全球風能理事會（global wind Energy Council）發(fā)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(chǎn)的12~15兆瓦機型計算，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(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(wǎng)。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(tǒng)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(chǔ)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是一家領(lǐng)先的產(chǎn)品設計和制造公司。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聚合物（GFRP）方面擁有悠久的歷史。同時該公司還出產(chǎn)用于各種行業(yè)的先進復合材料產(chǎn)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。

Balmoral FibreFlex是該公司的新型高性能保護系統(tǒng)，用于海上風電領(lǐng)域的海底電纜。由機器人繞線機生產(chǎn)的創(chuàng)新玻璃纖維格柵可增強彈性聚氨酯基質(zhì)，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(xiàn)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(chǎn)過程滿足熱能要求，以實現(xiàn)最大的電力輸送和風能行業(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，正如相關(guān)人員所解釋的：“使用纖維實際上使產(chǎn)品在強度方面相當脆弱。因此，我們必須對產(chǎn)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(shù)而言絕對至關(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。”他指出疲勞會影響纖維/聚氨酯復合材料的剛度。“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(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(jié)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(jié)合起來，創(chuàng)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(yōu)化設計。

相關(guān)人員解釋說，這創(chuàng)造了一種風險較低的非常強大的產(chǎn)品。他指出：“傳統(tǒng)的保護系統(tǒng)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(jié)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(huán)境中可以使用30年。如果我們消除了對這種聯(lián)系的唯一依賴，我們就消除了所有風險。”

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，但我們了解風能行業(yè)所需的成本目標，這比石油和天然氣更具挑戰(zhàn)性。”相關(guān)人員說，“ FibreFlex是一項昂貴的技術(shù)，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(nèi)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(guān)于生產(chǎn)周期時間，相關(guān)人員解釋說：“我們在幾分鐘內(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(nèi)。”

開拓性的質(zhì)量、標準和新產(chǎn)品

FibreFlex產(chǎn)品符合每個客戶的規(guī)格。“石油和天然氣中的聚合物產(chǎn)品有標準規(guī)格。但這種產(chǎn)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(chǎn)品鑒定建立在第一個原則上，即基于風險的測試，然后根據(jù)客戶的規(guī)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(zhuǎn)化為產(chǎn)品需求方面擁有豐富的經(jīng)驗和理解。”

智能設計，自動化制造。FibreFlex不僅能在窄截面上提供必要的軸向和扭轉(zhuǎn)剛度，還能使用機器人繞線機進行自動化制造，以滿足海上風電行業(yè)對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際上都是按照我們的規(guī)范在現(xiàn)場進行的，”他繼續(xù)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(chuàng)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(tǒng)。這個行業(yè)仍在興起，只是還沒有相關(guān)標準還未出現(xiàn)。你必須有經(jīng)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。”

相關(guān)人員說：“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x8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(cè)向轉(zhuǎn)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是首個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、潮汐能和其他風能應用。我們已經(jīng)與不同的供應商進行了許多開發(fā)過程，對我們來說，所有的工作都是在復合材料方面。”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)在看到了向復合材料的巨大轉(zhuǎn)變。我們了解復合材料可以為他們做什么，以及如何開發(fā)設計，以提供所需的性能和成本。”

文章來源：榮格-《國際復材技術(shù)商情》