復(fù)合材料資料

復(fù)合材料在海洋石油工程中的應(yīng)用復(fù)合材料簡介1．概述復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或?qū)W的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。復(fù)合是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點又分為：①纖維增強復(fù)合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。②夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、??；芯材質(zhì)輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。③細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。④混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強相復(fù)合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。2.復(fù)合材料分類復(fù)合材料主要可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，基本上由能承受載荷的增強體組元與能連接增強體成為整體材料同時又起傳遞力作用的基體組元構(gòu)成。增強體包括各種玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬以及天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等，基體則有高聚物(樹脂)、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。由不同的增強體和不同基體即可組成名目繁多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并以所用的基體來命名，如高聚物(樹脂)基復(fù)合材料等。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的特點是可根據(jù)材料在使用中受力的要求進(jìn)行組元選材設(shè)計，更重要是還可進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，即增強體排布設(shè)計，能合理地滿足需要并節(jié)約用材。功能復(fù)合材料一般由功能體組元和基體組元組成，基體不僅起到構(gòu)成整體的作用，而且能產(chǎn)生協(xié)同或加強功能的作用。功能復(fù)合材料是指除機械性能以外而提供其他物理性能的復(fù)合材料。如：導(dǎo)電、超導(dǎo)、半導(dǎo)、磁性、壓電、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防熱、吸聲、隔熱等凸顯某一功能。統(tǒng)稱為功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料主要由功能體和增強體及基體組成。功能體可由一種或以上功能材料組成。多元功能體的復(fù)合材料可以具有多種功能。同時，還有可能由于復(fù)合效應(yīng)而產(chǎn)生新的功能。多功能復(fù)合材料是功能復(fù)合材料的發(fā)展方向。復(fù)合材料也可分為常用和先進(jìn)兩類。常用復(fù)合材料如玻璃鋼便是用玻璃纖維等性能較低的增用于船舶、車輛、化工管道和貯罐、建筑結(jié)構(gòu)、體育用品等方面。其在體育用品上的應(yīng)用，比如說高爾夫球拍、網(wǎng)球拍等。碳纖維最早的應(yīng)用是在航空航天領(lǐng)域，目前大家熟悉的空客350和波音787等機型結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%已經(jīng)使用了CFRP。所以，有時候空客350和波音787也被稱為碳纖維飛機。從力學(xué)性能來分，碳纖維一般分為以下幾個等級。如T300級碳纖維，拉伸強度為3530MPa，彈性模量為230GPa；T700級碳纖維，拉伸強度是4900MPa；T800級碳纖維，拉伸強度達(dá)到5490MPa，彈性模量達(dá)到294GPa；T1000是超高強度碳纖維，拉伸強度更是達(dá)到了6370MPa。表1是典型的碳纖維系列及其力學(xué)性能。從表1可以看到，碳纖維具備高拉伸強度和高彈性模量，加之較較低的密度，使其比強度和比模量在眾多的結(jié)構(gòu)材中獨樹一幟。圖1和圖2分別是碳纖維材料、CFRP與其他材料的比強度及比模量比較。綜上可知，CFRP具有以下特點：首先，它的比強度和比模量非常高，也就是說在同等強度和同等模量的情況下，CFRP具有更輕的質(zhì)量，這對于深海油氣開采來說，是非常值得關(guān)注的一個方面。對比CFRP和深海油氣開采中經(jīng)常使用的合金鋼材料，前者的比強度和比模量高出很多倍，如T700CFRP就要比鈦合金高出近10倍。近年來，國際上相關(guān)的機構(gòu)和公司一直在致力于CFRP在深海油氣領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用，已經(jīng)實現(xiàn)了部分材料的工程化應(yīng)用。隨著海上油氣田開采深度的增加（見圖3），對裝備所用的材料也提出了新的要求。