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干货 | 海洋新材料之深海浮力材料

2017-11-23 10:50:09
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

21 世纪是海洋的世纪,世界各国正在调整自己的海洋政策以及海洋领域的种种举措,加大对于海洋资源的开发与利用。对深海资源进行勘探开发,主要依赖于水下开采作业装备的研究和制造。浮力材料能为深海水下作业装置提供尽可能大的净浮力,在水下起到浮力补偿的作用,是深海开发装置的重要配置材料。

    21 世纪是海洋的世纪,世界各国正在调整自己的海洋政策以及海洋领域的种种举措,加大对于海洋资源的开发与利用。对深海资源进行勘探开发,主要依赖于水下开采作业装备的研究和制造。浮力材料能为深海水下作业装置提供尽可能大的净浮力,在水下起到浮力补偿的作用,是深海开发装置的重要配置材料。

    浮力材料简介
 
    浮力材料具备高强度、低密度、低吸水率等优异的性能,因此广泛应用在海洋、航空航天等领域,其中,最重要的应用是装配在深海装备上,为其提供浮力和保证设备的平衡。海下环境复杂多端,海深每增加 1000 m,压力就相应的增加 10 MPa,因此,根据应用海深的不同,所采用的浮力材料密度、强度等性能均有所不同。

    我们通常把固体浮力材料分为两类:

    一类是包括常见的浮筒、浮球及木材或橡胶制作的浮力材料,我们统称为传统浮力材料;传统的浮力材料一般低密度汽油、氨、硅油等液体浮桶、泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝、金属锂、木材和聚烯烃材料等。封装的液体浮桶易漏,容易污染海域,泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫铝和木材的模量、强度较小,不能满足深海使用。金属锂的强度和模量能满足深海使用,但是其与水反应,且价格较贵。浅海用浮力材料通常采用软木、浮力球、浮力筒及具有一定强的合成泡沫塑料或合成橡胶。
 
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    另一类是一种强度高、密度低的材料,我们称其为高强轻质浮力材料,它是先进复合材料的范围之中的,固体浮力材料的浮力调节介质包括气体空穴、空心微球、中空塑料球或大径玻璃球组合。根据浮力调节介质的不同可以分为以下三大类:

    化学发泡法浮力材料
 
    化学发泡法浮力材料是利用化学发泡法制成的一类泡沫复合材料,即利用树脂固化热使化学发泡剂分解产生气体,分散于树脂中发泡,然后浇铸成型。

    特点:可根据使用要求调整发泡剂用量形成不同密度的化学发泡法固体浮力材料,具有质轻、隔热、隔音、减震等优良性能。

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    常用的材料:主要有聚氨醋泡沫、环氧泡沫塑料、聚氨酷环氧硬质泡沫、聚甲基丙酰亚胺泡沫等。

    主要应用领域:水面或浅海等领域。

    中空微球复合泡沫浮力材料
 
    中空微球复合泡沫浮力材料是由树脂作为基体材料,填充浮力调节机制,经加热固化成型得到的复合材料。目前性能优良,使用最广泛的浮力调节机制是空心玻璃微珠。

    特点:

    1、纯复合泡沫固体浮力材料具有可设计性,通过调整空心微球的粒径大小以及填充量可设计出不同密度和力学性能的固体浮力材料;
 
    2、具有低密度、高压缩强度、低蠕变和良好的耐水性能以及优越的隔热隔音和电性能等特性,可满足不同使用的要求。

    主要应用领域:主要应用在海军舰艇、水下平台、深海探测设备、深水设备的保护罩、水下管道连接和电缆牵引。

    轻质合成复合泡沫浮力材料
 
    为了使浮力材料的密度进一步降低,在复合泡沫浮力材料中加入了一些大直径由高强度纤维合成的空心球,由空心球﹑空心玻璃微珠和环氧树脂组成的复合泡沫材料称为轻质合成复合泡沫材料,又名三相复合泡沫材料。

