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玻纤复合材料为海底电缆保驾护航

全球风能理事会(global wind Energy Council)发布的一份2020年报告显示,海上风电装机容量已从2009年占全球风电装机容量的1%增长到2019年的10%以上,装机容量为61亿瓦。预计到2025年,这一比例将翻一番,届时年装机容量将达到21.5吉瓦。到2030年,预计装机容量将超过31吉瓦,按2024年批量生产的12~15兆瓦机型计算,每年的装机总量将超过2060至近2600台。

海上风力涡轮机提供无碳、公用事业规模的发电,与煤炭和天然气相比,其成本竞争力越来越凸现优势。自2012年以来,海上风力发电的平均电力成本(LCOE)下降了67.5%。

然而,建造和安装这样的庞然大物只是挑战的一部分。每个涡轮机还必须通过高压电缆(33或66千伏)连接到海上变电站,然后连接到陆上电网。当这些海底电缆离开风力涡轮机单桩地基并弯曲到海底时,必须受到保护,因为它们通常被覆盖在海底。此外,电缆保护系统必须能够抵抗海水和海底压力、洋流和风暴的过度弯曲以及单桩基础周围岩石的磨损,以确保电缆中的电力不会中断。尤其是,电缆损坏的修复将是困难和耗时的,因此维护必须保持在最低限度。

玻纤复合材料为海底电缆保驾护航

Balmoral是一家领先的产品设计和制造公司。尽管以满足石油和天然气行业的极端需求而闻名,但该公司在玻璃纤维增强聚合物(GFRP)方面拥有悠久的历史。同时该公司还出产用于各种行业的先进复合材料产品,包括水箱、风力涡轮机叶片、波浪和潮汐能组件、水下采油树组件和保护罩,以及用于海上管材和专用大批量成型件的导向装置和扶正器。

Balmoral FibreFlex是该公司的新型高性能保护系统,用于海上风电领域的海底电缆。由机器人绕线机生产的创新玻璃纤维格栅可增强弹性聚氨酯基质,并机械锁定在每个段的末端连接器中。与未增强的聚氨酯体系相比,这种设计可实现200%的拉伸强度提高和150%的弯曲刚度提高,以及显著改善的抗疲劳性和抗蠕变性,从而确保了在20年或更长时间无法预测海况下的使用寿命。同样重要的是,这种复合设计能够通过自动化的生产过程满足热能要求,以实现最大的电力输送和风能行业的成本要求。

仅仅添加纤维是不够的

“我们为石油和天然气做了大量的电缆保护工作,看到可再生能源领域的需求日益增长。”相关人员说。这家公司开发了该产品但却无法令这一技术正常使用。当时的想法是只添加纤维,这将使其更坚固,这等于更好。”然而,正如相关人员所解释的:“使用纤维实际上使产品在强度方面相当脆弱。因此,我们必须对产品进行实验室工作和测试,以了解其性能和局限性。”

“我们研究了疲劳性能和刚度,这对于设计参数而言绝对至关重要。纤维如何影响聚氨酯的硬度非常重要。我们必须根据疲劳性能和长期老化特性(包括紫外线、温度、水解和水热老化)来了解产品性能。”他指出疲劳会影响纤维/聚氨酯复合材料的刚度。“我们还必须了解生产过程是如何影响性能的——例如,用聚氨酯浸湿纤维,这是关键。”

最后,对玻璃纤维/聚氨酯复合材料进行了完整的表征。这种纤维、聚合物和复合材料的测试是在公司自己的实验室现场完成的。相关人员指出:“这种合成没有数据表。例如,尽管我们使用的聚氨酯是热固性的,但它与在复合钢板弹簧中使用的材料相比,处于挠曲轮廓波谱的另一端。大多数复合材料测试试验室通常不与此类弹性体工作,而弹性体测试试验室不与纤维增强复合材料工作。因此,我们将两个世界结合在一起,每个世界在如何设计材料和失效模式上都完全不同,在制造中如何处理也完全不同。我们将它们结合起来,创造出比两个组成部分之和更好的东西,这是一件好事。”但这也需要大量的前期工作,然后需要更多的工作来了解如何利用这种卓越的性能来优化设计。

