深水浮力材料研发现状

深水浮力材料研发现状
引言
深水浮力材料是一种密度低、耐压强度高、吸水率低、耐腐蚀、可机械加工等特性的产品，能满足深海的使用要求，主要为深海作业装备提供所需的浮力，以保证稳定的深海工作状态。

具有既能满足产品结构的力学要求，又能大大降低产品重量等多种功能，该材料的应用实现了金属结构件难以实现的功能。

可以说，水面500m以下的海底设备必须使用浮力材料，因为其他常规泡沫材料的压缩强度极限值是5MPa。

深水浮力材料是为海洋工程装备、海油工程提供静浮力，广泛地应用于深海勘探考察、海洋石油平台浮筒、潜艇及军用潜器、深海水下机器人、各种载人深水潜器、潜艇拖曳天线、浮标系统等。

潜艇用浮力材料浮力材料毛坯件目前，深水浮力材料制备技术主要为美国、俄罗斯、日本等国所掌握，在市场上形成垄断销售。

国内浮力材料与国外相比，耐压强度低，可靠性能差，最大工作深度与国外产品有巨大差距。

虽然我国在该领域已开展了多年的相关研究，但在深潜用固体浮力材料性能方面仍落后于国外先进水平，近年，国内研究较多的有以下三家：青岛海洋化工研究院（小批量生产）；哈尔滨工程大学与台州中浮新材料科技股份有限公司合作，实现了年产200立方的产能；泛锐复合材料研
究院有限公司，实现了年产300立方的产能。

随着海洋技术的开发，深水浮力材料的应用前景非常广阔，开展高性能深水浮力材料及应用技术的研发和产业化生产，替代进口产品，具有较大的市场机会，且更具有重要的科学意义和现实经济意义。

一、需求背景
随着陆地资源的日益枯竭，世界各国越来越重视对海洋的探测和开发。

就全世界近年来发现的海洋油气田，一半多在深水，深水将是未来全世界油气战略接替的主要区域。

在世界各个大洋4000m~6000m深的海底深处，广泛分布着含有锰、铜、钴、镍、铁等70多种元素的大洋多金属结核，还有富钴结壳资源、热液硫化物资源、天然气水合物和深海生物基因等丰富的资源，深海资源具有很好的科研与商业应用前景。

最为现实的是深海石油资源，海底石油和天然气储量约占世界总量的45%。

为了开发深海这个人类生存的最后的资源宝库，深海勘探开发已成为21世纪世界海洋科技发展的重要前沿和关注的重点。

我国地处亚洲大陆,面临太平洋。

在长达1.8万公里海岸线外有五千多个岛屿和一个世界最大的陆棚地带(约450万平方公里,相当于我国面积的二分之一)。

南海是世界公认的“三湾、两湖、两海”大油气区之一，被称为“第二个波斯湾”，预测石油储量230~300亿吨，天然气16万亿立方米。

南沙海区面积82万平方公里，平均水深1140米，尚待开发的大型油气藏总储量近200亿吨，一半以上分布在中国传统海域，目前90%以上海域还未勘探开采，在南海深水建设“深海大庆”具有足够的资源基础，加快南海深水油气开发具有重要意义。

2010年，中海油宣布建成“海上大庆”，油气当量突破5000万吨，占我国目前的石油产量1.89亿吨的26%。

以建设产量5000万吨的“近海大庆”为基础，中海油未来还将建设“深水大庆”、“海外大庆”和“LNG大庆”。

中海油规划在“十二五”期间，具备1500米水深的开发生产能力，至“十三五”期间，将具备2500米水深的开发生产能力，并且规划天然气管道总长达１万公里。

预计在“十二五”期间，中海油将投资8000亿到1万亿元。

深水浮力材料能为海洋工程装备提供净浮力，是深水开发、探测、生产等海洋工程环节中必要的关键性材料之一，是保障深海装备及其高效可靠应用的关键技术。

尤其是石油公司对油气开发的大量投入为海洋工程装备市场发展提供宝贵的发展机遇，中海油近年来逐渐加大深水勘探的力度和开采工作量，2012年中国海油深水开发获得重大突破，我国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”的钻头在南海荔湾6-1区域约1500米深的水下探入地
层，这是我国第一座深水钻井平台，标志着我国海洋石油工业的“深水战略”由此迈出了实质性的一步。

