全球風(fēng)能理事會(huì)（global wind Energy Council）發(fā)布的一份2020年報(bào)告顯示，海上風(fēng)電裝機(jī)容量已從2009年占全球風(fēng)電裝機(jī)容量的1%增長到2019年的10%以上，裝機(jī)容量為61億瓦。預(yù)計(jì)到2025年，這一比例將翻一番，屆時(shí)年裝機(jī)容量將達(dá)到21.5吉瓦。到2030年，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量將超過31吉瓦，按2024年批量生產(chǎn)的12~15兆瓦機(jī)型計(jì)算，每年的裝機(jī)總量將超過2060至近2600臺(tái)。

海上風(fēng)力渦輪機(jī)提供無碳、公用事業(yè)規(guī)模的發(fā)電，與煤炭和天然氣相比，其成本競爭力越來越凸現(xiàn)優(yōu)勢。自2012年以來，海上風(fēng)力發(fā)電的平均電力成本(LCOE)下降了67.5%。

然而，建造和安裝這樣的龐然大物只是挑戰(zhàn)的一部分。每個(gè)渦輪機(jī)還必須通過高壓電纜（33或66千伏）連接到海上變電站，然后連接到陸上電網(wǎng)。當(dāng)這些海底電纜離開風(fēng)力渦輪機(jī)單樁地基并彎曲到海底時(shí)，必須受到保護(hù)，因?yàn)樗鼈兺ǔ１桓采w在海底。此外，電纜保護(hù)系統(tǒng)必須能夠抵抗海水和海底壓力、洋流和風(fēng)暴的過度彎曲以及單樁基礎(chǔ)周圍巖石的磨損，以確保電纜中的電力不會(huì)中斷。尤其是，電纜損壞的修復(fù)將是困難和耗時(shí)的，因此維護(hù)必須保持在最低限度。

Balmoral是一家領(lǐng)先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造公司。盡管以滿足石油和天然氣行業(yè)的極端需求而聞名，但該公司在玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）方面擁有悠久的歷史。同時(shí)該公司還出產(chǎn)用于各種行業(yè)的先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品，包括水箱、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、波浪和潮汐能組件、水下采油樹組件和保護(hù)罩，以及用于海上管材和專用大批量成型件的導(dǎo)向裝置和扶正器。

Balmoral FibreFlex是該公司的新型高性能保護(hù)系統(tǒng)，用于海上風(fēng)電領(lǐng)域的海底電纜。由機(jī)器人繞線機(jī)生產(chǎn)的創(chuàng)新玻璃纖維格柵可增強(qiáng)彈性聚氨酯基質(zhì)，并機(jī)械鎖定在每個(gè)段的末端連接器中。與未增強(qiáng)的聚氨酯體系相比，這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)200％的拉伸強(qiáng)度提高和150％的彎曲剛度提高，以及顯著改善的抗疲勞性和抗蠕變性，從而確保了在20年或更長時(shí)間無法預(yù)測海況下的使用壽命。同樣重要的是，這種復(fù)合設(shè)計(jì)能夠通過自動(dòng)化的生產(chǎn)過程滿足熱能要求，以實(shí)現(xiàn)最大的電力輸送和風(fēng)能行業(yè)的成本要求。

僅僅添加纖維是不夠的

“我們?yōu)槭秃吞烊粴庾隽舜罅康碾娎|保護(hù)工作，看到可再生能源領(lǐng)域的需求日益增長。”相關(guān)人員說。這家公司開發(fā)了該產(chǎn)品但卻無法令這一技術(shù)正常使用。當(dāng)時(shí)的想法是只添加纖維，這將使其更堅(jiān)固，這等于更好。”然而，正如相關(guān)人員所解釋的：“使用纖維實(shí)際上使產(chǎn)品在強(qiáng)度方面相當(dāng)脆弱。因此，我們必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室工作和測試，以了解其性能和局限性。”

“我們研究了疲勞性能和剛度，這對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)而言絕對(duì)至關(guān)重要。纖維如何影響聚氨酯的硬度非常重要。我們必須根據(jù)疲勞性能和長期老化特性（包括紫外線、溫度、水解和水熱老化）來了解產(chǎn)品性能。”他指出疲勞會(huì)影響纖維/聚氨酯復(fù)合材料的剛度。“我們還必須了解生產(chǎn)過程是如何影響性能的——例如，用聚氨酯浸濕纖維，這是關(guān)鍵。”

最后，對(duì)玻璃纖維/聚氨酯復(fù)合材料進(jìn)行了完整的表征。這種纖維、聚合物和復(fù)合材料的測試是在公司自己的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場完成的。相關(guān)人員指出：“這種合成沒有數(shù)據(jù)表。例如，盡管我們使用的聚氨酯是熱固性的，但它與在復(fù)合鋼板彈簧中使用的材料相比，處于撓曲輪廓波譜的另一端。大多數(shù)復(fù)合材料測試試驗(yàn)室通常不與此類彈性體工作，而彈性體測試試驗(yàn)室不與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工作。因此，我們將兩個(gè)世界結(jié)合在一起，每個(gè)世界在如何設(shè)計(jì)材料和失效模式上都完全不同，在制造中如何處理也完全不同。我們將它們結(jié)合起來，創(chuàng)造出比兩個(gè)組成部分之和更好的東西，這是一件好事。”但這也需要大量的前期工作，然后需要更多的工作來了解如何利用這種卓越的性能來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

