海洋材料创新之复合材料与无机材料篇
复合材料作为新型结构功能材料,具有优越的可设计性,而且具有重量轻、比强度和比模量高、阻尼性能好、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐磨性能好、热膨胀系数低以及射线透过性好等特点,并且在海洋湿热、多盐的环境条件下也能够表现出优异的性能。复合材料的应用情况能够反映一个国家海洋工程装备的先进程度和未来的发展趋势。

一、海洋工程用复合材料的发展趋势
未来 5-10 年的海洋油气资源勘探开发中,海洋平台、海底管道、系泊系统等的建设需求旺盛,并且随着我国海洋强国战略的进一步实施,包括军、民用船艇海洋工程装备面临前所未有的发展机遇,同时对材料的性能要求也越来越高。复合材料在替代传统金属材料方面还有很多空间。对于海洋工程用复合材料,尚有很多工作要做。未来将向三个方向发展:
(1)向低成本、高性能、集成化生产的方向发展
各种规格的船舶制造商们正寻找提高其竞争力的方法,以较低的成本将产品更快地推出市场是达到这一目标的关键所在。设计和制造质量的提高会促进上述目标的实现。船舶部件需要在极端气候条件下具备可靠性、安全性,因此性能在许多应用中都是关键因素。速度和稳定性是船舶设计的主要目标。例如赛艇、高速巡逻艇和特殊用途船舶以及某些快速渡轮。军用和商用船艇的上部结构也追求减重目标,重心的降低可以提高稳定性和安全性。最小化并精确控制复合材料层压板的质量可以获得更好的性能。
(2)向虚拟设计、制造、验证一体化的方向发展
复合材料设计软件正快速成为多个行业设计过程中的主要组成部分。设计和应力分析是设计过程中的两大重点,通常这两个学科之间的交流并不理想,因此会出现单调且缓慢的重复工作。最近几年,复合材料设计软件和结构分析软件之间的双向交流取得了良好的进展。制造商通过开发出的复合材料部件或组装件的完整详细的三维 CAD 模型,可以对复合材料模型进行精确性和完整性的定义,带来了更高的质量,并且可以预测潜在的制造问题,设计和分析同步进行,部件得以优化,不同部件拥有专门的设计方法。复合材料部件的设计越精确,结构的优化也就更好更快。采用复合材料设计软件可以使工程师在开发过程中大大减少变数,也让使用者可以立即记录下所有设计上的改变。在设计初期对复合材料部件进行完整详细的三维设计,制造过程中所有的层压板、层片和芯材信息都是始终不变的。Vistagy 公司的 FiberSIM 软件被用于此类大型玻璃纤维复合材料部件大的设计和开发。
(3)向新型可靠生产工艺的方向发展
受我国制造业水平落后的限制,加之采用先进复合材料进行大规模、一体化成型的核心技术被发达国家所掌握,我国在海洋工程用复合材料成型工艺方面与发达国家存在一定差距,材料性能的批次稳定性有待提升。自动化生产能力和大规模、一体化成型方面国内技术相对落后,在建造大型结构件或一体化成型舰船、石油工业等领域所用大型结构件中存在工艺瓶颈。新型可靠的生产工艺,保证产品不同批次的性能稳定,是目前和今后一段时间的主要工作之一。无机材料(主要是水泥混凝土)是目前海工建筑中使用最多的材料,对全球海洋经济和海洋产业的发展影响重大。水泥混凝土在海洋环境应用中展示出优异的抗海水腐蚀能力,并应用于越来越多的海工建筑中,如码头、桥梁、海底隧道、防浪堤、海上钻采平台等,21 世纪将是水泥混凝土在海洋工程中大规模应用的世纪。
二、我国海工混凝土发展战略目标和重点发展方向
推进水泥混凝土在海洋工程领域的应用,建立完善的标准和规范体系,完善配套原材料、工艺、技术、装备的开发和应用,提高我国的海上资源开发能力及海洋经济的竞争力是我国海工混凝土发展战略目标。
重点发展方向
(1)海工超高性能混凝土技术(如高强轻质混凝土)及相关原材料的研究开发及在海洋工程中的应用。高强度轻质骨料混凝土是现有海工混凝土材料发展的核心技术之一。虽然目前发达国家的离岸海工建筑如海上油气平台、海上风电基座等大规模使用高强度轻质骨料混凝土技术,但混凝土材料本身自重大的缺点无法避免,因而限制了如混凝土LNG 船、FPSO 等的进一步发展。目前以挪威为代表的海洋发达国家重点研究将现有高强度轻质骨料混凝土生产技术进一步提高,容重比力图达到 1500kg/m 3(设计强度 70MPa),现有技术大约在1900kg/m 3 (设计强度 70MPa)。
(2)海水海砂拌合及珊瑚礁在远洋人工岛礁建设中的利用技术。利用海水、海砂、珊瑚礁等代替淡水、河砂等材料配制及应用混凝土的技术,对于在远离大陆的远洋、海岛等快速修建人工岛礁、离岸钻采平台及国防安全有着重要的现实意义极高的应用价值。
(3)混凝土钢复合材料的研究开发及在海洋工程中的应用。离岸混凝土平台的自重过大仍然是影响其大规模推广的重要原因之一,虽然混凝土材料的进一步轻量化是其可选途径之一。结合水泥混凝土耐腐蚀、成本低的优点和钢材高强、自重低的优点,制造混凝土钢结合的材料用于海洋工程。
(4)海工混凝土专用的高强高耐蚀钢的开发及应用。针对水泥混凝土在海洋中的环境特殊性,开发专用的高强耐蚀钢,如通过冶金双结合技术生产复合耐蚀钢,提高水泥混凝土在海洋环境中的耐久性。
(5)离岸混凝土构建物(如油气钻采平台、海上风电混凝土基础)的设计和生产制造技术的开发。离岸平台的设计及生产制造技术是一项技术难度大、涉及行业广、跨领域的应用技术,目前在国内尚属空白。
(6)海上混凝土油气钻探平台及多功能平台的制造相关技术装备的开发。国内对于海上混凝土施工专用的相关装备如泵送、吊装等机械的开发研究较少,海上施工环境及变化性与陆地区别很大,国内应加强该领域专用机械装备的开发及生产。
三、梦能服务与支持
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