碳纤维解决方案

技术开发

为满足全球能源和材料需求,我们正在探索非金属解决方案。碳纤维增强产品就是其中一种,它具有重量轻、耐久性好、抗腐蚀和耐高温的优点。我们正在开发新的技术,预计将有助于降低碳纤维或碳纤维产品的成本,拓展新的应用市场。

什么是碳纤维

碳纤维比发丝还细,比铝还轻,强度却超过钢材,因其出色的强度和广泛的用途而成为许多行业的理想制造材料。

通常,碳纤维以有机合成聚合物聚丙烯腈(PAN)为原料制造而成,是一条条紧密交织的碳原子长链构成的细丝或细线。为了得到想要的强度,人们会将碳纤维捻在一起,捻好的碳纤维可织成一种纤维,或是加入树脂并定型。在碳纤维制造行业,每个制造商都给自己的产品设计了标志性的纤维特征,这意味着碳纤维的生产方式都是严加保密的。

碳纤维有哪些优点?


碳纤维可以在减轻重量的同时保持强度,这一点相当重要。例如,在汽车领域,在不影响性能和安全性的情况下,减轻车辆的重量可以减少燃料消耗并降低排放。与金属相比,碳纤维表现出更高的比强度和比刚度;而经碳纤维增强的复合产品安装速度更快、耐腐蚀、维护和运营成本更低,因此有很多实际的优点,且降低了成本。

对寻求采用轻质部件、增强结构刚度、延长维护周期和提高生产力的行业来说,碳纤维的独特属性极具吸引力。


哪些行业在使用碳纤维?


高端自行车车架、一级方程式赛车底盘、螺旋桨叶片、无人机部件、飞机机翼、管道、汽车部件、储能器和风力涡轮机叶片,都是常见的碳纤维增强复合材料产品。

航空航天是最早采用碳纤维的行业之一。

由于碳纤维重量极轻,航空航天成为了最早采用这种材料的行业之一。在油气行业,碳纤维被用来加固管道和套管,减少腐蚀以及昂贵的更换工作对环境的影响。生产运动器材和乐器等商品的娱乐休闲行业已经采用稳定性更好、重量更轻的碳纤维来替代传统的木材和其他材料,而在豪华汽车制造和赛车运动中,应用碳纤维可以减轻车辆重量、提高安全性、提升燃料效率。

然而,碳纤维的制造工艺难度大,成本相对较高,在一些大众市场部门一直未能得到广泛应用。因此,降低成本可以让碳纤维成为乘用车等非高端行业以及各种清洁能源应用的可行解决方案。在大量技术提供者不断引入新的低成本碳纤维复合产品的同时,沙特阿美正努力通过我们的研究项目来减轻外界对高成本碳纤维材料的顾虑。

沙特阿美目前正在开展哪些工作?


碳纤维如此昂贵的主要原因是制造过程中需要消耗大量的能源。目前,碳纤维净化的炉温需要达到2730°F(1500°C)。

提高碳纤维或碳纤维产品的经济适用性,成为沙特阿美探索的新动力,沙特阿美同时也成为中坚力量,为这一具体商品创造新市场并为其发展提供支持。

我们正与多个合作伙伴开展合作,减少制造碳纤维所需的能耗,力求将某些等级碳纤维的制造成本降低50%。这一目标一旦实现,将可以加速碳纤维在高端行业之外其他行业的应用。

我们也在寻求其他方式,将具有成本效益的碳纤维推向市场,包括与德国纺织技术研究所合作,促进大众市场对基于聚合物技术的应用。

沙特阿美如何在运营中部署碳纤维?

自2017年以来,我们一直在使用基于碳纤维的复合材料。现在,公司运营中已经出现碳纤维材料的多种应用场景——包括管道和维修井下套管。

热塑复合管

井口立管是一种管道系统,关系着新钻油井能否按时开启。但由于这套系统需要在钻井设备撤离现场后才开始组装,因此往往耗时较长。2018年,我们使用了碳纤维增强粘合型非金属管道——称为热塑复合管(TCP),作为井口立管。与传统的非金属复合管或传统的钢制管道相比,TCP能承受更大压力。它还具有更好的韧性和热绝缘性,抗渗透性更好,抗二氧化碳和硫化氢影响的能力也更强。

控制管道腐蚀

为控制金属腐蚀对地上管道和井下套管的影响,我们可能要付出高昂的成本。2018年,我们开始用碳纤维来进行维修,修复被腐蚀的地面套管,恢复其结构完好性。

增强热固性树脂

通过不导电的非金属管道运输柴油和汽油等精炼产品会产生静电积聚,这些静电无法沿管道消散。2020年,我们尝试使用一种嵌入碳纤维的增强热固性树脂(RTR)管道,成功地减少了电荷积聚,提高了整个系统的完整性。

展望未来:促进沙特的碳纤维制造

我们的下游战略是成为石化行业的全球领军者,作为该战略的一部分,我们正在与道达尔(Total)和化学公司英力士(INEOS)合作开展Amiral项目,该项目将为英力士正在建设的新工厂(位于阿拉伯湾朱拜勒)提供丙烯。丙烯用于制造丙烯腈,这是许多塑料的基本成分;碳纤维制造最常用的原料聚丙烯腈也是由丙烯腈制成。英力士的丙烯腈产品将降低聚丙烯腈的生产成本,这反过来又会降低碳纤维的成本。

认识到碳纤维材料对王国的重要性,沙特阿美的碳纤维制造投资团队目前正在与潜在的国际合作伙伴合作,通过工业投资计划(沙特阿美Namaat)在沙特建设一座碳纤维制造厂。碳纤维的使用将扩大并加速非金属产品在许多工业部门的部署,解决若干技术挑战并支持本地化和创造就业机会。