    特点:相比于两相复合泡沫材料,三相复合泡沫材料的密度更低,同时意味着耐压强度低,这是由于三相复合泡沫材料的微球填充量增大,填充的环氧树脂减少,使得材料的性能主要取决于微球,但其强度要高于一般的化学发泡浮力材料。

    主要应用领域:三相复合泡沫材料可以应用于强度要求不是很高的场合,一般在水下 4000 m 内水深区适用。

    由于材料的不同,固体浮力材料各有各的特点,在不同的领域中发挥着不同的用途,化学发泡材料、轻质合成复合塑料较多的应用于海面或者浅海勘探设备,而中空玻璃微珠和树脂基体复合而成的复合泡沫材料则更多的用于深海勘探设备上,因为它的密度相对较小,强度相对较大,比较适用于深海环境。

    深海用浮力材料的性能要求
 
    深海装备使用的材料应具有耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击的特性。根据深海开发装置的性能、使用条件,深海探测用浮力材料必须满足如下要求:

    (1)静水压力(潜器每潜深 100m, 水压增加 1Mpa),不会在规定的使用深度以内造成破坏,即抗压条件;
 
    (2)浮力材料的密度尽可能的小,使其单位体积提供尽可能大的浮力,从而提高无人潜器的工作性能;
 
    (3)低的吸水率和高体积弹性模量,使它在较大的水压下能提供稳定的浮力,保证潜器安全可靠的工作。

    通常浮力材料的选择对于整个水下作业系统至关重要,在海洋探测与海洋开发实际应用中,通常主要有三种:聚氨酯泡沫材料、共聚物泡沫材料和复合泡沫材料。三种常用固体浮力材料的特性和应用特性对比见下表。

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    国内外浮力材料研究概况
 
    高强度浮力材料在深海作业系统中起到极为关键的作用,所以美、英、日、俄等工业强国在二十世纪 60 年代就开始进行研制,并已在民用、商业及军事领域得到了广泛应用,如海底埋缆机、声学多普勒流速剖面仪平台、零浮力拖体、无人遥控潜水器、载人潜水器等。

    国外的固体浮力材料的主要制造商有:美国的 Emerson& Cuming 公司,Flotec 公司,欧洲 Trelleborg?Offshore 公司、Flotation?Technologies 公司、Marine?Subsea?Group 公司、英国CRP集团、法国LA?SEYNE?SUR?MER、乌克兰国立海洋技术大学、日本海洋技术中心、俄罗斯海洋技术研究所等。

    目前,深水浮力材料制备技术主要为美国、俄罗斯、日本等国所掌握,在市场上形成垄断销售。国内浮力材料与国外相比,耐压强度低,可靠性能差,最大工作深度与国外产品有巨大差距。

    在国家的鼓励支持下,2000 年以来国内相关科研院所及高校许多学者采用轻质材料(陶瓷微珠、空心微珠)研制了多种类型固体浮力材料,比如:哈尔滨工程大学、北京航空航天大学、浙江大学、北京科技大学、中国海洋大学、武汉理工大学、国家海洋技术中心、西北工业大学、中科院理化技术研究所、中国船舶重工集团七一零研究所和七二五研究所等,大多处在实验室研究阶段。

    虽然我国在该领域已开展了多年的相关研究,但在深潜用固体浮力材料性能方面仍落后于国外先进水平。近年,国内能够批量生产的有以下几家:青岛海洋化工研究院、湖北海山科技有限公司、台州中浮新材料科技股份有限公司、河南泛锐复合材料研究院。随着海洋技术的开发,深水浮力材料的应用前景非常广阔,开展高性能深水浮力材料及应用技术的研发和产业化生产,替代进口产品,具有较大的市场机会,且更具有重要的科学意义和现实经济意义。

