יישום של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן באוקיינוס

חומר מרוכב סיבי פחמן הוא חומר מחוזק בסיבים העשוי מסיבי פחמן ושרף, מתכת, קרמיקה ומטריצות אחרות. בשל משקלו הקל, חוזקו הגבוה, עמידותו בטמפרטורה גבוהה וכו', הוא נמצא בשימוש נרחב בשנים האחרונות בתחום התעופה והחלל, הספורט והפנאי, רכבות מהירות. בתחומי הרכב וההנדסה האזרחית. לחומרים מרוכבים סיבי פחמן יש עמידות מעולה לעייפות, עמידות בפני קורוזיה וביצועי בנייה מצוינים הודות לחוזק הגבוה והחוזק הגבוה, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים ימיים עם דרישות מיוחדות לתכונות החומר. בשנים האחרונות, חומרים מרוכבים סיבי פחמן מילאו תפקיד חשוב יותר ויותר בבניית ספינות, פיתוח אנרגיה ימית ותיקון הנדסה ימית.

1. יישום על הסיפון
לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש יתרון טבעי על פני חומרי בניית ספינות מסורתיים. ראשית, לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש תכונות מכניות טובות. גוף הספינה מיוצר עם מאפיינים של משקל קל וצריכת דלק נמוכה, ותהליך הבנייה פשוט יחסית, מחזור העיצוב קצר והיציקה נוחה, כך שעלות הבנייה והתחזוקה נמוכה בהרבה מזו של ספינת פלדה. יחד עם זאת, מכיוון שהממשק בין סיבי הפחמן למטריצת השרף יכול למנוע ביעילות את התפשטות הסדקים, לחומר יש עמידות טובה לעייפות; בנוסף, בשל האינרציה הכימית של פני השטח של סיבי הפחמן, גוף הספינה בעל מאפיינים של התפשטות אפיפיטית של אורגניזמים ימיים ועמידות בפני קורוזיה, וזה גם הגורם החשוב ביותר בבחירת חומרים. לכן, לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש יתרונות ביצועים מקיפים ייחודיים בבניית ספינות, וכיום הם נמצאים בשימוש נרחב בתחום זה. במקביל, פיתוח תעשיית סיבי הפחמן קודם מהרחבת תחום היישומים.

1.1 ספינות צבאיות

לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש תכונות אקוסטיות, מגנטיות וחשמליות טובות: הם שקופים, חדירים לקול ולא מגנטיים, כך שניתן להשתמש בהם כדי לשפר את ביצועי החמקנות של ספינות מלחמה. השימוש בחומרים מרוכבים במבנה העל של הספינה לא רק מפחית את משקל גוף הספינה, אלא גם משדר ומקבל גלים אלקטרומגנטיים בתדר קבוע מראש על ידי מיגון שכבת סלקטיבית תדר המוטמעת בשכבה הבין-שכבתית כדי להגן על גלים אלקטרומגנטיים של מכ"ם האויב. לדוגמה, ספינת הסיירת "skjold" שנבנתה על ידי הצי הנורווגי בשנת 1999 השתמשה בחומרי מרוכבים מסיבי פחמן, המורכבים משכבת ​​ליבה של קצף פוליוויניל כלוריד, סיבי זכוכית ושכבת ביניים של סיבי פחמן. עיצוב זה לא רק משפר את יחס החוזק למשקל, אלא גם בעל עמידות טובה בפני פגיעות. הביצועים גם משפרים מאוד את המאפיינים של סריקה מגנטית נמוכה, אנטי-אינפרא אדום ואנטי-רדאר. הפריגטות השוודיות מסדרת Visby, שהוזמנו בשנת 2000, כולן משתמשות בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן, בעלי פונקציות מיוחדות של הפחתת משקל, מכ"ם והתגנבות כפולה אינפרא אדום.