随着国家对海洋资源的需求不断提高，深海浮力材料作为海洋装备的基础材料，其性能要求也越来越高。

二、市场及应用情况
根据目前浮力材料及进口装备附带浮力材料的调研分析，每年深水浮力材料进口量在10万m3/年以上，十二五期间国家大力发展海洋工程装备及其相关部件国产化生产，对浮力材料需求将进一步增大，市场需求在50~70万m3。

高性能深水浮力材料及海洋工程用关键部件产品，具有广阔的应用领域和市场空间。

2.1深海运载和作业装备用浮力材料
主要有载人潜器、潜水钟、有缆无人遥控潜水器(ROV)、无缆自治潜水器（AUV）、自治远程潜器、有缆和无缆混合型水下机器人、水下滑翔机、水下布缆机等设备。

ROV/AUV是深水石油开发的必备设备，具有经济、高效、作业深度大、作业功率大、水下无时间限制、高风险极端环境安全作业等特点，且具有结构简单、造价低廉、维修方便、无人员生命危险等优势，在海洋石油开发中得到广泛使用。

为了能使ROV在水中保持灵活的机动性能，通常需要浮力材料为其在水下提供净浮力，浮力材料做为ROV的净浮力源，是现代海洋深水ROV技术发展必不可少的基础材料，其技术是深水ROV关键技术之一，其技术性能指标先进与否，直接影响到潜水器的可靠性和安全性。

浮力材料一般安置在ROV顶部，ROV在使用前必须对所需的浮力材料提出严格的要求，比如尺寸、密度、强度、体积弹性摸量、耐腐蚀性能、耐冲击性能等。

ROV脐带缆浮体，为了避免ROV在水下工作时剪断脐带缆，工程上需要脐带缆尽可能的远离ROV的工作范围，与此同时，工程上也需要脐带缆减少在水中的重量，让ROV行动自由。

因此，给脐带缆上配备浮力块是非常有必要的。

图1-3为国外公司的脐带缆浮体。

2.2海洋石油系统用浮力材料
主要有海洋石油开采隔水管、输油管线以及大型海上锚泊系统。

在海底管道工程中，通常会根据海底地貌和管道的重量，让管线在水下保持一定的形状，然后根据设计，需要给管线的不同部位配备浮力模块。

在实际工程中，每一段管道的工况都是经过特殊设计的，其在水中的形状和水深决定了它在不同的部位需要配备多少浮力。

因此，配备在这种管道上的浮体都是可方便拆卸和安装的，在不
同的工况下，只需要模块化的添加或减少就可以满足工程需要，确保了工程施工的灵活性。

图1-4为英国TRELLEBERG的分布式浮块。

2.3水下工程测试仪器应用领域
主要有潜标系统、海床基海洋环境监测系统、海底观测站等。

水下测试仪器为水下工程提供非常重要的水下信息，是水下方便、安全的生产的保障。

比如ADCP（声学多普勒流速剖面仪）用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速，对水下工程有非常重要的指导意义。

这种仪器固定在海底的某一位置进行测量，需要有浮力材料对其提供浮力的同时，还需要浮体能尽可能的包裹仪器，防止在水下受到撞击。

因此，要在满足浮力和强度的同时，还需要研究这种浮体的声学性能，如声学阻抗等。

2.4管道安装浮体
在安装大口径、长距离的深海管道时，沉重的管道会对工程船产生巨大的拉力。

为了减少这种拉力，工程上通常采用浮力材料为安装到管道上，为管道提供一定浮力，便于安装。

2.5海洋钻井立管用浮力材料
海洋钻井立管是连接钻井平台和海底的管道，是海洋钻井平台不可缺少的单元。

海洋立管会受到复杂的海洋环境的影响，工程上对海洋立管的性能要求非常高。

浮力材料是钻井立管系统的重要部件之一，为立管提供分布式浮力改善立管的局部力学性能，同时能减小立管管串的重量，降低立管张力器的张力，增强平台水深适应能力。

海洋采矿系统：主要有海底集矿机何扬矿子系统等。

浮标系统：主要有海洋浮标和综合浮标等。

深水浮力材料在海洋工程领域应用以外，还在民用、商业及军事上有广泛的应用。

随着海洋技术的开发，深水浮材的应用前景广阔。

开展深海浮力材料的研究，对我国海上石油的开采意义重大，它不仅能使我国海洋石油钻探跟上国际先进水平，同时打破国外在这项技术上的垄断地位，为国家海洋梦做出贡献。