尊敬的主持人，各位嘉賓，各位代表，非常高興有機(jī)會(huì)在這里向大家匯報(bào)一下碳纖維復(fù)合材料在深海油田中的應(yīng)用。
我今天向大家匯報(bào)的是碳纖維復(fù)合材料在深海油氣開發(fā)中的應(yīng)用。
首先向大家報(bào)告一下碳纖維復(fù)合材料的特性及應(yīng)用。碳纖維是一種性能優(yōu)異的新材料，最大的特點(diǎn)就是輕質(zhì)高強(qiáng)，密度不到鋼的四分之一，但拉伸度普通鋼的7到9倍。碳纖維不單獨(dú)使用，作為增強(qiáng)材料，加到樹脂、金屬、陶瓷或者是混凝土當(dāng)中。應(yīng)用最多的是用碳纖維增強(qiáng)樹脂機(jī)。碳纖維從它的誕生，目前來(lái)講已經(jīng)很成熟和廣泛的應(yīng)用于航空航天，高端的重大工程裝備，重大的基礎(chǔ)建設(shè)結(jié)構(gòu)工程，包括海洋工程，還有壓力容器，還有體育休閑用品。作為一般的消費(fèi)者來(lái)講，接觸最多的就是碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在體育用品上，比如說(shuō)高爾夫球拍、網(wǎng)球拍。碳纖維最有效的應(yīng)用場(chǎng)合是在航空航天，目前大家比較知道的是波音787和空殼350，結(jié)構(gòu)重量50%已經(jīng)用到了碳纖維復(fù)合材料，所以在航空領(lǐng)域，有時(shí)候把空客350和787稱為碳纖維飛機(jī)。
碳纖維從它的力學(xué)性能來(lái)分，一般分為幾個(gè)等級(jí)，比如說(shuō)T300級(jí)碳纖維，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了3530，模量達(dá)到了230，密度是1.76，比強(qiáng)度是2.01。T700級(jí)，強(qiáng)度達(dá)到了4900，T800級(jí)，強(qiáng)度達(dá)到5490，模量達(dá)到了294GPa，T1000級(jí)，是超高級(jí)碳纖維，強(qiáng)度是6370。
這張表我把碳纖維和其它材料在強(qiáng)度和模量上進(jìn)行的一個(gè)比較。大家可以看到，T300和T800的碳纖維，強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于特種鋼，還有其它高強(qiáng)玻璃纖維材料。這里我把碳纖維和其它材料的比強(qiáng)度和比模量進(jìn)行了比較，碳纖維的第一性能就是輕質(zhì)，第二是高強(qiáng)高模量。
碳纖維做成復(fù)合材料之后，力學(xué)性能和碳纖維本身有一些差異，一般來(lái)講，用碳纖維增強(qiáng)樹脂，纖維體積含量一般做到60%到80%左右，力學(xué)性能，我們可以看到，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量和傳統(tǒng)材料相比也是遙遙領(lǐng)先的，非常適合于結(jié)構(gòu)材料。
綜合以上的比較，碳纖維復(fù)合材料有以下特點(diǎn)，第一就是它的低成本的制作技術(shù)，特殊的復(fù)合材料有時(shí)候?yàn)榱俗非笏厥獾牧W(xué)性能，它的造價(jià)比較高的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程化自動(dòng)化的制造。但結(jié)合到海洋工程的應(yīng)用，比如說(shuō)深海油田使用的復(fù)合材料，有碳纖維的加強(qiáng)桿，還有系泊纜，還有鉆井立管中結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)層，都是采用了機(jī)械化、自動(dòng)化纖維的纏繞技術(shù)制造的，這樣可以做到產(chǎn)量和質(zhì)量的保證。
第二個(gè)主要的特點(diǎn)，它的比強(qiáng)度和比模量非常高，也就是說(shuō)在同等強(qiáng)度下和同等模量下，具有更輕的質(zhì)量，這也是對(duì)于深海油氣田來(lái)講，非常關(guān)注的一個(gè)方面。我們比較了一下碳纖維復(fù)合材料比深海油田中經(jīng)常用的合金鋼來(lái)講，比強(qiáng)度和比模量要高出很多倍，比如說(shuō)T700就要比汰合金高出15倍。