    固体浮力材料应用领域
 
    与传统浮力材料相比,密度小﹑耐压强度高﹑耐候性好﹑吸水率少﹑稳定性好的固体浮力材料,一经问世就在海洋技术领域显示出无可比拟的优势。此外,固体浮力材料还具有优异的可加工性能,通过锯﹑刨﹑车等加工手段,可加工成任意形状,满足实际使用要求,这不仅大大的提高了效率,而且节约了成本,解决了传统浮力材料不可再加工的特点,成为 21 世纪的新型特种海洋工程材料,广泛应用于深海运载和作业装备﹑海上石油系统﹑海洋调查监测系统﹑海洋采矿系统﹑浮标系统等海洋领域。

    固体浮力材料在深海运载和作业装备的应用
 
    近几年,随着海洋战略资源地位的不断提高,世界各国开始纷纷研制深海运载和作业装置,如水下机器人﹑载人潜水器等。水下运载系统对于海洋开发和利用具有重要的意义。

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    为了满足在深海工作的使用要求,水下运载系统的浮力材料一般为高性能固体浮力材料。由高性能固体浮力材料制备的水下运载系统,不仅能够下潜到更大的深度,提高有效载荷,减少能耗,而且还能保持水下稳定的工作状态,是 21世纪深潜技术中不可或缺的重要组成部分。
 
    固体浮力材料在海洋石油系统的应用
 
    为了保证石油勘探装置在深水中的稳定工作,需要安装固体浮力材料,为其提够足够的静浮力。因此,固体浮力材料广泛应用于水下浮体模块﹑管线弯曲保护浮体﹑海缆及管线保护﹑海洋钻井立管浮体﹑电缆及管线保护浮体﹑隔水管浮体﹑井口保护盖浮体﹑水面浮体﹑平台浮体﹑储油罐浮体等海洋石油开采当中。

    固体浮力材料在海洋调查监测系统的应用
 
    海洋观测仪器长期在恶劣的海洋环境中工作,这就需要对其提供必要的保护以及能够持续提供静浮力的浮力装置。前期的海洋观测仪器一般通过空心金属桶﹑玻璃球提供保护和浮力,但存在使用不便﹑浮力小等缺点。固体浮力材料不仅密度小,能够提供超群的浮力,而且耐压强度高,对仪器起到保护作用。因此,固体浮力材料已经逐渐取代传统材料,成为海洋调查检测系统重要的组成部分。

    固体浮力材料在海洋采矿系统的应用
 
    海洋矿产资源十分丰富,仅仅太平洋的储存量就高达 1.7万亿吨,其中包含大量锰﹑镍﹑铜﹑钴等珍贵金属资源。因此,深海开采技术已经得到各国越来越多的重视。深海开采包括矿产的采集﹑输送系统﹑制备装载系统和检测系统等,是一个多环节复杂的系统工程。

    固体浮力材料在海洋采矿系统中主要为机重调节部件,调节装置的浮力状态,保证装置在水下正常稳定工作。因此,固体浮力材料在海洋采矿系统中发挥重要的作用。

    固体浮力材料在浮标系统中的应用
 
    海洋浮标是以在海上的观测浮标为主体保证水上运输和航行安全的重要观测站。由高强固体浮力材料构成的浮标具有耐候性好﹑无污染﹑实用性强﹑便于维护﹑经济性高等特点,广泛应用于浮标系统中。

    结语
 
    浮力材料是深海探测与海洋开发重要的配套材料,是发展现代深潜技术的重要组成部分。经过多年的不懈努力,我国已经形成了具有自主知识产权的浮力材料系列产品,并得到了广泛的应用。但由于其核心原料——高性能空心玻璃微珠的缺乏,使得浮力材料性能与国外相比仍有一定的差距,且规模化程度小,生产效率低。下一步研究方向是研制出高性能的商品化的浮力材料,与世界先进水平保持同步,更好地服务于国家深海探测和海洋资源的勘探开发。

 

标签: 海洋, 新材料, 浮力材料

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