碳纖維正轉變著風電場

  在組成“海上風電場服務船”的所有復合材料中,高級的當屬碳復合材料。這種材料由丹麥游艇公司(Danish Yschts A/S)開發和生產, 由這種材料制成的船自2013年以來都在北海工作。此公司的產品——有著碳/ 環氧夾層結構的小水線面雙體船(SWATH)已經獲得了廣大用戶的高度贊揚,但是人們通常認為他們早生產的四艘客船是代產品。另外,此公司和專注于復合材料工程的固瑞特公司(Gurit AG)近聯合開展了一個項目,改良了客船的設計。從此,第二代客船的制造技術開始運用于丹麥斯卡恩的造船廠。第五艘船,也就是第二代產品中的艘,也在2014 年的夏天被運送至挪威奧德菲爾風場開始其工作。
  當丹麥游艇公司還在從以往經驗中消化吸收人們對于前四艘25 米長的Cat/ 小水線面雙體船技術的反饋時(Cat的意思是這些船舶同樣也可以作為雙體船使用),他們也開始與固瑞特公司合作,重新考慮船的結構設計,探討是否能夠使船的重量更輕。多虧了此次二次優化考慮,第五艘船的重量比之前的都輕15%,此后的船也亦是如此。
  固瑞特公司的結構設計師David Olsen 解釋道:“通過開發一種更為適宜的結構布局,我們以一種安全的方式,成功地做到了減少船板的表面數量和內核厚度。船舶結構的有限要素模型,使我們能夠辨認出關鍵的、能適當支持其結構的初級負載路徑和位置,同時也能讓我們辨識出次關鍵的要素——這些要素的重量可以更輕,在某些情況下甚至可以減輕至零。”
      
  除了二次考慮減輕重量,舵手室也被重新設計,其重量同樣被減輕。因為這樣會降低船體的重心和橫搖力矩。除此之外,從橋上看,舵手室的全方位視野也增強了。
  固瑞特公司早已開始為早期船舶的船體和甲板供應完整的材料包。注入夾層結構的材料包括PrimeTM 20LV 型環氧樹脂以及不同形式的預切、預裝的Gurit CorecellTM構造泡沫。為了盡量減少圍繞在泡沫板接口處切口的樹脂攝取量,固瑞特公司特地推出了雙向切割Corecell M 型構造泡沫。預裝型構造泡沫對于建立二維的模型起到了很大的作用,當然對船體水下浮筒的三維模型的構造也能起到很大幫助——它更為復雜,并且需要更厚的構造泡沫層。
  很多個零散的原材料隨后都會與注入殼結合,這過程中使用了固瑞特公司Spabond 340V 結構膠;而Ampreg22 結構膠則會在材料的二次結合以及濕式冷燙過程中派上用場。
      
  Michael Nielsen 是丹麥游艇公司的復合材料技術部經理。他對《增強塑料》表示,每一艘船的甲板都主要由放置在真空吸附平臺上的平板組成,它們隨之會被稍加處理成型,然后結合在一起。然而每艘船的船體因有復雜的彎曲度而會被輸注到兩種凹模中,一種適用于船體的下部,另一種適用于上部——即“甲板”部分。
  在強調輸注過程中需要付出多大耐心時,他解釋道:“光是準備好所有的材料就需要2 到3 周的時間——需要準備的東西有泵、真空管線和密封裝置等等。接下來,關鍵的輸注過程本身需要8到10個小時。然后,初固化過程通常在室溫20 攝氏度下進行,之后,后固化程序在室溫65 攝氏度下進行,并且會持續7 到10 小時。加熱過程是借助空氣對流進行的。熱空氣被抽入一種帳篷形的大容器,這其中就包含了相應的模型。精確的分區控制以及延展性強的熱電偶控制下的溫度可以確保夾層的每一個部分都被全面灌注以及固化。”
  每個船體的夾層中都包含了一種優良的外部玻璃纖維,即“研磨層”。人們可以有選擇性的研磨和拋光這種夾層——但是這個過程是在船體脫模之后進行的,因為這樣的話人們就可以直接應用后保護性的涂料了,并且還避免了對于凝膠漆的有關高要求。
  由于丹麥游艇公司的席執行官Patrick Von Sydow 對于之前與固瑞特公司合作生產的代船舶非常滿意,所以他又一次指派固瑞特公司為其第二代產品——32 米長的Cat/ 小水線面雙體船提供全套的材料包。這次的產品專注于為油、氣、風電場以及其它工業服務。所有的第二代船舶都依據了國際海事組織的高速艇碼設計,并遵守了挪威船級社為代的四艘船設定的載客規章制度和德國勞埃德船級社為第二代船舶設定的載客制度。另外,第二代船舶還達到了25 年的使用壽命。
