碳纤维正转变着风电场

  在组成“海上风电场服务船”的所有复合材料中,高级的当属碳复合材料。这种材料由丹麦游艇公司(Danish Yschts A/S)开发和生产, 由这种材料制成的船自2013年以来都在北海工作。此公司的产品——有着碳/ 环氧夹层结构的小水线面双体船(SWATH)已经获得了广大用户的高度赞扬,但是人们通常认为他们早生产的四艘客船是代产品。另外,此公司和专注于复合材料工程的固瑞特公司(Gurit AG)近联合开展了一个项目,改良了客船的设计。从此,第二代客船的制造技术开始运用于丹麦斯卡恩的造船厂。第五艘船,也就是第二代产品中的艘,也在2014 年的夏天被运送至挪威奥德菲尔风场开始其工作。
  当丹麦游艇公司还在从以往经验中消化吸收人们对于前四艘25 米长的Cat/ 小水线面双体船技术的反馈时(Cat的意思是这些船舶同样也可以作为双体船使用),他们也开始与固瑞特公司合作,重新考虑船的结构设计,探讨是否能够使船的重量更轻。多亏了此次二次优化考虑,第五艘船的重量比之前的都轻15%,此后的船也亦是如此。
  固瑞特公司的结构设计师David Olsen 解释道:“通过开发一种更为适宜的结构布局,我们以一种安全的方式,成功地做到了减少船板的表面数量和内核厚度。船舶结构的有限要素模型,使我们能够辨认出关键的、能适当支持其结构的初级负载路径和位置,同时也能让我们辨识出次关键的要素——这些要素的重量可以更轻,在某些情况下甚至可以减轻至零。”
      
  除了二次考虑减轻重量,舵手室也被重新设计,其重量同样被减轻。因为这样会降低船体的重心和横摇力矩。除此之外,从桥上看,舵手室的全方位视野也增强了。
  固瑞特公司早已开始为早期船舶的船体和甲板供应完整的材料包。注入夹层结构的材料包括PrimeTM 20LV 型环氧树脂以及不同形式的预切、预装的Gurit CorecellTM构造泡沫。为了尽量减少围绕在泡沫板接口处切口的树脂摄取量,固瑞特公司特地推出了双向切割Corecell M 型构造泡沫。预装型构造泡沫对于建立二维的模型起到了很大的作用,当然对船体水下浮筒的三维模型的构造也能起到很大帮助——它更为复杂,并且需要更厚的构造泡沫层。
  很多个零散的原材料随后都会与注入壳结合,这过程中使用了固瑞特公司Spabond 340V 结构胶;而Ampreg22 结构胶则会在材料的二次结合以及湿式冷烫过程中派上用场。
      
  Michael Nielsen 是丹麦游艇公司的复合材料技术部经理。他对《增强塑料》表示,每一艘船的甲板都主要由放置在真空吸附平台上的平板组成,它们随之会被稍加处理成型,然后结合在一起。然而每艘船的船体因有复杂的弯曲度而会被输注到两种凹模中,一种适用于船体的下部,另一种适用于上部——即“甲板”部分。
  在强调输注过程中需要付出多大耐心时,他解释道:“光是准备好所有的材料就需要2 到3 周的时间——需要准备的东西有泵、真空管线和密封装置等等。接下来,关键的输注过程本身需要8到10个小时。然后,初固化过程通常在室温20 摄氏度下进行,之后,后固化程序在室温65 摄氏度下进行,并且会持续7 到10 小时。加热过程是借助空气对流进行的。热空气被抽入一种帐篷形的大容器,这其中就包含了相应的模型。精确的分区控制以及延展性强的热电偶控制下的温度可以确保夹层的每一个部分都被全面灌注以及固化。”
  每个船体的夹层中都包含了一种优良的外部玻璃纤维,即“研磨层”。人们可以有选择性的研磨和抛光这种夹层——但是这个过程是在船体脱模之后进行的,因为这样的话人们就可以直接应用后保护性的涂料了,并且还避免了对于凝胶漆的有关高要求。
  由于丹麦游艇公司的席执行官Patrick Von Sydow 对于之前与固瑞特公司合作生产的代船舶非常满意,所以他又一次指派固瑞特公司为其第二代产品——32 米长的Cat/ 小水线面双体船提供全套的材料包。这次的产品专注于为油、气、风电场以及其它工业服务。所有的第二代船舶都依据了国际海事组织的高速艇码设计,并遵守了挪威船级社为代的四艘船设定的载客规章制度和德国劳埃德船级社为第二代船舶设定的载客制度。另外,第二代船舶还达到了25 年的使用寿命。
