海洋论坛▏碳纤维增强复合材料在海洋工程中的应用现状与发展前景

碳纤维增强复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强体、树脂等材料为基体复合而成的先进结构材料，兼具高强度、轻量化、耐腐蚀、抗疲劳及设计灵活等多重优势，已广泛应用于航空航天、汽车交通、能源、基建等领域。碳纤维被称为“黑色黄金”，密度仅为钢的1/4左右，强度却可达3000MPa以上，使复合材料在大幅减重的同时保持高承载能力。这些优异性能的背后，是碳纤维与基体材料的协同效应，也正因如此，CFRP在众多领域展现出巨大的应用潜力。

在全球工业发展的推动下，碳纤维产业规模不断扩张。近几年，全球碳纤维产能呈现持续增长态势，2024年全球碳纤维运行产能总量达30.9万吨。2019—2023年中国碳纤维产能爆发，到2024年，中国碳纤维总产能增长至15.01万吨，占全球总量的48.6%，已成为全球最大的碳纤维产能国。美国和日本的碳纤维产量分别位列第二和第三。这种产能分布的变化，不仅反映了各国产业发展的态势，也为CFRP的大规模应用奠定了物质基础。

CFRP的制备工艺技术多样，常用的有预浸料成型技术，它先将碳纤维与树脂制成半固化状态的预浸料，再经裁剪、铺层后通过热压罐或模压等方式固化成型，能制备高质量构件但成本高；树脂传递模塑成型(RTM)技术，把碳纤维增强材料铺放于模具后注入液态树脂固化，分传统RTM和真空辅助RTM等，可制备形状复杂构件，但成型周期长；拉挤成型技术，让碳纤维集束浸树脂后通过加热模具连续固化，生产效率高适合等截面型材；缠绕成型技术，在控制张力下将浸胶纤维缠绕芯模固化，分干法、湿法等，适用于回转体构件。这些技术各有特点，可根据不同的应用场景进行选择。正是这些多元化的制备技术，使CFRP能够满足不同领域的个性化需求，也为其性能优势的发挥提供了技术保障。

凭借轻量化、高强度、耐腐蚀等特性，CFRP为海洋工程领域解决复杂环境下的工程问题提供了新路径。树脂基体与碳纤维的结合使其能有效抵御海洋盐雾、化工腐蚀等恶劣环境，耐腐蚀性强，与金属材料相比，其寿命显著延长。CFRP的设计灵活性高，通过调整碳纤维的铺层方向、层数及编织工艺，可以适配海洋工程对复杂结构设计的需求。另外，CFRP的抗疲劳性能优异，能有效应对海洋环境中波浪冲击、潮汐变化等动态交变载荷，满足长期使用要求。这些特性使其在海洋工程领域展现出独特优势，应用案例也日益增多。笔者将围绕CFRP的具体应用案例、面临挑战及未来趋势展开深入探讨。

金属是海上油气开采应用的首选材料，然而，有些极端使用条件超过了金属的性能极限，因此，在酸性石油或者深海环境等条件下使用复合材料是一个不错的选择。除了CFRP的耐腐蚀性能优异外，其在海洋油气工程中应用的另一重要因素是轻质高强，CFRP的比强度可达到钢材的7～12倍。目前，CFRP在钻井管、生产井管、挠性管、连接管、TLP系缆索和高压容器等方面得到应用，随着近海油田向深海油田的转移开放，其用量将持续增长。

⒈CFRP在海洋工程加固修复中的应用

腐蚀钢结构问题，特别是管道问题，在石油和天然气工业中普遍存在，海洋环境的高盐雾、高湿度引起的钢结构腐蚀问题更加严峻，因此为了应对钢结构的临时和永久修复，已经开发了许多复合材料解决方案。其中CFRP的耐海水、酸性、油气等特殊环境腐蚀的研究工作已取得不错的进展。Roseman等研究发现碳纤维增强聚苯硫醚/聚醚醚酮(PPS/PEEK)基复合材料在酸性油环境下表现出优异的耐腐蚀性能。在160°C、180°C、200°C高温下，即使暴露于低浓度H₂S气体环境中，碳纤维增强PPS/PEEK基复合材料的力学性能仍保持稳定，未出现明显老化现象，且高温环境下整体性能保留率较高。