  “游艇之根”
  就像這個名字一樣,丹麥游艇公司使用碳纖維復合材料的經驗是從高端游艇的制造中來的,其經驗扎根于這些高端游艇——當然也包括超級游艇。盡管超級游艇的主人們可以買的起這些游艇,并且沉湎于新、潮的技術中,完全不在意金錢支出多少,但是相比之下丹麥游艇公司卻更傾向于游艇能燃油量更少,維護費用更少,重量更輕以及廢氣排放量更少、加之小功率、但安裝上卻很合適的發動機。尤其當當地環境限制游艇的使用時(例如游艇在歐盟的限制廢氣排放區域行駛),以上這些因素顯得更為重要。
  商業船舶的操作員對于以上提到的游艇優勢就有更大的需求了。他們其中已經有很多人愿意為碳纖維復合物能夠給予的這些優勢而額外支付的費用。然而,這些優勢也有其限制條件。有意思的是,丹麥游艇公司沒有采用能夠生產高級游艇的預浸材料生產技術,而是為其Cat/ 小水線面雙體船采用了輸注技術。輸注技術運用的很廣,原因是價格相對更低廉。
  無論如何,運營經理Steve Smith 還是為船舶經營者的趨向感到惋惜。因為他認為現在的游艇經營者都過于注重初始投資。正如他所說:“假設碳纖維更為昂貴,那么與玻璃鋼、鋁或是鋼制材料這些費用相比,游艇這個行業更為注重的是購置成本。但是這其中不包括壽命周期成本。”
  他還解釋說,在燃料上節省的花費可以在游艇的壽命期限內節省上萬美元,并且可節省的花費還在逐漸增加。在有嚴格規定的環境中行駛時,也會節省一些費用。此外,丹麥的碳纖維船舶的設計可以縮短停機維護和檢修時間,因此游艇會做到全天候可靠工作。并且游艇的生產也提高了產量。這種游艇無論在什么樣的天氣狀況下都能夠出海,這種特性已成為一種傳奇。
  市場銷售經理意Orazio Pollaci 還補充說,有些高官們已經適應了使用與先進飛機、一級方程式汽車相同成本的材料。而這些人應該牢記:除了一些部件需要特定的高級材料外,實際上到2020年,碳質材料成本將會降低,甚至比1970 年還低80%。
  除了輕重量外,夾層結構也同樣具有其他顯著的性能。它不僅具有堅硬牢固的特點,而且結構冗余——這源于表層船板。因此如果有意外情況導致進水的話,水不會只穿透一個船板,而是會將兩個船板都穿透。如果有損壞的情況發生,已熟悉修復玻璃鋼的技術,需要與碳纖維增強復合材料的修復技術大體一致。
  Steve Smith 引用了一個例子,在一場暴風雨中,曾有一艘碳纖維Cat/ 小水線面雙體船因撞上海港圍墻而受到了損毀。此次事故造成船體大面積開裂。盡管夾層結構中外層的碳纖維船板上有裂痕,但是船體并未進水。后來一個專家團隊試圖修復夾層結構,他們找到一個溫度可控的環境,在受損區域周圍臨時搭起了帳篷。除了修復外,加上挪威船級社的檢查和清理工作,在三天之內就完成了修復任務。
  制作質量對于丹麥游艇公司和實現其培養技能的目標來講至關重要。覆膜機操作者和作業人員會參加一些內部培訓,他們除了能夠學到制作工藝以外,還能學到:對于企業來講,技術、材料的不斷完善,結構重量的不斷減輕是需要大家持續關注的內容。車間管理人員則注意到:來自于使用玻璃鋼的各企業以及其他使用傳統復合物企業的覆膜機更喜歡由碳制造物提供的更干凈、更為舒適的“工作環境”。
  另一個同樣采取SWATH 之路的公司是英國的科特魯克有限公司(CTruk Ltd)。但在此公司船舶的結構夾層中,占主導地位的是玻璃纖維,灌注的是樹脂。CTruk 公司稱混合結構船通常都比焊接鋁合金船有更好的水動外形、更輕的重量,所以能夠支持更高速度和更節約燃料的船舶——而速度和燃料對于船舶能夠行駛更遠的路程來說是格外重要的。像丹麥游艇公司一樣,在采取SWATH 方法的時候,CTruk 公司已經牢牢記住了英國的“第三輪規定”:風電場會離海岸更遠,天氣狀況也會更糟糕。圍繞輪和第二輪風電場工作的復合材料雙體船——包括人人皆知的C20T型船,已有四年的操作經驗了。這些經驗讓CTruk 公司深深地了解到海洋所能帶來的影響。公司經理也了解了船舶的性能實際上還能夠進一步拓展——至少可以超過應付1.5 米海浪的標準,去應對2.5 米高的海浪。