  “游艇之根”
  就像这个名字一样,丹麦游艇公司使用碳纤维复合材料的经验是从高端游艇的制造中来的,其经验扎根于这些高端游艇——当然也包括超级游艇。尽管超级游艇的主人们可以买的起这些游艇,并且沉湎于新、潮的技术中,完全不在意金钱支出多少,但是相比之下丹麦游艇公司却更倾向于游艇能燃油量更少,维护费用更少,重量更轻以及废气排放量更少、加之小功率、但安装上却很合适的发动机。尤其当当地环境限制游艇的使用时(例如游艇在欧盟的限制废气排放区域行驶),以上这些因素显得更为重要。
  商业船舶的操作员对于以上提到的游艇优势就有更大的需求了。他们其中已经有很多人愿意为碳纤维复合物能够给予的这些优势而额外支付的费用。然而,这些优势也有其限制条件。有意思的是,丹麦游艇公司没有采用能够生产高级游艇的预浸材料生产技术,而是为其Cat/ 小水线面双体船采用了输注技术。输注技术运用的很广,原因是价格相对更低廉。
  无论如何,运营经理Steve Smith 还是为船舶经营者的趋向感到惋惜。因为他认为现在的游艇经营者都过于注重初始投资。正如他所说:“假设碳纤维更为昂贵,那么与玻璃钢、铝或是钢制材料这些费用相比,游艇这个行业更为注重的是购置成本。但是这其中不包括寿命周期成本。”
  他还解释说,在燃料上节省的花费可以在游艇的寿命期限内节省上万美元,并且可节省的花费还在逐渐增加。在有严格规定的环境中行驶时,也会节省一些费用。此外,丹麦的碳纤维船舶的设计可以缩短停机维护和检修时间,因此游艇会做到全天候可靠工作。并且游艇的生产也提高了产量。这种游艇无论在什么样的天气状况下都能够出海,这种特性已成为一种传奇。
  市场销售经理意Orazio Pollaci 还补充说,有些高官们已经适应了使用与先进飞机、一级方程式汽车相同成本的材料。而这些人应该牢记:除了一些部件需要特定的高级材料外,实际上到2020年,碳质材料成本将会降低,甚至比1970 年还低80%。
  除了轻重量外,夹层结构也同样具有其他显着的性能。它不仅具有坚硬牢固的特点,而且结构冗余——这源于表层船板。因此如果有意外情况导致进水的话,水不会只穿透一个船板,而是会将两个船板都穿透。如果有损坏的情况发生,已熟悉修复玻璃钢的技术,需要与碳纤维增强复合材料的修复技术大体一致。
  Steve Smith 引用了一个例子,在一场暴风雨中,曾有一艘碳纤维Cat/ 小水线面双体船因撞上海港围墙而受到了损毁。此次事故造成船体大面积开裂。尽管夹层结构中外层的碳纤维船板上有裂痕,但是船体并未进水。后来一个专家团队试图修复夹层结构,他们找到一个温度可控的环境,在受损区域周围临时搭起了帐篷。除了修复外,加上挪威船级社的检查和清理工作,在三天之内就完成了修复任务。
  制作质量对于丹麦游艇公司和实现其培养技能的目标来讲至关重要。覆膜机操作者和作业人员会参加一些内部培训,他们除了能够学到制作工艺以外,还能学到:对于企业来讲,技术、材料的不断完善,结构重量的不断减轻是需要大家持续关注的内容。车间管理人员则注意到:来自于使用玻璃钢的各企业以及其他使用传统复合物企业的覆膜机更喜欢由碳制造物提供的更干净、更为舒适的“工作环境”。
  另一个同样采取SWATH 之路的公司是英国的科特鲁克有限公司(CTruk Ltd)。但在此公司船舶的结构夹层中,占主导地位的是玻璃纤维,灌注的是树脂。CTruk 公司称混合结构船通常都比焊接铝合金船有更好的水动外形、更轻的重量,所以能够支持更高速度和更节约燃料的船舶——而速度和燃料对于船舶能够行驶更远的路程来说是格外重要的。像丹麦游艇公司一样,在采取SWATH 方法的时候,CTruk 公司已经牢牢记住了英国的“第三轮规定”:风电场会离海岸更远,天气状况也会更糟糕。围绕轮和第二轮风电场工作的复合材料双体船——包括人人皆知的C20T型船,已有四年的操作经验了。这些经验让CTruk 公司深深地了解到海洋所能带来的影响。公司经理也了解了船舶的性能实际上还能够进一步拓展——至少可以超过应付1.5 米海浪的标准,去应对2.5 米高的海浪。