例如，當(dāng)鉆井深度在1500m以下時，可以使用鋼材當(dāng)開采深度達(dá)到2000m時，海水所引起的巨大的張力載荷會導(dǎo)致鋼材延伸變形，對一些鋼制裝備，如立管和系纜，將產(chǎn)生破壞性影響；當(dāng)開采深度達(dá)到4000m時，部分鋼制部件已無法滿足性能要求，需要CFRP和鋼材并用；當(dāng)水深到達(dá)5000m，傳統(tǒng)的鋼制部件已經(jīng)不能滿足使用要求，此時需要大量使用由CFRP制造的裝備。以下簡單介紹兩個方面。錨泊系統(tǒng)傳統(tǒng)的海上油氣田生產(chǎn)設(shè)備多使用鋼材制造，包括將海面平臺錨固定到海底的錨泊系纜和連接海底井口到平臺的管索系纜。隨著深海油氣勘(a)碳纖維加強桿增強的臍帶式管纜(b)待施工的臍帶管纜圖4集束CFRP拉擠桿碳纖維桿碳纖維桿束塑料型框管纜外皮圖5CFRP加強桿增強的臍帶管纜結(jié)構(gòu)示意圖探開采深度的不斷增加，鋼制管索系纜的自身質(zhì)量迫使海上平臺漂浮尺寸增大，帶來了多種成本消耗。此外，鋼材在海水浸泡下極易腐蝕，工作壽命短，一般僅為2～3年，因此需要對管纜進(jìn)行周期性生產(chǎn)檢修和維護(hù)。將管纜從深海中取出，按要求維修，再復(fù)原裝回，不僅耗費維修成本，還要導(dǎo)致工程停產(chǎn)。特別是在苛刻的深海環(huán)境條件下進(jìn)行此種維修，難度更大，成本更高。相比較而言，CFRP具有輕質(zhì)高強、柔韌性好、抗疲勞、耐腐蝕和使用壽命長等特性，其比強度和比模量分別是是鋼的10倍和5倍，非常適合應(yīng)用于深海油氣田環(huán)境。碳纖維拉擠桿的另一應(yīng)用形式是以碳纖維系纜替代鋼制或聚酯錨固纜繩來固定移動的深海鉆井系統(tǒng)，尤其是固定油船或移動的水下結(jié)構(gòu)件，在深海油氣開采中需要大量的系纜來固定鉆井系統(tǒng)。聚酯錨固纜繩是由聚對苯二甲酸乙二酯PET纖維絞合（Strand）和非絞合（Parallel）形式構(gòu)成。聚酯纖維纜繩因力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性好，可以作為錨固系纜使用，但吸濕性差，并不適合長期在海洋環(huán)境中使用。由表2所示的數(shù)種商品化錨固系纜材料的比強度和比模量（比剛度）性能的相互比較可以看出，聚酯纖維絞合系纜的比強度（約0.32GPa/SG）是二者的比剛度都非常低。盡管如此，兩者比強度都優(yōu)于鋼制系纜(約0.1～0.14GPa/SG)，所以聚酯系纜能夠用于替代鋼纜。此外，超高分子量聚乙烯纖維系纜和芳綸纖維系纜的比強度、比模量分別約為0.6～0.7GPa/SG和20～60GPa/SG，都明顯優(yōu)于聚酯纖維系纜，而碳纖維拉擠桿的比強度約1.2GPa/SG，比模量約90GPa/SG，又都明顯優(yōu)于上述所有合成纖維系纜。所以碳纖維拉擠加強桿作為錨固系纜主承力構(gòu)件，具有顯著的綜合性能優(yōu)勢。采油立管和輸送立管海洋油氣產(chǎn)品是通過豎直的生產(chǎn)立管，從井口經(jīng)過泵站傳輸?shù)狡脚_上。深水采油的立管質(zhì)量大大增加，同時，入水越深，立管就承受越大的壓力。與傳統(tǒng)鋼制立管相比較，CFRP輕質(zhì)高強的性能優(yōu)勢不可替代。從質(zhì)量上來講，CFRP立管與傳統(tǒng)的鋼制立管相比，具有明顯的優(yōu)勢。據(jù)報道，平臺每增加1kg浮力要支付1.3kg鋼材和0.65kg額外的錨固系纜，相當(dāng)于每千克需增加9～15美元的成本。隨著深水立管質(zhì)量的增加，入水越深，采油平臺所要負(fù)擔(dān)的負(fù)荷就越大，導(dǎo)致需要用更大體積的浮箱來張緊錨系。深海采油張力腿鉆井平臺（TensionLegPlatform，TLP）的大小與頂部張力的變化并不成線性關(guān)系，而是以極高的速率增長。例如，在317800kg以上的懸垂張力狀態(tài)下，立管質(zhì)量每增加0.5kg，將導(dǎo)致TLP平臺尺寸放大2.11倍；而在227000kg以下懸垂張力狀態(tài)時，TLP平臺質(zhì)量增加系數(shù)僅為1.33。可見TLP平臺的大小和造價非常依賴于其下面懸吊著的鉆井立管的質(zhì)量。進(jìn)入更深水域時，鋼立管自重將達(dá)到并超過TLP平臺規(guī)模成本的承受極限。為了減輕鉆井平臺支撐質(zhì)量，法國宇航局和法國石油研究所于1980年首先提出用CFRP制造鉆井立管來減輕TLP平臺的懸垂質(zhì)量。除了輕質(zhì)高強外，CFRP立管還具有其他的優(yōu)點，如極好的抗疲勞性、耐腐蝕性、阻尼和絕熱性能。CFRP立管的減重直接減少了頂部張力，導(dǎo)致錨泊系纜張力相應(yīng)減少，也使平臺尺寸相應(yīng)減少。CFRP采油立管解決了深海油氣開采過程中金屬管自重帶來的體系不穩(wěn)定、能耗過大和施工不便利等問題，使整個TLP平臺采油系統(tǒng)的操作成本降低，減輕質(zhì)量的同時優(yōu)化設(shè)計TLP平臺也能夠帶來更大的系統(tǒng)效益。CFRP立管（圖8）的制造是用碳纖維/環(huán)氧樹脂在薄壁金屬管芯上進(jìn)行連續(xù)螺旋和環(huán)向纏繞，管芯與復(fù)合材料層之間完全膠接成整體，不能層間位移，并在完全固化的外管表面涂覆耐磨蝕保護(hù)層。CFRP立管質(zhì)量僅為鋼制立管的一半，卻比鋼制立管具備更好的綜合性能。此外，CFRP還可以對滲漏的鋼管進(jìn)行修補。CFRP立管相比較金屬立管的優(yōu)點還有，減少運輸和安裝成本、耐磨蝕、可修復(fù)以及