第三個(gè)特點(diǎn)，作為纖維增強(qiáng)的樹脂機(jī)的復(fù)合材料，是可以根據(jù)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計(jì)，我們一般叫它設(shè)計(jì)制造一體化，叫DFM。碳纖維復(fù)合材料的性能是可以設(shè)計(jì)的，因此可以通過(guò)不同的纖維材料，不同的樹脂材料的結(jié)合，另外它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纖維的鋪層各種方法來(lái)解決工程上需要解決的技術(shù)問題。因此說(shuō)每一個(gè)產(chǎn)品都可以按照實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和功能情況下來(lái)設(shè)計(jì)。有時(shí)候把復(fù)合材料不稱之為一個(gè)材料，我們把它稱之為一個(gè)結(jié)構(gòu)更確切。
第四個(gè)特點(diǎn)，也是復(fù)合材料一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)，就是它具有高疲勞強(qiáng)度和低缺口敏感度。金屬材料在振動(dòng)的情況下，如果有微裂口的話，可能會(huì)擴(kuò)展開，從而形成損傷。那么復(fù)合材料是用纖維增強(qiáng)樹脂，它的載荷是通過(guò)纖維把載荷傳到樹脂中，因此微小的裂紋就可以終止在樹脂之中，因此它比金屬材料具有更好的抗損傷安全性。在一般使用中，包括在航空飛機(jī)的使用中，樹脂機(jī)的復(fù)合材料一般不考慮它的疲勞損傷。
歸納以上的特點(diǎn)，碳纖維的復(fù)合材料，大概有這么幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，第一就是重量輕，第二是有很高的應(yīng)變，第三是低的導(dǎo)熱性，第四是抗海水的腐蝕性，第五是耐吸濕性能，第六有極高的抗疲勞的能力，不受環(huán)境的影響，最后一點(diǎn)，它可以最高到攝氏198度的溫度，這個(gè)溫度取決于樹脂。
根據(jù)碳纖維的強(qiáng)度和模量的性能，目前碳纖維已經(jīng)在這些方面做了應(yīng)用，如果是T300級(jí)以下的，在體育休閑上有一個(gè)比較廣泛的應(yīng)用了。在T300和T700級(jí)，高強(qiáng)碳纖維，在重大工程裝備還有壓力容器上比較好的應(yīng)用了。在T800級(jí)的，在航空領(lǐng)域都有比較好的應(yīng)用了。在高模量碳纖維，這個(gè)主要在航空領(lǐng)域，在衛(wèi)星和導(dǎo)彈上。
第二點(diǎn)，我想?yún)R報(bào)一下目前我們感覺到的深海油氣田開發(fā)傳統(tǒng)材料面臨的一些問題，這也是我們下一步考慮新材料應(yīng)用的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。主要考慮到這么六個(gè)方面，第一個(gè)是深水開采材料的重量問題。因?yàn)殡S著水深的增加，它自身的重量就很大，如果裝在平臺(tái)上，它自身已經(jīng)對(duì)平臺(tái)造成了很大重量的要求。第二個(gè)它的腐蝕性能可能會(huì)更加關(guān)注。第三個(gè)深水開采對(duì)材料的強(qiáng)度提出了更高的要求。第四，海水腐蝕。第五就是疲勞損傷，可能也是必須面對(duì)的問題，海水的疲勞損傷甚至比飛行機(jī)的疲勞損傷更大。最后一個(gè)，因?yàn)樗巧詈ｉ_采，它的安裝成本可能會(huì)比近海或者是陸地上要貴，是一個(gè)值得考慮的問題。
現(xiàn)在我匯報(bào)一下目前國(guó)際上相關(guān)的機(jī)構(gòu)和公司，碳纖維復(fù)合材料在深海油氣領(lǐng)域應(yīng)用的探索，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化的應(yīng)用，有的僅僅是一個(gè)探索。我們現(xiàn)在開采呢，隨著開采的深度逐年增加，對(duì)材料提出了要求，比如說(shuō)我進(jìn)入2000多米的時(shí)候，可能我的鋼制的立管和錨纜就會(huì)產(chǎn)生影響，一般在2000米以下呢，我還可以使用鋼材，那么到了4000米，可能是碳纖維復(fù)合材料和鋼材并用，那么到了5000米，可能就要大量使用碳纖維復(fù)合材料。