  那时人们普遍认为SWATH 将会是佳答案——常见的双体服务船在重要的海况中缓和船体晃动能力不足这种船的三分之一。这种形式能在高海位时成功转移人或物,而且对于那些遥远的风电场来讲,CTruk 公司的船舶也能够被吊到风电场附近的母船,即供应船上。用这种方式人员也能够被顺利地转移。这种船同样也引起了海上油气作业的兴趣。
  在转移人员或者装备时,小水线面双体船同样要求借助更小的力来保持涡轮过渡片以支撑住船舶。Stuart Richardson 是斯盖普公司(Skipper)的所有者以及茨文德公司(CWind)的联名业主。他表示他对CTruk 公司生产的船舶特性印象十分深刻——因其可以稳固、可靠的胶着在涡轮机的梯子上。
  CarboCAT 型双体船
  尽管如此,瑞典船舶制造商考库姆公司(Kockums AB)( 考库姆公司属于蒂森克虏伯集团) 以及瑞士设计公司芬特里海洋公司(Fintry Marine AG) 在几年前共同决定:在开发一种快捷服务船只(这种船只能够完成近海的繁重任务)时,他们将不会使用复杂的小水线面双体船。然而,他们后来确实也为其CarboCAT 型双体船的结构选择了碳纤维复合材料。23 米长的CarboClyde商用作业船2010 年开始为波罗的海一号近海风电场工作。人们普遍认为CarboClyde 是只完全采用碳纤维复合材料建造技术制造的商用作业船,完全由挪威船级社分类。
  出于经济和可支持性的考虑,CarboCAT 设立了新的标准: 其公司声称会降低20% 的燃料消耗以及多达25% 的维修费用。另外还将延长船只的使用寿命,提高船只的生产力,减少排放量等等。船舶制造商考库姆公司因能为维斯比级巡逻舰和其它军舰生产快捷碳纤维夹层而广为人知。此公司使用自主研发的名为KVASI 的真空导入工艺来生产船舶。此种船的航海速度能达到每小时25 海里、同时能承载8 吨的材料和12-24 名技术人员,关键就在于它自身的长处以及轻重量的船体结构。现如今,这种船只已是奥普斯海洋有限公司(Opus Marine GmbH)的租赁舰队,主要在德国的海域进行工作。
  其它碳纤维服务船只也或在生产,或预期会生产出来。丹麦的图科海洋公司(Tuco Marine)以其碳纤维增强复合材料的生产技术而出名。此公司已开发出更小的离岸风电运营船作为子船,以从离陆地较远、停在或者靠近风电场的母船处进行操作。
  此公司的新型ProZero 系列包括11 米长和13 米长的船舶,它们分别作为服务专用船和船员转移船来为海上风电场工作。它们都可以通过母船上的吊柱从单点悬挂装置上吊起。这个特点因为碳纤维结构的轻重量而更加的便捷。或者,在母船末端的下水滑道也可以发动或者重新启动服务专用船和船员转移船。
  加拿大新斯科舍省的拖网渔船设计公司已在海上风电场产业领域指导设计出了一系列的新设计。由其设计的20 米、26 米、30 米、35 米长的双体工作船(即Carbon-Cats 系列)都具有真空灌注的夹层结构,这种结构使用的是碳纤维/ 环氧表层船板以及凯芙拉(Kevlar)构造泡沫核心。据一名发言人透露:“碳纤维与铝相比,硬度是其十倍,重量却轻一半以上。一旦有一天我们发现了如何制造能与铝制船相匹敌的船只,我们一定会使用碳纤维。并且碳纤维的获得方式也是相当容易的。”
  这种设计有一种有趣的特点,就是船只可以提高自身速度。在船体之间有一个金属薄片系统:一旦船只达到特定速度,此系统就会操控将船抬起,高过海面,以减少船体浸水体积。人们通常认为碳纤维是唯一足够强硬、弹力也强的材料,以在延长的使用寿命内承载受到金属薄片系统影响的高负荷工作。
  一直以来,美国弹道导弹防御系统都在寻找商业伙伴,以为其径向海上风电场服务船建立一个内部建造系统。
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