目前,石油開采以陸地為主,海洋為輔隨著陸地石油的逐步減少,開采海洋油田已引起各國的極大關(guān)注。陸地開采石油的設(shè)施以鋼材為主要材料,但開采海洋油田的環(huán)境與陸地大不相同,鋼材的自重與腐蝕已不適應(yīng)海洋環(huán)境,以碳纖維復(fù)合材料為主的先進(jìn)復(fù)合材料備受人們的青睞。顯然,鋼絲的自由斷裂長度最短,而碳纖維和芳綸顯示出優(yōu)異的自重懸垂性。這也就是說,鋼制件用于深海油田時,需用大量浮力發(fā)泡體提供浮力,而碳纖維復(fù)合材料件卻可省去這部分費用。此外,鋼制件容易被海水腐蝕,使用壽命短,約3~5年;而CFRP耐海水腐蝕,使用壽命長,約20~25年。
碳纖維復(fù)合材料可用來制造張力腿平臺(TLP)的部件、鉆探裝置(MODU)和浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPS)等方面。具體的應(yīng)用實例如下。
(1)生產(chǎn)井管。生產(chǎn)井管是從海底延伸到鉆井平臺甲板的構(gòu)件,大多采用直徑為10.5in(266mm)的管材。通過設(shè)置在其中的配套裝置,使油、氣從海底流到貯藏槽(罐)。在墨西哥灣的1220m深海油田用的升降機(jī),當(dāng)升降機(jī)的升降管采用碳纖維與玻璃纖維混雜復(fù)合材料時,與不銹鋼管相比時,每米的有效重量輕45kg,1200m可減重54t,大大降低了所需浮力體的費用。
(2)管、貯罐和甲板。玻璃鋼(GFRP)可用來制造海水管道、防火用的水管、低壓送浮力體的費用水管、貯罐和其他構(gòu)建。但是,GFRP是絕緣體,可能因流體流動摩擦而引發(fā)靜電火災(zāi)或爆炸。如果在基體樹脂中加入炭黑或短切碳纖維,可防止靜電的發(fā)生。如果采用碳纖維與玻璃纖維混雜增強(qiáng)(CF/GFRP),則可有效防止靜電事故的發(fā)展,且可降低生產(chǎn)成本。
(3)繩索( tethers)。繩索用以把TLP拴在海底。鋼制繩索最深的應(yīng)用于墨西哥灣4000(1ft=0.3048m)深的TLP;如果TLP超過500(1500m)深,鋼制繩索費用變得非常大,需碳纖維復(fù)合材料繩索( comptethers)取代。同時, comptethers柔軟可盤繞在直徑為4.4m的軸上,儲存、運(yùn)輸和使用非常方便,可降低工程成本。
(4)撓性管、連接管。深海使用的撓性管及連接管是碳纖維的最大潛在市場之一。撓性管是擠壓成型的同心圓管,在樹脂聚合物管子的上面施以增強(qiáng)用的金屬螺旋層(圓周方向增強(qiáng))而成。它構(gòu)成比較薄的兩個層面,表層保持強(qiáng)度,內(nèi)層具有耐堿等耐蝕性。這兩個層面并不接合在一起,而是保持著撓性。它可用于變化較大的狀態(tài)下輸送各種流體。
連接管( umbilicals)是用來捆扎束縛從平臺延伸到海底的液壓控制管線及甲醇輸送管線、熱塑性樹脂軟管、電氣電纜等的管線。它作為控制海面下的生產(chǎn)及維修起到重要作用。
(5)近海平臺的二次結(jié)構(gòu)材料。近海平臺的二次結(jié)構(gòu)件有格柵框架、扶梯、輔助平臺、電纜托架和電纜橋架等。FRP格柵框架已得到廣泛應(yīng)用。殼牌公司在墨西哥灣的4個TLP使用了FRP格柵框架結(jié)構(gòu)。混雜復(fù)合材料橫梁在其頭與尾的凸緣上采用了碳纖維。
(6)浮力組件( buoyancy modules)。在制造增強(qiáng)小直徑中空球的復(fù)合發(fā)泡體時可采用碳纖維。這種浮力組件可使用在4000t的海面下。為開采5000~10000f深海下的石油和石油氣,這種浮力組件及套箱的需求量愈來愈大,需用大量的碳纖維。此外,碳纖維復(fù)合材料還可用來制造槽罐和壓力容器等。綜上所述,碳纖維復(fù)合材料在鉆井管、生產(chǎn)井管、撓性管、連接管、TLP系繩索和高壓容器等方面得到應(yīng)用。隨著近海油田向深海油田的轉(zhuǎn)移開放,用量與日俱增。顯然,深海油田的開發(fā)將是碳纖維應(yīng)用的最大潛在市場之一。
輥軸也叫羅拉，是指機(jī)器上能滾動的圓柱形機(jī)件的統(tǒng)稱。一般與軸、軸承、軸套、密封圈組合使用。
輥軸通常采用諸如鋁合金、不銹鋼、橡膠等為原料制成，長度可達(dá)10米以上，直徑可達(dá)1500mm以上。近年來，隨著工藝的進(jìn)步，碳纖維以其優(yōu)異的材料性能，也開始逐漸應(yīng)用在輥軸上。
碳纖維輥軸，是指以碳纖維復(fù)合材料為基質(zhì)的輥軸，其顯著優(yōu)勢是利用碳纖維材質(zhì)的質(zhì)量輕強(qiáng)度高的特性對于產(chǎn)品本身性能得到大幅度提升，從而降低能耗，提高生產(chǎn)效率。
碳纖維的密度小，重量輕，重量約是鋁合金的60%，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到3000Mpa以上，是鋼材的6倍以上。
相對于鋁合金材料的輥軸，質(zhì)量更輕的碳纖維輥軸能夠使得機(jī)器得啟動和停止的速度更快，減少慣性，提高輥軸的轉(zhuǎn)速，從而有效降低耗能和提高生產(chǎn)效率。
碳纖維托輥可應(yīng)用于卷筒紙以及其他紙張、薄膜等領(lǐng)域
卷筒類產(chǎn)品，比如說紙張、薄膜、鋁箔類等產(chǎn)品，在生產(chǎn)和加工這類產(chǎn)品時，寬度和線速度直接決定整個產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在輥達(dá)到一定長度并且要求達(dá)到較高的臨界速度時，要求輥本身具有較高的彈性模量，而碳纖維復(fù)合材料輪軸的彈性模量為240Gpa。比鋼材的模量要高，而且重量要輕很多，故而慣性小，能夠大幅度較少卷筒類產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的張力，從而更好的配合機(jī)械高速運(yùn)動或者加速減速運(yùn)動。
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