相关人员解释说,这创造了一种风险较低的非常强大的产品。他指出:“传统的保护系统通常会将末端配件粘到未加固的聚氨酯中。所以,你有一块可延展的塑料,它可以显示100%或200%的断裂伸长率,你必须将它与不锈钢衬底结合。这就带来了很多问题,包括对表面处理的严格控制,确保所有的引物都与你使用的聚氨酯类型兼容,然后为客户进行测试,以确定这种粘合剂在水下环境中可以使用30年。如果我们消除了对这种联系的唯一依赖,我们就消除了所有风险。”

精密制造以降低商品成本

“尽管Balmoral主要是定制产品制造商,但我们了解风能行业所需的成本目标,这比石油和天然气更具挑战性。”相关人员说,“ FibreFlex是一项昂贵的技术,我们必须通过智能设计和自动化制造使其商品化。”他指出,机器人绕线机不是一种径向编织机。“这是直接的纤维铺设。一旦我们将格栅与两个端部法兰连接在一起,就将其放入匹配的金属模具中,合上模具并注入聚氨酯,以使格栅嵌入聚合物中。”成品复合层压板的厚度为30毫米,而直径则是从标准范围内选择的,以适应海上风电市场中使用的各种电缆。

“此过程需要对模具进行高精度控制。我们将模具加热到100°C,必须控制温度以使聚氨酯的粘度适合纤维的浸渍。”关于生产周期时间,相关人员解释说:“我们在几分钟内就注入、固化和脱模。” 他指出,与油气海底开采控制系统联系缆初期使用弹性体含氟聚合物的处理时间相比,这确实非常短。“我们的过程速度取决于保持严格的过程控制。我们在工厂和设备上投入了大量资金,我们与所有聚氨酯和纤维制造商合作,以确保能够在正确的运营范围内。”

开拓性的质量、标准和新产品

FibreFlex产品符合每个客户的规格。“石油和天然气中的聚合物产品有标准规格。但这种产品是用于海上风电,而不是石油和天然气,它是一种纤维增强复合材料,而不是非增强聚合物。因此,我们将产品鉴定建立在第一个原则上,即基于风险的测试,然后根据客户的规范进行测试。例如,一位客户会来找我们,并提供设计和服务范围。我们在如何将其转化为产品需求方面拥有丰富的经验和理解。”

智能设计,自动化制造。FibreFlex不仅能在窄截面上提供必要的轴向和扭转刚度,还能使用机器人绕线机进行自动化制造,以满足海上风电行业对过程控制和低成本的挑战性要求。

“所有的疲劳和蠕变测试实际上都是按照我们的规范在现场进行的,”他继续说。“对于钢铁来说,这很简单;去图书馆挑选你的材料性能和测试标准。但是,对于S-N曲线,我们的特定复合材料的疲劳性能是不存在的。我们必须去创造这些。有复合测试标准,但不专门针对可再生能源电缆保护系统。这个行业仍在兴起,只是还没有相关标准还未出现。你必须有经验选择有效的标准,然后进行基于风险的测试,验证疲劳、弯曲、水解等。”

相关人员说:“对于复合材料,我们不是只会一招。长期以来,我们一直在制作标准的GFRP盖,使用真空灌注来保护海底井口和其他设备。它们的厚度超过100毫米,可以是12米x8米或更大。我们还采用符合人体工程学的形状制造了复合油箱盖,这样,所有的载荷都可以侧向转移到法兰上,以减少厚度。因此,我们再次考虑如何利用纤维和良好的设计,将这些直径可达36米的罐盖的重量减少30%。”

FibreFlex是首个用于可再生能源的商业系列产品。“但是,我们也在大力开发波浪能、潮汐能和其他风能应用。我们已经与不同的供应商进行了许多开发过程,对我们来说,所有的工作都是在复合材料方面。”相关人员指出,很多新可再生能源技术都是从钢铁组件开始的,“但我们现在看到了向复合材料的巨大转变。我们了解复合材料可以为他们做什么,以及如何开发设计,以提供所需的性能和成本。”

文章来源:荣格-《国际复材技术商情》


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