CFRP的海洋工程结构加固或修复技术不断被革新，CFRP用于修复管线、船舶，以及用于海上平台钢结构修复等。针对海洋环境中腐蚀的管道，CFRP修复技术已被成熟推广应用。DML等公司应用具有多向纤维取向的复合层压板来修复金属管道的轴向和环向承载能力，具体方法是用干的CFRP包裹需要修复的区域，然后通过真空灌注进行浸渍。海洋油气平台上的钢结构受海洋环境腐蚀，采用CFRP修复可有效延长其使用年限。杨宝山等在胜利油田海上平台进行了尝试，对有减薄或凹坑缺陷的海上平台钢结构使用CFRP进行加固，对有裂纹的平台使用Q235钢结构进行人工拼接，再用CFRP进行修复固定，满足平台加固性能要求。

CFRP修复技术的产业化进程推动了国际标准体系的建立。2020年，日本东丽公司和三井海洋开发公司共同开发了基于碳纤维增强塑料的浮动式海洋石油生产、存储和卸货系统以及浮动式储油卸油系统的修复技术。将CFRP片材紧密贴合于需修复的结构表面，加热或者真空固化促使CFRP与原结构贴合。2021年，此技术已通过美国船级协会的批准，并被纳入《钢质船舶建造和维护规范》，用于修复直径300mm的点蚀损坏区域。

CFRP技术的抗腐蚀与结构增强双功能特性，使其拓展至海洋环境下的基础设施领域。青岛市杭鞍高架路海域段部分桥梁墩柱进行碳纤维预防性养护，采用的是碳纤维布和抗潮湿浸渍胶，两者形成抗腐蚀隔离层防止海水侵蚀。这种“主动防护+结构加固”的模式，标志着CFRP从工业领域的应急修复向基础设施预防性养护的重要跨越。

⒉CFRP在生产井管与相关管材的应用

在海洋石油、天然气开发中，碳纤维复合连续管可在石油运输中作为铺设在地面或海底的输送管道，或者用于生产立管等，利用其轻质、高强等特性来减轻自重、提高抗腐蚀能力等。Magma Global公司为墨西哥湾的海上油田工程提供m-pipe热塑性复合材料海底跨接管，管径4英寸，能够承受管压68.95MPa。m-pipe管是由碳纤维增强PEEK复合材料经激光焊接制成的连续、柔性连接管，这种跨接管轻质、高强，且能够承受极高的弯应变，在海底环境中极耐腐蚀，对各种油田化学物质具有很强的抵抗力。碳纤维复合连续管的疲劳寿命明显高于普通钢质连续管。摩尔工程公司根据连续油管寿命模型分析了不同材质连续管的疲劳寿命，内压为83MPa的条件下，QT-1000连续管的疲劳循环次数为16次，Quality Tubing公司的Incoloy-625连续管的疲劳循环次数为70次，而Fiberspar Spoolable Products公司的碳纤维复合连续管的疲劳循环次数超过2000次。

碳纤维用于制造可卷绕复合材料管，主体结构由CFRP结构层和热塑性内衬构成，外部包覆耐磨热塑性材料。其不仅卷绕成卷后运输体积小，可降低运输成本，而且无需焊接或大量连接件，通过卷绕设备直接展开铺设。Fiberspar公司以挤出工艺制造了直径62～112mm热塑性复合材料内衬管，内衬管的外层螺旋缠绕玻纤或碳纤，生产效率可达3m/min。

立管是海洋油气开发中的关键装备，与钢钻井管相比，复合材料立管的质量小，具有更高的抗疲劳性。CFRP立管在深海石油钻井领域应用逐渐增多，目前尚未完全实现大规模商业化应用。复合材料立管包括钻井立管、生产立管、工作立管等，其中CFRP立管已经经历了30多年的发展，详细信息见表1。

表1 以往联合工业项目

当水深超过3000m，钢制立管会出现因自身质量引起的拉断失效，所以必须考虑轻质高强的材料替代钢材。为评估CFRP立管使用的安全性和可行性，国内外学者围绕复合材料管道设计制作、疲劳试验等展开大量研究。Cederberg等设计了能够用于水深3048m的复合增强钢钻井隔水管。Picard等设计并制造了一种直径6英寸适用于水深3000m的高性能复合管，并对管道的拉伸、压溃和爆裂等性能进行了评估。相较于传统钢立管，CFRP立管在恶劣海洋环境中展现出显著的强度优势，安全性显著提升，能为深海油气开采提供更可靠的结构安全保障。Toh等使用模拟计算法研究了立管在特定海况下因顶拉力、电流拖曳和涡流引起的振动而产生的静态和动态响应，发现，在相同海况下，复合立管比钢立管具有更大的安全裕度。

图1 超深水用复合增强钢钻井隔水管实物图[(a)缠绕接头；(b)全直径原型]

