复合材料在海洋工程中的应用以及未来发展

21世纪是海洋的世纪，加快海洋资源的开发和利用已成为世界各国经济发展的战略方向。水上船舶、潜水器、海上结构和其他海洋结构组件都面临着严峻的环境挑战。因此，通常会考虑具有高度抗性并且需要长时间几乎不需要维护的材料。此外，轻量化和耐腐蚀性对于船舶来说是必要的，以满足设计要求并实现速度和可靠性。复合材料，特别是纤维增强聚合物（FRP），自二战后早期应用以来，在海洋工业中得到了广泛应用，当时复合材料旨在克服钢铁、铝和木材所遇到的腐蚀问题。减重一直是一个关键方面，尤其是商用船舶顶部重量的减轻。多年来，为了满足海洋行业不断增长和多变的需求，复合材料已经得到发展，仍然在制造各种合成元素方面发挥着重要作用，包括格栅、管道、轴、管道和船体壳体。迄今为止，复合材料被应用于海洋行业的所有领域，用于各种组件和结构，包括船身、轴承、螺旋桨、舱口盖、排气口、船体结构、雷达罩、声纳罩、栏杆、各种类型的船只、阀门和其他海底结构。近年来，由复合材料制成的赛艇越来越普遍，以实现持久高性能和安全性。

一、复合材料在船体、船舶和潜艇中的应用

盐和腐蚀性海水对水上船舶和结构特别具有破坏性。考虑到复合材料抗腐蚀和疲劳的能力，通过在特定部件中使用热固性复合材料，如固定件和连接器，可以显著减少维护需求。

航海工业经历了明显的技术进步，如今，船体的制造基于最新一代生产系统。先进复合材料的引入在船只和船舶制造中代表了一个里程碑式的创新。更坚硬的船体和甲板是船舶工业采用复合夹层结构的主要应用领域。此外，在海洋夹层结构中，芳纶、碳素和玻璃 FRP 材料通常用作包裹外层，取代金属。聚合物泡沫材料（如聚苯乙烯和聚氯乙烯（PVC））和蜂窝结构主要用作芯材。将芳纶纤维（如凯夫拉）或碳纤维与高品质树脂和超轻芯材（如诺迈克司）结合起来，制造出具有无与伦比机械性能和尺寸的船只。

应用案例：“短剑”高速隐形快艇拥有美国使用碳纤维合成材料一次成型制造的最大船体，整个生产过程中没有使用一枚钉子、铆钉，而且不用焊接，因此它的外表十分光滑，重量大大降低，同时其磁信号特征也非常小，不易触发水雷。

2004年及2008年，中国分别建造了采用复合材料的大型船只，有代表性的是“舷梯号”船采用GFRP材料建造，展现了复合材料在船舶制造领域的快速发展和应用拓展。

1.船体结构

船体结构是船舶的重要组成部分，对于船只的航行安全和性能具有至关重要的作用。传统的船体结构多为金属材料，如钢铁、铝等，但随着复合材料的出现，越来越多的船只开始采用复合材料作为船体结构的主要材料。复合材料在船体结构中的应用可以显著降低船只的重量，从而提高航速和减少能耗。同时，复合材料还具有良好的耐腐蚀性能，可以延长船只的使用寿命。

2.船舶推进系统

船舶推进系统是船只航行的动力来源，其性能直接关系到船只的航行效率和能耗。复合材料在船舶推进系统中的应用主要体现在螺旋桨上。复合材料螺旋桨具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，可以显著提高螺旋桨的推进效率，降低能耗。同时，复合材料螺旋桨还可以减少船只的振动和噪音，提高船只的舒适性和稳定性。

3.船舶设备

船舶设备是船只航行和作业所必需的装备，如发动机、发电机、导航设备等。复合材料在船舶设备中的应用可以显著提高设备的性能和寿命。例如，复合材料制成的发动机部件具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，可以提高发动机的效率和寿命。此外，复合材料还可以用于制造船舶中的管道、阀门等配件，具有优异的耐腐蚀和耐磨性能。

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 。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 。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。

二、用于海洋可再生能源的纤维增强复合材料

“海洋可再生能源系统”范畴包括安装在海洋环境中、利用波浪、洋流、潮汐、盐度和温度梯度以及风能的能量的设备和工厂。在这些技术中，潮流能、波动能和近海风力代表了最成熟的技术，其中玻璃和碳纤维增强复合材料得到越来越多的应用。

2023年，全球行业制造商就发布了许多与复合材料风电叶片有关的新进展，主要包括如下：

1、法国通用电气可再生能源公司延长了与美国风电叶片制造商TPI Composites公司的供应协议，并同意在TPI位于墨西哥华雷斯的工厂增加四条新的叶片生产线。

2、丹麦维斯塔斯公司公布了新的合作伙伴关系，如签署了一份谅解备忘录作为乌克兰基辅DTEK Tyligulska风电项目的一部分，将在乌克兰再建造384兆瓦。此外公司在美国还获得了新的重新供电订单。

3、全球各大制造商也推出了几种新的风电叶片设计，如西门子歌美飒的SG 4.4-164大容量涡轮机和中国明阳智能能源的18-MW MySE 18.X-28X海上风电叶片，具有140米长的叶片。2023年10月，第一台GE13-MW Haliade-X海上风力涡轮机，经过3年的测试，开始在英国海岸的Dogger Bank风电场发电。

