā)展方向，運(yùn)輸?shù)跹b運(yùn)維設(shè)備和船舶進(jìn)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(fù)合材料正快速滲透到海洋裝備的方方面面

       1、復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域應(yīng)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(huì)考慮具有較高抗性且長時(shí)間幾乎不需要維護(hù)或無需維護(hù)的材料。此外，對(duì)于船舶來說，重量輕和耐腐蝕性是必須的，以滿足設(shè)計(jì)要求，并能快速且可靠地運(yùn)行。復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)聚合物（FRP），自二戰(zhàn)后早期應(yīng)用以來已廣泛應(yīng)用于海洋工業(yè)，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)復(fù)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(gè)關(guān)鍵方面，特別是對(duì)于商船的上部重量而言。多年來，復(fù)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(yīng)用。迄今為止，復(fù)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(fù)合材料制成的競賽動(dòng)力艇因持久的高性能和安全性變得越來越常見。

       2、復(fù)合材料在深海資源勘探領(lǐng)域的應(yīng)用

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

       1）臍帶式管纜和系纜：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有彎曲剛性高、極限強(qiáng)度大、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于近海石油平臺(tái)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(tái)漂浮尺寸和消耗，且無需周期性檢修和維護(hù)。

       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(qiáng)的特性，能夠適應(yīng)深海的惡劣條件。

       3）可卷繞復(fù)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(jìn)行鋪設(shè)和使用。

       4）形狀感應(yīng)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(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題。

       5）鉆井管：例如碳纖維復(fù)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(fù)合材料容器：可用于存儲(chǔ)和運(yùn)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(jī)器人：采用復(fù)合材料制成的水下機(jī)器人，如“洞察”號(hào)自主水下機(jī)器人，具有體積小、續(xù)航力強(qiáng)的特點(diǎn)。它安裝了深海自適應(yīng)浮力均衡技術(shù)模塊和深海照相機(jī)，能在水下高效長距離航行，靈活執(zhí)行近底精細(xì)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(tái)建設(shè)中，復(fù)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(tái)的使用壽命并降低維護(hù)成本。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料在深海資源勘探領(lǐng)域的應(yīng)用有望進(jìn)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(shí)，納米纖維增韌膜等技術(shù)的發(fā)展也有助于提高復(fù)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(fù)合材料的應(yīng)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(jì)性。

       3、復(fù)合材料在海上風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用

       1）風(fēng)機(jī)葉片：風(fēng)機(jī)葉片是海上風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵部件之一。使用玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料與樹脂基體復(fù)合而成的材料，具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以制造出更長、更輕且能在惡劣海洋環(huán)境下可靠運(yùn)行的葉片。例如，碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(fēng)機(jī)葉片。

       2）導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭：海上風(fēng)電機(jī)組的導(dǎo)管架基礎(chǔ)接頭處通常面臨復(fù)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(qiáng)塑料（GFRP）復(fù)材接頭，取代了傳統(tǒng)的焊接接頭，顯著降低了運(yùn)行前排放，并將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制造吞吐量提高了100%，同時(shí)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)性能，防止了化學(xué)腐蝕。這種復(fù)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(yīng)力集中，抗疲勞性能得到顯著提高，還能減少高達(dá)60%的鋼材需求，使導(dǎo)管架基礎(chǔ)的碳足跡減少30-50%。

       3）芯核材料：葉片芯核對(duì)于渦輪機(jī)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(qiáng)度和剛度高的特點(diǎn)。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(shí)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(xué)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(jìn)步，復(fù)合材料在海上風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用有望進(jìn)一步拓展和優(yōu)化，以提高海上風(fēng)力發(fā)電的效率、可靠性和可持續(xù)性。同時(shí)，對(duì)于復(fù)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(yīng)對(duì)未來海上風(fēng)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(yīng)用：

       a、海上光伏平臺(tái)：例如“集林一號(hào)”海上光伏平臺(tái)在國內(nèi)首次采用聯(lián)合研發(fā)的新型復(fù)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(xiàng)目的光照利用效率和發(fā)電量。

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

       c、在海上 LNG 發(fā)電裝備中的應(yīng)用

       1）儲(chǔ)存罐體：復(fù)合材料那可是具有超級(jí)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(chǔ)存罐體，穩(wěn)穩(wěn)地確保 LNG 在低溫下能夠安全儲(chǔ)存！

       2）管道系統(tǒng)：能夠大大減輕管道的重量，同時(shí)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(fù)合材料高強(qiáng)度和輕量化的特點(diǎn)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(yīng)用：

       1）電解槽部件：部分復(fù)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?yàn)樗兄己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，對(duì)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(fù)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(hù)外殼：為設(shè)備提供強(qiáng)有力的防護(hù)，勇敢地抵御海洋環(huán)境中的腐蝕、沖擊和磨損！總之，復(fù)合材料的應(yīng)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(qiáng)以及適應(yīng)海洋復(fù)雜環(huán)境提供了強(qiáng)大有力的支持！隨著材料科學(xué)不停地向前發(fā)展，它的應(yīng)用前景一定會(huì)更加燦爛廣闊，充滿無限可能！總之，纖維復(fù)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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