传统的海洋结构与装备材料以高强度钢为主，但是随着海洋资源的开发逐渐从浅水走向深水，对结构与装备轻质、防腐、抗疲劳等要求越来越高，亟需新材料的应用。复合材料的优势给海洋工程产业建造提供了新思路。目前，碳纤维材料在海洋管缆、锚泊系统、风机叶片、耐压舱以及装备修复等领域应用越来越广泛。

　　碳纤维在海洋管缆的应用。海洋石油、天然气等资源深水及超深水的一般开发模式是上部浮式装置+底部水下生产系统，连接浮式装置与水下生产系统的管缆包括生产立管、脐带缆等，生产立管的主要作用是输送油气资源等介质，脐带缆的主要作用是为水下设备提供电、液控制信号以及化学药剂等。生产立管、脐带缆等在位运行时主要承受风、浪、流的作用，设计时需要考虑其抗拉、抗弯、抗扭、疲劳等力学性能。

　　生产立管主要有钢管和柔性立管，柔性立管是一种多层复合结构，典型的结构包括外保护层、铠装层、骨架层和内衬层。相比于钢管，柔性立管的刚度较小，更适用于深水油气资源的开发。但是，随着开采深度的进一步增加柔性立管中的钢制结构重量不容忽视，容易出现由于自身重量增加引起的拉断失效。

　　碳纤维材料因其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等性能，应用于柔性立管中，可以在满足强度要求的同时，大大减轻自重。针对1000m张力腿用生产立管，用±20°碳纤维层合材料和环向玻璃纤维复合材料作为复合结构层，依据相关破坏准则确定了复合结构层的壁厚，分析了整体结构的轴向拉伸、压强失效载荷包络线。考虑碳纤维复合材料的属性特点，建立了按照限定应变准则确定复合材料安全系数的分析模型。利用有限元分析软件对深水碳纤维复合材料立管进行了应力分析，研究了不同受载状况下整体结构的安全系数，并对整体结构的主要参数进行了一定优化。

　　脐带缆是水下控制系统的关键组成部分，截面复杂，含有多个功能单元，在上部设施和水下生产系统之间传递液压、电力、控制信号、化学药剂等。深水脐带缆中一般含有钢制抗拉铠装层（偶数，螺旋角度相反），但是随着水深的增加，脐带缆中钢制铠装层由于自重太大容易造成脐带缆拉断失效。可应用碳纤维增强杆代替钢制铠装层来为脐带缆提供拉力，在满足强度的同时自重也极大地减小。将碳纤维复合材料应用于海洋管缆既可以满足管缆的轻量化要求，又可以提高结构强度。但是，碳纤维管缆在海洋复杂环境下的耐久性需要长时间的工程实践。另外，碳纤维管缆制造成本相比钢制管缆有所提高，但从安装、运营等全寿命周期成本来考虑的话，整体成本将会降低。

　　碳纤维在系泊系统中的应用。在深海油田开采中，受风、浪、流的影响，开采平台在海面上容易变得不稳定，而系泊系统的主要作用就是将开采平台在对应位置进行固定。传统的系泊系统基本为钢制结构，钢材料在海水中易腐蚀，平均使用寿命短，且后期维护成本较高。此外，随着开采深度的增加，钢制结构重量增加明显，如一个1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量可达6500t左右。

　　复合材料力学性能优异，耐腐蚀性好，利用复合材料代替传统钢制系泊，可有效减轻系缆自身重量并有效减缓海水腐蚀，延长使用寿命。当平台工作水深超过1600m时，复合材料系缆总成本较钢制系缆低，碳纤维属于黏弹性材料，在张力及循环载荷下需要考虑动态黏弹性及蠕变性，碳纤维系泊瞬时张力特性与长期张力特性均不同于钢制系泊缆，在设计及分析时需着重考虑。

　　碳纤维在耐压舱中的应用。耐压舱是深潜器、滑翔机等水下设备的核心部件，其主要设计目标是既要有足够的结构力学性能，还要有尽可能小的容重比。将碳纤维应用于耐压舱，可使整体结构具有工作深度大、重量轻、容重比小等优点。20世纪90年代，美国使用碳纤维对深潜器的原始结构进行优化，实现了与之对应水下搜索系统的更新升级，使用状况显示在满足结构浮力要求的同时，容重比明显减小，并且下潜深度可达6096m。

　　2013年，美国OceanGate公司推出载人深潜器Cyclops研发计划，计划包含两种型号的深潜器，包括CyclopsI和CyclopsII两种。其中，CyclopsI使用碳纤维作为船体外壳，潜深500m；CyclopsII使用碳纤维和钛合金两种材料，实际潜深4000m。

　　英国南安普顿海洋研究中心研制的鱼雷形自主式水下机器人（AUV）AUTOSUB号，将碳纤维制造成圆柱壳用作潜水器的耐压舱，结合钛合金做成密封端盖，在保证潜水器有剩余浮力的同时，也减轻了耐压结构的重量，实际下潜深度6000m。

　　2017年3月，由沈阳自动化研究所研制的“海翼7000”水下滑翔机在马里亚纳海沟进行深海科学考察任务，滑翔机的耐压结构诸多部件使用碳纤维，这次科学考察任务中滑翔机的最大连续工作深度为6239m，创造了多项世界纪录（图7）。2021年西北工业大学潘光教授团队研究了碳纤维耐压柱体屈曲失效机理，分析了不同厚度及椭圆度的碳纤维柱体抗屈曲性能。

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