在深海油气开采领域，CFRP凭借轻质、高强、抗疲劳性能，在生产井管与相关管材应用中展现出显著优势。其不仅可作为海底输送管道和可卷绕复合材料管，还能用于生产立管等关键装备。尽管目前碳纤维复合材料管材尚未实现大规模商用，CFRP立管在超深水钻井中的可行性与安全性已得到验证，但通过工艺创新以及结构设计与性能验证，未来有望成为深海油气开发的核心材料之一。

⒊CFRP在海上缆索的应用

在海洋工程中，因质轻、低油耗、耐疲劳和耐腐蚀等特性，碳纤维缆索被用于系泊缆、海洋浮标系泊缆等。在海洋油气方面，一些国外公司已经开发了一些民用钢索技术，并将其应用于张力腿平台的固定。Kvaerner/Conoco公司在合资企业下推出了一款名为“Comptether”的产品，专门用于TLPs的系泊。另外，Freyssinet、Soficar和Doris Engineering公司开发了基于CFRP的深水张力腿平台拉索新技术—3C-Tendons^TM，该技术已用于法国南部“拉罗因斜拉人行桥”的斜拉索，共16根索，每根长达50m，支撑桥梁中央跨。

系泊缆索是用于将船舶、海洋平台或其他浮动结构固定于码头、锚桩或海底锚点的关键设备，其设计和选择直接影响系泊系统的安全性和可靠性。在系泊缆索实际服役过程中，飞溅区的索体由于受到海水的反复冲刷，其腐蚀和老化程度最为严重，选用碳纤维复合材料缆索可以有效降低腐蚀。

与芳纶纤维、聚酯纤维相比。碳纤维的单价更高，高昂的初始成本仍是制约CFRP缆索大规模应用的关键因素。在超深水、高频动态载荷、极端减重需求的应用场景下，CFRP系泊缆展现出显著的技术和经济性优势，尤其适用于军用舰艇、液化天然气船(LNG船)、浮式风电平台及深海油气开发等高价值设施。Sparks等对几内亚湾一艘载重1万吨的油轮进行研究显示，在800～1600m水深范围内，CFRP拉索或钢筋拉索两种方案的总费用相当。在超过1600m的深度应用，对于钢筋拉索方案总系统成本随着深度的增加而急剧上升，对于CFRP拉索方案，成本随深度增加而上升的速度较为温和，CFRP拉索总成本较钢制拉索低。

CFRP缆索的综合性能在深海缆绳和系泊系统领域的性价比高。且海洋环境对材料性能要求的提升与深海开发的迫切需求有助于推动技术落地与广泛应用。

⒋CFRP在海上石油工程中的其他应用

在海上油气开采领域，各类设备的高效运行离不开关键部件的支持，其中脐带缆作为集成光电动力与信号传输功能的复合电缆，在水下机器设备运作中起着“神经脉络”的作用。从20世纪90年代开始，钢管脐带缆因适应深水环境的特性崭露头角。Nexans公司为挪威国家石油公司Snohvit天然气田生产出143km单根大长度的脐带缆。深水脐带缆中钢制抗拉铠装层因水深增加自重过大易致拉断失效，可用CFRP杆替代，以满足强度要求并减小自重。阿克世盛公司在美国密西西比州峡谷2900m水深区域，安装了首条深水脐带缆，使用的CFRP拉挤杆是由碳纤维和乙烯基酯树脂拉挤而成。邓禹等对深海用脐带缆进行轻量化设计，将CFRP棒填充于脐带缆中作为增强结构，见图2，通过数值模拟发现，与钢丝铠装脐带缆相比，碳纤维脐带缆轻量化程度可达26.1%。

图2 碳纤维增强脐带缆设计图

除了在脐带缆方面的应用.CFRP在海洋工程相关设备上也发挥着重要作用。据统计，2023年中国气瓶碳纤维用量约0.6万吨，CFRP气瓶应用也推广到了海洋油气工程领域。Lincoln公司生产的复合材料蓄能瓶和Addax公司通过纤维缠绕制成的压力容器，在海上石油工业有所应用，储罐结构使用了碳纤维缠绕的复合材料外壳，能有效防护罐体内部，防止海水侵蚀。

CFRP的应用创新持续拓展，在海洋船舶、浮体结构中推广应用。2022年，中国船舶集团旗下大船集团为招商轮船建造的30.8万吨原油船100号船，该船配备第二代风帆装置，帆叶结构首次应用CFRP，具有轻质、高强和高耐海洋环境特性。2023年，比利时SeaVolt组织提出了一种浮式平台，如图3所示，该浮体平台采用了轻质碳纤维材料，此次试验是对碳纤维材料性能的实际检验，为CFRP在海上石油工程及相关海洋领域的应用开辟了更多的可能性。

