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玻纖復合材料為海底電纜保駕護航
發布時間:2021/6/23 10:48:15   瀏覽次數:107

全球風能理事會(global wind Energy Council)發布的一份2020年報告顯示,海上風電裝機容量已從2009年占全球風電裝機容量的1%增長到2019年的10%以上,裝機容量為61億瓦。預計到2025年,這一比例將翻一番,屆時年裝機容量將達到21.5吉瓦。到2030年,預計裝機容量將超過31吉瓦,按2024年批量生產的12~15兆瓦(MW)機型計算,每年的裝機總量將超過2060至近2600臺。

海上風力渦輪機提供無碳、公用事業規模的發電,與煤炭和天然氣相比,其成本競爭力越來越凸現優勢。自2012年以來,海上風力發電的平均電力成本(LCOE)下降了67.5%,至84美元/兆瓦時,由于更大的渦輪機和兆瓦級項目,預計到2025年將下降至58美元/兆瓦時。

然而,建造和安裝這樣的龐然大物只是挑戰的一部分。每個渦輪機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。當這些海底電纜離開風力渦輪機單樁地基并彎曲到海底時,必須受到保護,因為它們通常被覆蓋在海底。此外,電纜保護系統必須能夠抵抗海水和海底壓力、洋流和風暴的過度彎曲以及單樁基礎周圍巖石的磨損,以確保電纜中的電力不會中斷。尤其是,電纜損壞的修復將是困難和耗時的,因此維護必須保持在最低限度。

Balmoral(蘇格蘭阿伯丁)是一家領先的產品設計和制造公司,成立于1980年。盡管以滿足石油和天然氣行業的極端需求而聞名,但該公司在玻璃纖維增強聚合物(GFRP)方面擁有悠久的歷史。同時該公司還出產用于各種行業的先進復合材料產品,包括水箱、風力渦輪機葉片、波浪和潮汐能組件、水下采油樹組件和保護罩,以及用于海上管材和專用大批量成型件的導向裝置和扶正器。

“我們必須了解產品的疲勞性能和長期老化特性,包括紫外線、溫度、水解和水熱老化等方面。”

Balmoral FibreFlex是該公司的新型高性能保護系統,用于海上風電領域的海底電纜。由機器人繞線機生產的創新玻璃纖維格柵可增強彈性聚氨酯基質,并機械鎖定在每個段的末端連接器中。與未增強的聚氨酯體系相比,這種設計可實現200%的拉伸強度提高和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年或更長時間無法預測海況下的使用壽命。同樣重要的是,這種復合設計能夠通過自動化的生產過程滿足熱能要求,以實現最大的電力輸送和風能行業的成本要求。

僅僅添加纖維是不夠的

“我們為石油和天然氣做了大量的電纜保護工作,看到可再生能源領域的需求日益增長。”Balmoral工程與項目總監Fraser Milne說:“FibreFlex產品是通過收購一家公司而獲得的。這家公司開發了該產品但卻無法令這一技術正常使用。當時的想法是只添加纖維,這將使其更堅固,這等于更好。”然而,正如Balmoral產品研發經理Aneel Gill博士所解釋的:“使用纖維實際上使產品在強度方面相當脆弱。因此,我們必須對產品進行實驗室工作和測試,以了解其性能和局限性。”

“我們研究了疲勞性能和剛度,這對于設計參數而言絕對至關重要。纖維如何影響聚氨酯的硬度非常重要。我們必須根據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)來了解產品性能。”他指出疲勞會影響纖維/聚氨酯復合材料的剛度。“我們還必須了解生產過程是如何影響性能的——例如,用聚氨酯浸濕纖維,這是關鍵。”

最后,Balmoral對玻璃纖維/聚氨酯復合材料進行了完整的表征。這種纖維、聚合物和復合材料的測試是在公司自己的實驗室現場完成的。Gill指出:“這種合成沒有數據表。例如,盡管我們使用的聚氨酯是熱固性的,但它與在復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。大多數復合材料測試試驗室通常不與此類彈性體工作,而彈性體測試試驗室不與纖維增強復合材料工作。因此,我們將兩個世界結合在一起,每個世界在如何設計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。我們將它們結合起來,創造出比兩個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化設計。