這個(gè)項(xiàng)目在墨西哥灣已經(jīng)有了比較大量的工程化的應(yīng)用，至少在上萬(wàn)英里以上。這個(gè)是用碳纖維做的錨固系纜，用碳纖維來(lái)做系泊纜。做系泊纜發(fā)展的歷程，最早近海的都是用金屬材料的，后來(lái)采用了聚酯材料，當(dāng)然聚酯材料比強(qiáng)度可以做到320個(gè)兆帕，比鋼的系纜的強(qiáng)度好。隨著后來(lái)的發(fā)展，超高分子量聚乙烯系纜就出現(xiàn)了，它的比強(qiáng)度能夠?qū)崿F(xiàn)600到700個(gè)兆帕，比模量做到了20到60Gpa。大家看用碳纖維，比強(qiáng)度可以做到1200Gpa。從深水來(lái)講，1500米用碳纖維做的系纜，它的重量可能只有1000噸，而金屬做的重量可能達(dá)到6000多噸，所以在重量上有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且隨著水深的增加，這種優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。
再一個(gè)，在系纜頂端的尺寸上也有它的特點(diǎn)，在工程鋪纜的時(shí)候，在1500米的時(shí)候，如果從傳統(tǒng)的金屬纜的話，它的頂端纜可能要達(dá)到1米的直徑，如果從碳纖維的話，只有0.3米。另外系纜在海水的阻尼性能，碳纖維比金屬的有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
歸納以上，碳纖維系泊纜，重量輕，節(jié)約成本安裝，另外一個(gè)幾乎不用維護(hù)，因此它比較適合于做大的采油平臺(tái)和作為深水區(qū)域系泊纜的區(qū)域。這是國(guó)際上相關(guān)的公司進(jìn)行系泊纜組裝和實(shí)驗(yàn)的照片。
這里把系泊纜的優(yōu)點(diǎn)，最重要的一點(diǎn)，它的抗疲勞性能和低缺口敏感性。由于碳纖維，它的損傷終止在高韌性的樹脂當(dāng)中，同時(shí)每一根纜都是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，如果一根受到損傷，不會(huì)影響到另外的，所以提高了可靠性。
另外碳纖維復(fù)合材料的立管，從重量上來(lái)講，傳統(tǒng)的立管和碳纖維復(fù)合材料立管相比，碳纖維復(fù)合材料立管有明顯的優(yōu)勢(shì)。休斯敦大學(xué)做了一個(gè)研究，雖然說(shuō)碳纖維復(fù)合材料立管，從本身的制造成本是高的，但從后期成本來(lái)看，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材料的。這里就是歐洲的一個(gè)公司，已經(jīng)開發(fā)出了2000米水深的碳纖維立管。這是碳纖維立管生產(chǎn)的工藝過(guò)程，采用的就是復(fù)合材料低成本制造的纏繞工藝，可以通過(guò)不同角度的纏繞，來(lái)解決立管的拉力和張力。這是碳纖維立管其中的一個(gè)結(jié)構(gòu)，它和玻璃纖維包括金屬做成超混雜的復(fù)合材料。
最后，我再向大家匯報(bào)一下碳纖維在柔性立管中的應(yīng)用。柔性立管，用得也很多，國(guó)際上也有公司用碳纖維復(fù)合材料來(lái)增強(qiáng)熱塑性的材料。
下面，我用一分鐘的時(shí)間簡(jiǎn)單介紹國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。碳纖維是一個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略物資，西方國(guó)家一直對(duì)中國(guó)封鎖，包括到現(xiàn)在。經(jīng)過(guò)這幾十年的努力，碳纖維產(chǎn)業(yè)，中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全的產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)該是可以滿足各方面工業(yè)領(lǐng)域的要求。恒神已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)T300和T700級(jí)年產(chǎn)幾千噸的用量。
我就匯報(bào)到這里，謝謝大家。
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