图3 比利时SeaVolt浮式平台实物图

海上风电作为清洁能源的重要分支，近年来发展迅猛，是全球能源转型的关键驱动力之一。技术进步推动海上风电向风机大型化、深远海化和智能化方向发展，其中浮式风电技术为风电技术在深海推广应用提供了可能。

叶片越长，扫风面积越大，发电量越高，以南澳海上风电场的6MW风电机组为例，理论上每个80m长叶片风电机组的年发电量比40m长叶片风电机组高出100%，随着技术进步风电叶片的尺寸逐步增大。国产碳纤维已经在120m级海上风电装置上实现应用。目前140m级超大型风电装置用碳纤维及复合材料也逐步开始应用。2024年，由明阳集团研发制造的MySE292海上超大型叶片下线，叶片长143m，叶轮直径292m，叶片采用了碳纤维织物。

传统采用玻璃纤维叶片，但玻璃纤维密度较高，当叶片直径继续增大时其自重急剧增加，会加重塔筒和基础结构的负担。若风电叶片采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料制造，可使叶片减重30%左右。同时，碳纤维的弹性模量远高于玻璃纤维，碳纤维用于叶片主梁，可减少叶片尖端位移，提升发电量。

与金属不同，复合材料耐腐蚀，人们逐渐关注复合材料增强筋的应用，或者复合材料用于预张力和后张力的电缆和电缆支架。已有学者研究了在干湿、冻融、海水浸泡、潮湿空气等环境中，CFRP板钢搭接试件的长期性能试验研究，这为CFRP在近海桥梁等基建中的使用提供了研究基础。钢筋锈蚀严重影响近海及海岸工程寿命，耐腐蚀的CFRP筋是替代钢筋的理想材料，鉴于海水海砂混凝土资源丰富、CFRP筋耐腐蚀，二者结合形成CFRP筋增强海水海砂混凝土结构。为了解决近海工程资源利用率低和钢筋锈蚀等问题，有大量学者研究二者黏结耐久性问题。CFRP筋增强海水海砂混凝土结构的工程应用研究仍处于探索阶段，从材料性能协同机制、长期耐久性验证到工程标准化设计，尚存在诸多关键科学问题亟待突破，其技术体系的成熟化仍需持续深人的研究积累。

此外，潮汐能设备的叶轮、海底管道连接器等场景，CFRP的抗腐蚀与抗生物附着特性也展现出不可替代性。潮汐涡轮机叶片在海水环境中长期运行期间，在根部区域会经历明显的弯矩，需要使用纤维增强聚合物作为叶片材料，以提供所需的强度/刚度。Gonabadi等通过有限元应力分析发现，叶片根部区域经历高应力值，具有树脂开裂、纤维/基体界面脱键、分层和纤维断裂等失效模式。据其预测，在保持相同的安全系数的情况下，CFRP叶片厚度仅为类似设计的玻璃纤维复合材料叶片厚度的1/3。

海洋探测器支架和潜水器的耐压壳体等常采用碳纤维复合材料制造，不仅显著减轻了设备质量，更能承受深海极端环境下的巨大水压。同时大幅提升了装备的稳定性、灵活性和耐用性。美国Addax公司纤维缠绕制成了地质勘探取样压力容器，能在3000m以上的深井中承受149°C的高温及高压，充分展现了碳纤维在深水勘探领域的独特优势。这种材料还能有效降低潜航器自重・提高机动性能，延长航程和作业时间，其优异的耐腐蚀性能可显著延长装备使用寿命，而良好的电磁屏蔽特性则有助于减少深海作业中的信号干扰。

在具体应用案例方面，CFRP装备的投用不断刷新着深海探测的深度纪录。据美通社报道，2013年Ocean Gate公司、华盛顿大学应用物理实验室和波音公司已完成载人潜水器Cyclops^TM的初始碳纤维船体设计和可行性研究，使用7英寸厚的碳纤维船体，其深度可达3000m。华盛顿大学2006年开发了设计潜深为6000m的水下滑翔机Deepglider，其使用热固性树脂和碳纤维的复合材料制造耐压壳体。Deepglider在美国普吉特海湾进行了为期39d的水域试验，最大下潜深度达到了2713m。2017年，使用CFRP制作承压结构的中国“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，以6239m的最大连续工作深度，创造了新的世界纪录，充分证明了CFRP在超深水环境中的卓越性能和应用潜力。这些突破性成果标志着碳纤维材料正在推动深海探测技术迈向新的高度。