Gill解釋說,這創造了一種風險較低的非常強大的產品。他指出:“傳統的保護系統通常會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合。這就帶來了很多問題,包括對表面處理的嚴格控制,確保所有的引物都與你使用的聚氨酯類型兼容,然后為客戶進行測試,以確定這種粘合劑在水下環境中可以使用30年。如果我們消除了對這種聯系的唯一依賴,我們就消除了所有風險。”

Gill承認一種選擇是將機械連接到不銹鋼法蘭上。他說:“這也是一種方法,但它會引起其他問題,例如巨大的壓力引發,因為聚氨酯現在是在一個固定的錨點上。這會產生高應力集中,因此需要較大的橫截面來應對這些應力,但隨后卻危及了必要的熱性能。”

精密制造以降低商品成本

“盡管Balmoral主要是定制產品制造商,但我們了解風能行業所需的成本目標,這比石油和天然氣更具挑戰性。” Milne說,“ FibreFlex是一項昂貴的技術,我們必須通過智能設計和自動化制造使其商品化。”他指出,機器人繞線機不是一種徑向編織機。“這是直接的纖維鋪設。一旦我們將格柵與兩個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。”成品復合層壓板的厚度為30毫米,而直徑則是從標準范圍內選擇的,以適應海上風電市場中使用的各種電纜。

“此過程需要對模具進行高精度控制。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。”關于生產周期時間,Gill解釋說:“我們在幾分鐘內就注入、固化和脫模。” 他指出,與油氣海底開采控制系統聯系纜初期使用彈性體含氟聚合物的處理時間相比,這確實非常短。“我們的過程速度取決于保持嚴格的過程控制。我們在工廠和設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營范圍內。”

開拓性的質量、標準和新產品

FibreFlex產品符合每個客戶的規格。“石油和天然氣中的聚合物產品有標準規格。但這種產品是用于海上風電,而不是石油和天然氣,它是一種纖維增強復合材料,而不是非增強聚合物。因此,我們將產品鑒定建立在第一個原則上,即基于風險的測試,然后根據客戶的規范進行測試。例如,一位客戶會來找我們,并提供設計和服務范圍。我們在如何將其轉化為產品需求方面擁有豐富的經驗和理解。”

智能設計,自動化制造。Balmoral設計的FibreFlex不僅能在窄截面上提供必要的軸向和扭轉剛度,還能使用機器人繞線機進行自動化制造,以滿足海上風電行業對過程控制和低成本的挑戰性要求。

“所有的疲勞和蠕變測試實際上都是按照我們的規范在現場進行的,”他繼續說。“對于鋼鐵來說,這很簡單;去圖書館挑選你的材料性能和測試標準。但是,對于S-N曲線,我們的特定復合材料的疲勞性能是不存在的。我們必須去創造這些。有復合測試標準,但不專門針對可再生能源電纜保護系統。這個行業仍在興起,只是還沒有相關標準還未出現。你必須有經驗選擇有效的標準,然后進行基于風險的測試,驗證疲勞、彎曲、水解等。”

Milne說:“對于復合材料,我們不是只會一招。長期以來,我們一直在制作標準的GFRP蓋,使用真空灌注來保護海底井口和其他設備。它們的厚度超過100毫米,可以是12米乘8米或更大。我們還采用符合人體工程學的形狀制造了復合油箱蓋,這樣,所有的載荷都可以側向轉移到法蘭上,以減少厚度。因此,我們再次考慮如何利用纖維和良好的設計,將這些直徑可達36米的罐蓋的重量減少30%。”

FibreFlex是Balmoral首個用于可再生能源的商業系列產品。“但是,我們也在大力開發波浪能、潮汐能和其他風能應用。我們已經與不同的供應商進行了許多開發過程,對我們來說,所有的工作都是在復合材料方面。”Milne指出,很多新可再生能源技術都是從鋼鐵組件開始的,“但我們現在看到了向復合材料的巨大轉變。我們了解復合材料可以為他們做什么,以及如何開發設計,以提供所需的性能和成本。”

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