相關(guān)人員解釋說，這創(chuàng)造了一種風(fēng)險(xiǎn)較低的非常強(qiáng)大的產(chǎn)品。他指出：“傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)通常會(huì)將末端配件粘到未加固的聚氨酯中。所以，你有一塊可延展的塑料，它可以顯示100%或200%的斷裂伸長率，你必須將它與不銹鋼襯底結(jié)合。這就帶來了很多問題，包括對(duì)表面處理的嚴(yán)格控制，確保所有的引物都與你使用的聚氨酯類型兼容，然后為客戶進(jìn)行測試，以確定這種粘合劑在水下環(huán)境中可以使用30年。如果我們消除了對(duì)這種聯(lián)系的唯一依賴，我們就消除了所有風(fēng)險(xiǎn)。”

精密制造以降低商品成本

“盡管Balmoral主要是定制產(chǎn)品制造商，但我們了解風(fēng)能行業(yè)所需的成本目標(biāo)，這比石油和天然氣更具挑戰(zhàn)性。”相關(guān)人員說，“ FibreFlex是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，我們必須通過智能設(shè)計(jì)和自動(dòng)化制造使其商品化。”他指出，機(jī)器人繞線機(jī)不是一種徑向編織機(jī)。“這是直接的纖維鋪設(shè)。一旦我們將格柵與兩個(gè)端部法蘭連接在一起，就將其放入匹配的金屬模具中，合上模具并注入聚氨酯，以使格柵嵌入聚合物中。”成品復(fù)合層壓板的厚度為30毫米，而直徑則是從標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)選擇的，以適應(yīng)海上風(fēng)電市場中使用的各種電纜。

“此過程需要對(duì)模具進(jìn)行高精度控制。我們將模具加熱到100°C，必須控制溫度以使聚氨酯的粘度適合纖維的浸漬。”關(guān)于生產(chǎn)周期時(shí)間，相關(guān)人員解釋說：“我們?cè)趲追昼妰?nèi)就注入、固化和脫模。” 他指出，與油氣海底開采控制系統(tǒng)聯(lián)系纜初期使用彈性體含氟聚合物的處理時(shí)間相比，這確實(shí)非常短。“我們的過程速度取決于保持嚴(yán)格的過程控制。我們?cè)诠S和設(shè)備上投入了大量資金，我們與所有聚氨酯和纖維制造商合作，以確保能夠在正確的運(yùn)營范圍內(nèi)。”

開拓性的質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)和新產(chǎn)品

FibreFlex產(chǎn)品符合每個(gè)客戶的規(guī)格。“石油和天然氣中的聚合物產(chǎn)品有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。但這種產(chǎn)品是用于海上風(fēng)電，而不是石油和天然氣，它是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，而不是非增強(qiáng)聚合物。因此，我們將產(chǎn)品鑒定建立在第一個(gè)原則上，即基于風(fēng)險(xiǎn)的測試，然后根據(jù)客戶的規(guī)范進(jìn)行測試。例如，一位客戶會(huì)來找我們，并提供設(shè)計(jì)和服務(wù)范圍。我們?cè)谌绾螌⑵滢D(zhuǎn)化為產(chǎn)品需求方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和理解。”

智能設(shè)計(jì)，自動(dòng)化制造。FibreFlex不僅能在窄截面上提供必要的軸向和扭轉(zhuǎn)剛度，還能使用機(jī)器人繞線機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化制造，以滿足海上風(fēng)電行業(yè)對(duì)過程控制和低成本的挑戰(zhàn)性要求。

“所有的疲勞和蠕變測試實(shí)際上都是按照我們的規(guī)范在現(xiàn)場進(jìn)行的，”他繼續(xù)說。“對(duì)于鋼鐵來說，這很簡單；去圖書館挑選你的材料性能和測試標(biāo)準(zhǔn)。但是，對(duì)于S-N曲線，我們的特定復(fù)合材料的疲勞性能是不存在的。我們必須去創(chuàng)造這些。有復(fù)合測試標(biāo)準(zhǔn)，但不專門針對(duì)可再生能源電纜保護(hù)系統(tǒng)。這個(gè)行業(yè)仍在興起，只是還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未出現(xiàn)。你必須有經(jīng)驗(yàn)選擇有效的標(biāo)準(zhǔn)，然后進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的測試，驗(yàn)證疲勞、彎曲、水解等。”

相關(guān)人員說：“對(duì)于復(fù)合材料，我們不是只會(huì)一招。長期以來，我們一直在制作標(biāo)準(zhǔn)的GFRP蓋，使用真空灌注來保護(hù)海底井口和其他設(shè)備。它們的厚度超過100毫米，可以是12米x8米或更大。我們還采用符合人體工程學(xué)的形狀制造了復(fù)合油箱蓋，這樣，所有的載荷都可以側(cè)向轉(zhuǎn)移到法蘭上，以減少厚度。因此，我們?cè)俅慰紤]如何利用纖維和良好的設(shè)計(jì)，將這些直徑可達(dá)36米的罐蓋的重量減少30%。”

FibreFlex是首個(gè)用于可再生能源的商業(yè)系列產(chǎn)品。“但是，我們也在大力開發(fā)波浪能、潮汐能和其他風(fēng)能應(yīng)用。我們已經(jīng)與不同的供應(yīng)商進(jìn)行了許多開發(fā)過程，對(duì)我們來說，所有的工作都是在復(fù)合材料方面。”相關(guān)人員指出，很多新可再生能源技術(shù)都是從鋼鐵組件開始的，“但我們現(xiàn)在看到了向復(fù)合材料的巨大轉(zhuǎn)變。我們了解復(fù)合材料可以為他們做什么，以及如何開發(fā)設(shè)計(jì)，以提供所需的性能和成本。”

文章來源：榮格-《國際復(fù)材技術(shù)商情》