相比传统船舶，碳纤维材料船舶质量轻、耐腐蚀，航行时噪音更低，能进一步节省燃油、降低维护费用，具备显著的节能减排、低碳环保优势。2021年，恒神股份为上海凌耀船舶公司加工了碳纤维舷梯扶手栏杆，采用碳纤维主体与金属接头装配而成，在保持与铝合金舷梯相当的强度、刚度的前提下，整体减重52%，这是CFRP在多功能舷梯上首次应用。2024年，由广东中威复材建造的碳纤维高速客船“新明珠3”号交付，该船是目前全国载客量最大的碳纤维船舶。

21世纪以来，碳纤维舰艇开始投人使用，有些舰艇使用了碳纤维复材船体，有些舰艇则使用CFRP制造螺旋桨或推进轴等结构件。隶属于瑞典皇家海军的“维斯比”级隐形护卫舰于2000年6月下水，是由碳纤维制造的战舰。以色列海军2003年研制“保护者”无人水面艇，采用碳纤维等复合材料，最大航速40节，最大有效载荷1t。美国“短剑”高速隐形快艇于2006年2月正式下水，其船体使用碳纤维合成材料一次成型，吃水深度仅0.91m，最高速度可达60节，适用于沿海作战。2023年，乌克兰公布“Magura V5”型无人艇，水线上高度0.5m，艇重不足1t，艇身由碳纤维和环氧树脂制成，有效载荷320kg。

图4 “保护者”无人艇实物图

CFRP螺旋桨凭借独特优势，在小型快船、游艇及商用船领域开启推广进程。2003年英国奎奈蒂克公司制造出直径2.9m的碳纤维复合材料螺旋桨，测试数据显示，其质量大幅减小，在维持螺旋桨质量不变的前提下，通过增加叶片厚度，螺旋桨的空泡性能得到改善，同时其振动与水下噪声也随之降低，充分展现出CFRP在螺旋桨制造中的巨大潜力。挪威在Skjold和Rauma2000级快速巡逻艇上装配了CFRP推进轴，从传动系统层面进一步挖掘CFRP的性能优势。瑞典皇家海军也积极将其应用于Viksten扫雷艇，为该艇安装了CFRP三叶螺旋桨，提升了扫雷作业时的静音效果与可靠性。此外，日本首次在商业用船“太鼓丸”号上安装CFRP螺旋桨，加速了其从军事、高性能船舶向民用商船的普及进程。

CFRP凭借卓越的性能，成为材料领域的焦点。在海洋工程领域，CFRP的应用面临着多重挑战。首当其冲的是成本问题，其高昂的制造成本使大规模应用受限，尽管全生命周期成本具备优势，但短期内难以突破经济瓶颈。制造工艺的复杂性也不容忽视，对设备和人员的高要求导致良品率难以保障，且与金属结构的可靠连接技术尚不完善。此外，CFRP在复杂海洋环境下的长期性能稳定性存疑，耐紫外线、抗海水侵蚀及温度变化等方面的性能，仍需大量研究验证；回收再利用技术的滞后，也使废弃材料处理成为难题。

未来，CFRP在海洋工程领域的发展将聚焦于材料创新。一方面，研发低成本碳纤维和生物基树脂，降低材料成本的同时增强可持续性；另一方面，通过添加抗老化助剂、改进表面包覆材料，提升其在海洋环境中的耐久性。智能化监测技术也将深度融人，集成光纤传感器实时监测结构健康状况，实现隐患的早期预警与精准维护。

在工艺优化与应用拓展上，CFRP将迎来新突破。创新制造工艺，如推广树脂传递模塑(RTM)等快速成型技术，可显著提升生产效率、降低成本，推动规模化应用。在应用场景方面，从桥梁关键部件、海底隧道管片等现有应用，逐步向海洋平台主体结构、深海采矿设备等领域拓展。随着技术进步与行业标准的完善，CFRP有望成为海洋工程领域实现绿色化、智能化发展的核心材料，重塑海洋经济产业格局。

【作者简介】文/李福双 张丹丹 刘延军 辛靖，来自中海油化工与新材料科学研究院(北京)有限公司。第一作者李福双，1990年出生，女，硕士，工程师，主要从事碳材料技术研究。本文受基金项目资助，中国海油集团公司基础研究课题项目(CNOOC-KJZH-2024-1704)。文章来自《化工新型材料》（2026年第6期），用于学习与交流，参考文献略，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。