בהדרגה צץ השימוש בתרנים מרוכבים מחוזקים בסיבי פחמן על ספינות. ספינת ה-LPD-17, שהוזמנה בארצות הברית בשנת 2006, משתמשת בתורן מרוכב מתקדם מסיבי פחמן/ליבת בלזה. שלא כמו התורן הפתוח המקורי, ה-LPD-17 משתמש במערכת תורן/חישה חדשה סגורה לחלוטין (AEM/S). החלק העליון של התורן המרוכב מסיבי פחמן זה מכסה את חומר פני השטח הסלקטיבי לתדר (FSS), המאפשר לגלים בתדר ספציפי לעבור דרכו, והחצי התחתון יכול להחזיר גלי מכ"ם או להיספג על ידי חומרים סופגי מכ"ם. לכן, יש לו פונקציות חמקנות וגילוי מכ"ם טובות. בנוסף, אנטנות שונות וציוד נלווה משולבים באופן אחיד במבנה, שאינו נשחק בקלות, ומסייע יותר לתחזוקת הציוד. חיל הים האירופי פיתח תורן חיישנים משולב סגור דומה העשוי מסיבי זכוכית עשויים ננו-סיבים בשילוב עם סיבי פחמן כחיזוק. הוא מאפשר לקרני מכ"ם שונות ולאותות תקשורת לעבור באין מפריע זה עם זה, וההפסד נמוך ביותר. בשנת 2006, כספומט מתקדם זה של תורן הטכנולוגיה הופעל על נושאת המטוסים "התיבה המלכותית" של הצי הבריטי.

ניתן להשתמש בסיבי פחמן מרוכבים גם בהיבטים אחרים של הספינה. לדוגמה, ניתן להשתמש בהם כמערכת מדחף וגירים במערכת ההנעה כדי להפחית את השפעות הרטט והרעש של גוף הספינה, ומשמשים בעיקר בספינות סיור ובספינות שייט מהירות. ניתן להשתמש בהם כהגה במכונות וציוד, בכמה מכשירים מכניים מיוחדים ובמערכות צנרת. בנוסף, חבלי סיבי פחמן בעלי חוזק גבוה נמצאים בשימוש נרחב גם בכבלים של ספינות מלחמה ימיות ובפריטים צבאיים אחרים.

1.2 יאכטות אזרחיות

יאכטות גדולות הן בדרך כלל בבעלות פרטית ויקרות, ודורשות משקל קל, חוזק ועמידות גבוהים. ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן בחוגות מכשירים ואנטנות של יאכטות, הגות, ובמבנים מחוזקים כמו סיפונים, תאים ומחיצות של ספינות. היאכטה המרוכבת המסורתית עשויה בעיקר מ-FRP, אך עקב קשיחות לא מספקת, גוף הספינה לרוב כבד מדי לאחר עמידה בדרישות תכנון הקשיחות, וסיבי הזכוכית הם חומר מסרטן, אשר נאסר בהדרגה בחו"ל. שיעור חומרי המרוכבים מסיבי פחמן המשמשים ביאכטות מרוכבות של ימינו גדל משמעותית, וחלקן אף השתמשו בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן. לדוגמה, יאכטת העל "פנמה" של Baltic, בעלת דוברה כפולה, גוף הספינה והסיפון מצופים בשכבת סיבי פחמן/שרף אפוקסי, חלת דבש Nomex  וליבת קצף מבני CorecellTM, גוף הספינה באורך 60 מטר. אך המשקל הכולל הוא רק 210 טון. הקטמרן Sunreef 80 Levante, שנבנה על ידי חברת הקטמרנים הפולנית Sunreef Yachts, משתמש בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן (ויניל אסטר), קצף PVC וחומרים מרוכבים מסיבי פחמן. זרועות התורן עשויות מחומרים מרוכבים מסיבי פחמן בהתאמה אישית, ורק חלק מהגוף עשוי מ-FRP (FRP). משקל ללא עומס הוא רק 45 טון. מהירות גבוהה, צריכת דלק נמוכה וביצועים מצוינים.

היאכטה "Zhongke·Lianya" שנבנתה בשנת 2014 היא כיום היאכטה היחידה בסין העשויה מסיבי פחמן מלא. זוהי יאכטה ירוקה העשויה משילוב של סיבי פחמן ושרף אפוקסי. היא קלה ב-30% מאותו סוג של יאכטת פיברגלס ובעלת חוזק גבוה יותר, מהירות גבוהה יותר וצריכת דלק נמוכה יותר.

