碳纤维缠绕技术赋能加拿大油气管道完整性升级

2026年3月，复合材料领域的创新技术再次为油气行业基础设施升级提供了关键支撑 —— 英国复合材料技术专家赛格特泰金普（Cygnet Texkimp）研发的多轴缠绕机（Multi Axis Winder）被加拿大管道技术企业全密封公司（Total Containment Inc, TCI）正式启用，该设备将通过碳纤维缠绕工艺对加拿大现役油气管道进行加固，从根源上降低管道泄漏风险，大幅提升其全生命周期的安全性与运行性能。这一技术方案的落地，也成为复合材料技术与油气行业基础设施升级深度融合的典型案例。

油气管道完整性升级的迫切需求

加拿大拥有庞大的现役油气管道网络，其中大量管道已服役二三十年，设备老化问题逐渐凸显，管道的完整性与安全性面临严峻挑战。与此同时，新的监管政策相继出台，要求油气管道运营方重新审核并优化管道设计与安全防护体系，防范泄漏、破裂、爆炸等事故对人员、环境造成的危害。

TCI公司深耕加拿大油气行业，此次打造的管道加固密封解决方案，核心便是通过碳纤维缠绕对现役管道进行升级改造。该方案能够从根本上消除管道泄漏引发的土壤、水体污染风险，避免其对生态系统和周边社区造成不良影响，同时在高风险区域实现管道完整性、使用寿命的提升，以及监测体系的优化。尤为关键的是，这一解决方案支持管道带压带料原位施工，无需切割、移动管道，有效规避了传统改造方式带来的高额成本与运营中断问题。此外，该技术还能助力管道承受更高输送压力，提升运营效率，同时满足部分管道从天然气输送向二氧化碳输送转型的合规要求，适配能源行业的转型发展。

多轴缠绕机的技术溯源与迭代

赛格特泰金普这款多轴缠绕机的技术根基，源于曼彻斯特大学西北复合材料中心主任、机器人与纺织复合材料教授普拉萨德・波特鲁里（Prasad Potluri）的创新设计。其最初研发初衷是为曲面部件制造提供编织工艺的替代方案，技术首款工程化应用则是为航空航天市场打造燃油管和进气道的缠绕设备。

此后，曼彻斯特大学与赛格特泰金普开启知识转移合作，2018年双方合作推出的3D缠绕机，成为这一技术首款商业化的全尺寸缠绕设备。这款搭载于机器人的多轴高速缠绕机，是业内首款能够快速、精准铺设大体积纤维，制造高强度、高重复性复合材料部件的设备，其九轴缠绕机构具备更高的运动灵活性和缠绕几何操控性，可完成传统纤维缠绕工艺难以实现的复杂曲面部件制造。

2021年，赛格特泰金普在3D缠绕机技术原理基础上，推出了多轴缠绕机（MAW）。该设备将旋转环安装于线性轨道，可围绕静态芯模前后移动、旋转，通过逐层铺设纤维完成部件成型，在产能上实现了进一步优化，专为制造长直、连续且带有轻微弧度的部件设计，适用于飞机翼梁、防撞结构、管材、桅杆等多种型材的生产。

静态芯模设计：颠覆传统的技术创新

多轴缠绕机与3D缠绕机的核心创新点，在于采用了静态芯模设计，这一设计也让两款设备成为传统纤维缠绕和编织工艺的优质替代方案，尤其适用于大尺寸复合材料部件的大批量生产。

在传统纤维缠绕工艺中，纤维需缠绕于旋转芯模之上，若要制造管道这类大型长尺寸部件，芯模不仅操控难度极大，还需具备极高的强度和品质，以承受高速旋转和缠绕过程中的高张力，避免损坏。而静态芯模设计则彻底改变了这一模式：设备的缠绕环沿部件轴线移动、旋转并完成缠绕作业，芯模因缠绕张力的平衡设计，无需具备超高强度；同时，该设计可实现任意长度部件的缠绕加工，且无需随部件尺寸扩大而升级设备，大幅缩减了设备占地面积、资本支出与运营成本。

TCI 定制化解决方案：适配严苛工况的技术落地

TCI 创始人兼首席执行官拉里・杨（Larry Young）一眼看中了赛格特泰金普的缠绕技术，将其视为实现管道原位加固、替代传统管道更换方案的关键支撑。双方的合作从技术测试起步，TCI先在赛格特泰金普英国创新中心，利用研究级演示设备完成了多轴缠绕机的初步测试；2025年2月，在测试取得成功后，该演示设备被交付至TCI位于加拿大阿尔伯塔省的总部，助力企业利用专利树脂基体生产、验证样品，并进一步优化工艺方法。目前，赛格特泰金普正于其创新中心打造该技术的全尺寸设备，完成最终测试后，将于 2026 年夏季正式交付TCI。

为让多轴缠绕机适配加拿大的严苛实际工况，双方工程团队攻克了诸多技术难题。加拿大部分油气管道位于偏远地区，气温常低至-30℃，且管道所处地形多泥泞、脏乱，同时还需做好高价值结构复合材料的处理与防护。针对这些问题，团队量身打造了一款坚固的支撑箱——TCI爬行器（TCI-Crawler™），将其作为缠绕作业的可控环境，为管道、设备和操作人员提供保护，同时营造适宜的缠绕施工条件。

这款支撑箱尺寸为3米×3米×12米，内部为温度可控环境，搭载了由三轴超声波传感器驱动的自动调节技术，可精准检测管道中心并同步调整缠绕环中心位置，即便地面地形或管道铺设存在偏差，也能保证缠绕环始终与管道对中，实现高精度缠绕。借助这一设计，缠绕环可完成上下、左右移动及360°全旋转，有效补偿管道的轻微弯曲偏差。

为让缠绕环能在管道沟槽内轻松套合管道，团队设计了1.37米（54英寸）的顶装式剖分式缠绕环，可分两段旋转开合，实现与管道的紧密套合。施工时，TCI 爬行器被下放至管道沟槽，沿与管道平行的15米缠绕路径移动，缠绕机随其行进完成碳纤维缠绕作业。

高产能与高适配性：技术的多元应用潜力

为TCI 定制的多轴缠绕机在产能上实现了大幅突破：设备配备两个围绕固定中心环旋转的缠绕环，相对的两个缠绕环各搭载四组张力纤维卷，每组纤维卷为缠绕工艺提供一束纤维，单次旋转即可在管道周围铺设八束纤维，结合预编程的缠绕序列，可快速完成碳纤维层的堆叠成型。

这一技术的产能还可根据应用需求灵活调整，通过在缠绕环上增设更多纤维卷，能够大幅提升单位时间的纤维铺设量。例如，将纤维束数量提升至16束，可显著提高沉积效率，这一特性也让该技术适用于航空航天、汽车、建筑等领域的大型复杂结构件缠绕制造。

此外，缠绕环可校准为同向或反向旋转，制造企业可通过设置不同的纤维角度，定制缠绕几何结构，形成准交错的纤维结构。这类结构相比同类编织结构，纤维皱曲更少，同时还能保留纤维缠绕部件的高刚度特性。

赛格特泰金普与TCI的合作，充分展现了企业将现有技术进行定制化升级，适配特定行业应用需求的技术实力。未来，多轴缠绕机的技术能力还将持续拓展，除油气管道外，还将逐步应用于其他基础设施、土木工程领域，以及帆船、体育用品等制造行业，为更多领域的复合材料部件制造提供创新解决方案。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。