  那時人們普遍認為SWATH 將會是佳答案——常見的雙體服務船在重要的海況中緩和船體晃動能力不足這種船的三分之一。這種形式能在高海位時成功轉移人或物,而且對于那些遙遠的風電場來講,CTruk 公司的船舶也能夠被吊到風電場附近的母船,即供應船上。用這種方式人員也能夠被順利地轉移。這種船同樣也引起了海上油氣作業的興趣。
  在轉移人員或者裝備時,小水線面雙體船同樣要求借助更小的力來保持渦輪過渡片以支撐住船舶。Stuart Richardson 是斯蓋普公司(Skipper)的所有者以及茨文德公司(CWind)的聯名業主。他表示他對CTruk 公司生產的船舶特性印象十分深刻——因其可以穩固、可靠的膠著在渦輪機的梯子上。
  CarboCAT 型雙體船
  盡管如此,瑞典船舶制造商考庫姆公司(Kockums AB)( 考庫姆公司屬于蒂森克虜伯集團) 以及瑞士設計公司芬特里海洋公司(Fintry Marine AG) 在幾年前共同決定:在開發一種快捷服務船只(這種船只能夠完成近海的繁重任務)時,他們將不會使用復雜的小水線面雙體船。然而,他們后來確實也為其CarboCAT 型雙體船的結構選擇了碳纖維復合材料。23 米長的CarboClyde商用作業船2010 年開始為波羅的海一號近海風電場工作。人們普遍認為CarboClyde 是只完全采用碳纖維復合材料建造技術制造的商用作業船,完全由挪威船級社分類。
  出于經濟和可支持性的考慮,CarboCAT 設立了新的標準: 其公司聲稱會降低20% 的燃料消耗以及多達25% 的維修費用。另外還將延長船只的使用壽命,提高船只的生產力,減少排放量等等。船舶制造商考庫姆公司因能為維斯比級巡邏艦和其它軍艦生產快捷碳纖維夾層而廣為人知。此公司使用自主研發的名為KVASI 的真空導入工藝來生產船舶。此種船的航海速度能達到每小時25 海里、同時能承載8 噸的材料和12-24 名技術人員,關鍵就在于它自身的長處以及輕重量的船體結構?,F如今,這種船只已是奧普斯海洋有限公司(Opus Marine GmbH)的租賃艦隊,主要在德國的海域進行工作。
  其它碳纖維服務船只也或在生產,或預期會生產出來。丹麥的圖科海洋公司(Tuco Marine)以其碳纖維增強復合材料的生產技術而出名。此公司已開發出更小的離岸風電運營船作為子船,以從離陸地較遠、停在或者靠近風電場的母船處進行操作。
  此公司的新型ProZero 系列包括11 米長和13 米長的船舶,它們分別作為服務專用船和船員轉移船來為海上風電場工作。它們都可以通過母船上的吊柱從單點懸掛裝置上吊起。這個特點因為碳纖維結構的輕重量而更加的便捷?;蛘?,在母船末端的下水滑道也可以發動或者重新啟動服務專用船和船員轉移船。
  加拿大新斯科舍省的拖網漁船設計公司已在海上風電場產業領域指導設計出了一系列的新設計。由其設計的20 米、26 米、30 米、35 米長的雙體工作船(即Carbon-Cats 系列)都具有真空灌注的夾層結構,這種結構使用的是碳纖維/ 環氧表層船板以及凱芙拉(Kevlar)構造泡沫核心。據一名發言人透露:“碳纖維與鋁相比,硬度是其十倍,重量卻輕一半以上。一旦有一天我們發現了如何制造能與鋁制船相匹敵的船只,我們一定會使用碳纖維。并且碳纖維的獲得方式也是相當容易的。”
  這種設計有一種有趣的特點,就是船只可以提高自身速度。在船體之間有一個金屬薄片系統:一旦船只達到特定速度,此系統就會操控將船抬起,高過海面,以減少船體浸水體積。人們通常認為碳纖維是唯一足夠強硬、彈力也強的材料,以在延長的使用壽命內承載受到金屬薄片系統影響的高負荷工作。
  一直以來,美國彈道導彈防御系統都在尋找商業伙伴,以為其徑向海上風電場服務船建立一個內部建造系統。
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