4、2023年11月，中材科技风电叶片股份有限公司宣布了一项全新突破，使用阿科玛Elium® 树脂制作而成的近百米级热塑性复合材料风电叶片成功下线。

阿科玛Elium® 树脂制成的近百米级热塑性复合材料风电叶片成功下线（图片来源：中材叶片）

三、复合材料在石油和天然气工业中的应用

玻璃纤维是用于生产复合管道的最常见材料，用于将海岸钻井站开采的石油或天然气输送到陆上工厂。在上世纪50年代初期，就开始将玻璃纤维用于制作玻璃钢管道，距今已有70余年历史。其中，1990年，壳牌公司成为世界上最大的玻璃钢管使用商,1990年的数据显示,当时壳牌使用了世界范围内约35%的玻璃钢管,也开创了将玻璃钢管投入到高温、高压的工作环境下作业的先河。

升降管是连接海上浮动设施或钻井平台与水下钻井和生产系统的管道，被认为是最关键的组件，暴露在恶劣和恶劣的工作环境中承受高静态和动态载荷。连接管道的长度和柔性对于承受潜水结构与浮动站之间由海浪运动和海流引起的相对位移至关重要。目前研究者及公司都在开发复合材料的升降管。

例如，一个1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量就达6500t左右，而碳纤维复合材料密度是普通钢材的1/4，若使用碳纤维复合材料取代部分钢材将显著减少钻井平台的载重负荷，一定程度上可以节省平台的建造成本。美国在90年代就开始了实验验证，正常运行了3年-4年，平均检泵周期达到1204天，从验证结果来看，碳纤维抽油杆效果良好。

图：海上钻井平台

在修复领域，复合材料被有效地应用于修复由于化学制剂和海洋生物（如钢筋混凝土、钢材或木材）而受到腐蚀性海洋环境影响的结构。

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1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量可达6500t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。

五、我国海洋工程材料发展面临的问题分析：

（1）基础技术的差距

基础技术的差距主要表现在结构设计能力和材料体系供应体系方面。复合材料的结构设计方法没有完全建立，缺乏相应的设计规则和设计手段。高性能原材料方面则进口依赖性较强，而且长期海洋环境性能数据积累不足，影响应用。

（２）工程应用的差距

工程应用的差距主要表现在大型结构的低成本制造技术方面。国内在规模化建造、无模块成型技术、大尺寸大厚度精确制造技术方面与 发达国家存在较大差距，结构阻燃防火工程评价方面也缺少评价方法。在复合材料无损检测方面，缺乏适合船舶复合材料使用的大型、大厚度复杂结构的无损检测设备和评价方法。

（３）规范标准的差距

我国目前在海洋工程复合材料方面的技术规范、检验标准十分匮乏，这也严重制约了我国海洋工程用复合材料的发展速度。

六、提升中国海洋工程装备制造业国产化率的对策建议

（一）增强自主创新能力，提高设备国产化率创新是引领海工装备制造业发展的第一动力，增强自主创新能力是提高我国海工装备国产化率，实现高质量发展的重要支点。提高海工装 备制造业的自主创新能力，首先政府和企业应加大对海洋工程装备制造业的研发投入，提供更多的资金、资源和政策支持，完善海工装备研发的科研设备和人才配备。其次，要加强技术交流，加强企业与科研机构和高校合作交流，共享资源和技术，提高技术创新水平；要加强国际合作，开展联合研发和项目合作，吸收国际领先的创新成果和技术，提高自主创新能力。人才资源是影响海工装备发展的基础性资源，要加大人才培养力度。一方面，政府要制定相关政策，实施海工装备高技能人才培养战略，优化创新环境；另一方面，海工装备制造企业要完善高水平人才的培养和激励机制，激发其自主创新的动力，从而培养出一批适应国际竞争环境以及具有高水平自主创新能力的海 洋工程装备制造业技术人才，通过自力更生，加快海工装备关键技术及配套零部件的研发，逐步减少对进口的依赖，提高海工装备的国产化率。

（二）加强区域合作与统筹，突破关键技术瓶颈统筹规划产业布局，解决区域发展割据问题，加强环渤海、长三角和珠三角三个产业基地的合 作与统筹规划，实现我国海洋工程装备制造业基地的专业分工和合理布局。一方面，充分发掘各地资源和优势，依据各区域的独特优势，明确区域定位，因地制宜发展区域优势产业，避免区域性产业趋同。另一方面，需加大区域技术、人才以及各种资源的交流与合作，实现区域之间优势互补，构建具有国际影响力的特色海工装备制造基地，实现海工装备制造基地效率最大化和优势发挥最大化，避免结构性产能过剩和同业恶劣竞争。同时，面对深海研发的技术限制，三大海工装 备基地需突破关键技术瓶颈。首先，需加强与世界知名大学和科研机构的交流与合作，通过搭建创新平台、联合培养技术人才、协同实施创新项目和共同参加国际展览等形式，引进国外先进技术， 针对本国实际情景，自主消化吸收，弥补技术短板，逐步掌握海工装备核心领域的关键技术。其次，加快自主创新，研发深海工程装备，探究适应深海领域新材料、新技术、新产品，提高深海作业能力，并且加强深远海综合科考与试验，丰富深远海科技创新知识库，打破关键技术瓶颈。

（三）优化产业结构，完善配套设施 在海工装备制造工程中，配套装备占有较大 的份额，应注重配套产业的发展，完善配套系。然而，目前我国海工装备配套设施对外依赖度高，关键配套设施自主研发能力弱。为解决 问题，我国海工装备制造业应重视配套设施的技术研发，逐步从中低端向高端跨越，完善配套产业。

[1] 钟阳.海洋工程材料的发展现状及其问题分析[C]//《建筑科技与管理》组委会.2019年4月建筑科技与管理学术交流会论文集.中国船舶重工集团公司第七一0研究所;,2019:2.

[2] 王春娟,辛庞晨雨,刘大海.中国海洋工程装备国产化进程及其高质量发展趋势[J].中国软科学,2024,(S1):379-387+413.

金瓯新材料研究院