בנוסף, כבלי היאכטה משתמשים בחבלים מסיבי פחמן בעלי חוזק גבוה כדי להבטיח בטיחות. מכיוון שלסיבי הפחמן מודול מתיחה גבוה מזה של פלדה וחוזק מתיחה פי כמה או אפילו עשרות פעמים, ויש לו את תכונת האריגה של הסיבים, חבל סיבי הפחמן משמש כחומר בסיס, שיכול לפצות על חבל תיל הפלדה וחבל הפולימר האורגני. לא מספיק.z
2. יישום בפיתוח אנרגיה ימית

2.1 שדות נפט וגז תת-ימיים

בשנים האחרונות, חומרים מרוכבים מסיבי פחמן הפכו לשימוש נרחב יותר ויותר בתחום פיתוח הנפט והגז הימי. קורוזיה בסביבה הימית, גזירה גבוהה וגזירה חזקה הנגרמת מזרימת מים תת-קרקעית מציבות דרישות מחמירות לעמידות בפני קורוזיה, חוזק ועייפות של החומר. לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יתרונות ברורים של קלות משקל, עמידות ועמידות בפני קורוזיה בפיתוח שדות נפט ימיים: פלטפורמת קידוח בעומק מים של 1500 מטר כוללת כבל פלדה עם מסה של כ-6500 טון, בעוד שצפיפות סיבי הפחמן המרוכב היא פלדה רגילה. 1/4, אם חומר מרוכב מסיבי פחמן משמש להחלפת חלק מהפלדה, כושר העומס של פלטפורמת הקידוח יופחת משמעותית, ועלות הבנייה של הפלטפורמה תחסוך. התנועה ההדדית של מוט היניקה תוביל בקלות לעייפות החומר עקב לחץ לא מאוזן בין מי הים ללחץ בתוך הצינור. שבירה ושימוש בחומר מרוכב מסיבי פחמן יכולים לפתור בעיה זו; בשל עמידות הקורוזיה של סביבת מי ים, חיי השירות שלו במי ים ארוכים יותר מפלדה, ועומק השימוש עמוק יותר.

ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן כצינורות ייצור לבארות, מוטות יניקה, מיכלי אחסון, צינורות תת-ימיים, סיפונים וכו' בפלטפורמות קידוח בשדות נפט. תהליך הייצור מחולק לתהליך פולטרוזיה ותהליך ליפוף רטוב. פולטרוזיה משמשת בדרך כלל על צינורות נפוצים וצינורות חיבור. שיטת הליפוף משמשת בדרך כלל כמשטח של מיכל האחסון ומיכל הלחץ, וניתן להשתמש בה גם בצינור גמיש אניזוטרופי שבו חומר מרוכב מסיבי פחמן מלופף ומסודר בזווית מסוימת בשכבת השריון.

מוט יניקה רציף העשוי מחומר מרוכב מסיבי פחמן הוא בעל מבנה דמוי סרט הדומה לסרט ובעל גמישות טובה. יוצר ויושם על ידי ארצות הברית בשנות ה-90. הוא עשוי מסיבי פחמן כסיב חיזוק ושרף בלתי רווי כחומר בסיס. הוא מיוצר בתהליך פולטרוזיה לאחר ריפוי צולב בטמפרטורה גבוהה. בין השנים 2001 ל-2003, סין השתמשה במוט יניקה מסיבי פחמן ובמוט יניקה מפלדה רגיל בשדה הנפט קרן טהורה לייצור טייס. השימוש במוט יניקה מסיבי פחמן יכול להגדיל משמעותית את תפוקת השמן ולהפחית את עומס המנוע, מה שחסכוני יותר באנרגיה. יתר על כן, מוט יניקה מרוכב מסיבי פחמן עמיד יותר בפני עייפות וקורוזיה מאשר מוט יניקה מפלדה, ומתאים יותר ליישום בפיתוח שדות נפט תת-ימיים.

2.2 אנרגיית רוח ימית

משאבי אנרגיית הרוח השופעים בים הם אזור חשוב לפיתוח עתידי והתחום המתקדם והתובעני ביותר של טכנולוגיית אנרגיית רוח. קו החוף של סין הוא כ-1800 ק"מ ויש בו יותר מ-6,000 איים. החוף הדרום-מזרחי ואזורי האיים עשירים במשאבי רוח וקלים לפיתוח. בשנים האחרונות, מאמצים לקדם את פיתוח אנרגיית הרוח הימית נתמכו על ידי המשרדים הרלוונטיים. יותר מ-90% ממשקל להבי אנרגיית הרוח מורכב מחומרים מרוכבים. רוחות חזקות בים וייצור חשמל גבוה דורשים להבים גדולים יותר וחוזק ועמידות ספציפיים טובים יותר. ברור שחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יכולים לעמוד בדרישות של פיתוח להבי ייצור חשמל בקנה מידה גדול, קל משקל, בעלי ביצועים גבוהים ובעלות נמוכה, ומתאימים יותר ליישומים ימיים מאשר חומרים מרוכבים מסיבי זכוכית.

לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יתרונות משמעותיים בייצור אנרגיית רוח ימית. ללהב המרוכב מסיבי פחמן יש איכות נמוכה וקשיחות גבוהה, והמודול הוא פי 3 עד 8 מזה של מוצר סיבי זכוכית; הלחות גבוהה בסביבה הימית, האקלים משתנה והמאוורר פועל 24 שעות. ללהב עמידות טובה לעייפות והוא יכול לעמוד בפני מזג אוויר גרוע. זה משפר את הביצועים האווירודינמיים של הלהב ומפחית את העומס על המגדל והציר, כך שהספק המוצא של המאוורר חלק ומאוזן יותר, ויעילות האנרגיה משתפרת. ביצועי ההולכה, באמצעות תכנון מבני מיוחד, יכולים למנוע ביעילות את הנזק הנגרם מפגיעת ברק בלהב; להפחית את עלויות הייצור וההובלה של להב טורבינת הרוח; ויש להם מאפייני ריסון רעידות.

3. יישומי הנדסה ימית

חומרים מרוכבים מסיבי פחמן משמשים במבני הנדסה ימית. הם משתמשים בעיקר במאפיינים של משקל קל, חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה, ומחליפים חומרי בניין מסורתיים מפלדה בצורת גידים וחלקים מבניים כדי לפתור את בעיית עלויות ההובלה הגבוהות של פלדה לשחיקה במי ים והובלה. הוא יושם במבני שוניות איים ימיים, רציפים, פלטפורמות צפות, מגדלי תאורה וכו'. השימוש בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן לשיקום הנדסי החל בשנות ה-80, וחברת Mitsubishi Chemical Corporation מיפן הוביל את חקר התכונות המכניות של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן ויישומם בחיזוק הנדסי. המחקר הראשוני התמקד בחיזוק קורות בטון מזוין באמצעות חומרים מרוכבים מסיבי פחמן, אשר התפתחו מאוחר יותר לחיזוק וחיזוק של הנדסה אזרחית שונות. תיקון פלטפורמות נפט ונמלים ימיים באמצעות חומרים מרוכבים מסיבי פחמן הוא רק היבט אחד של יישומם. ישנם מסמכים רבים קשורים. ראוי לציין שחברת DFI האמריקאית השתמשה במוטות מסיבי פחמן כדי לתקן את מסוף פרל הארבור של חיל הים. באותה תקופה, הטכנאים השתמשו במוטות מסיבי פחמן חדשניים כדי לתקן את החיזוק. המזח המתוקן עם מוטות מסיבי פחמן יכול לעמוד בפלדה של 9 טון מגובה של 2.5 מטר. הוא נופל מבלי להינזק, ואפקט השיפור ברור.

באשר ליישום של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בהנדסה ימית, קיים גם סוג של תיקון וחיזוק של צינורות או עמודים תת-ימיים. לשיטות תחזוקה מסורתיות כגון ריתוך, שיפור ריתוך, מלחציים, דיוס וכו' יש מגבלות משלהן, והשימוש בשיטות אלו מוגבל יותר בסביבה הימית. תיקון של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן עשוי בעיקר מחומרי שרף בעלי חוזק גבוה והדבקה גבוהה כגון בד סיבי פחמן ושרף אפוקסי, המודבקים למשטח התיקון, ולכן הוא דק וקל, בעל חוזק גבוה, עמידות טובה, נוח בבנייה וניתן להתאמה לצורות שונות. יש לו יתרון משמעותי.