目前,石油开采以陆地为主,海洋为辅随着陆地石油的逐步减少,开采海洋油田已引起各国的极大关注。陆地开采石油的设施以钢材为主要材料,但开采海洋油田的环境与陆地大不相同,钢材的自重与腐蚀已不适应海洋环境,以碳纤维复合材料为主的先进复合材料备受人们的青睐。显然,钢丝的自由断裂长度最短,而碳纤维和芳纶显示出优异的自重悬垂性。这也就是说,钢制件用于深海油田时,需用大量浮力发泡体提供浮力,而碳纤维复合材料件却可省去这部分费用。此外,钢制件容易被海水腐蚀,使用寿命短,约3~5年;而CFRP耐海水腐蚀,使用寿命长,约20~25年。
碳纤维复合材料可用来制造张力腿平台(TLP)的部件、钻探装置(MODU)和浮式生产系统(FPS)等方面。具体的应用实例如下。
(1)生产井管。生产井管是从海底延伸到钻井平台甲板的构件,大多采用直径为10.5in(266mm)的管材。通过设置在其中的配套装置,使油、气从海底流到贮藏槽(罐)。在墨西哥湾的1220m深海油田用的升降机,当升降机的升降管采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料时,与不锈钢管相比时,每米的有效重量轻45kg,1200m可减重54t,大大降低了所需浮力体的费用。
(2)管、贮罐和甲板。玻璃钢(GFRP)可用来制造海水管道、防火用的水管、低压送浮力体的费用水管、贮罐和其他构建。但是,GFRP是绝缘体,可能因流体流动摩擦而引发静电火灾或爆炸。如果在基体树脂中加入炭黑或短切碳纤维,可防止静电的发生。如果采用碳纤维与玻璃纤维混杂增强(CF/GFRP),则可有效防止静电事故的发展,且可降低生产成本。
(3)绳索( tethers)。绳索用以把TLP拴在海底。钢制绳索最深的应用于墨西哥湾4000(1ft=0.3048m)深的TLP;如果TLP超过500(1500m)深,钢制绳索费用变得非常大,需碳纤维复合材料绳索( comptethers)取代。同时, comptethers柔软可盘绕在直径为4.4m的轴上,储存、运输和使用非常方便,可降低工程成本。
(4)挠性管、连接管。深海使用的挠性管及连接管是碳纤维的最大潜在市场之一。挠性管是挤压成型的同心圆管,在树脂聚合物管子的上面施以增强用的金属螺旋层(圆周方向增强)而成。它构成比较薄的两个层面,表层保持强度,内层具有耐碱等耐蚀性。这两个层面并不接合在一起,而是保持着挠性。它可用于变化较大的状态下输送各种流体。
连接管( umbilicals)是用来捆扎束缚从平台延伸到海底的液压控制管线及甲醇输送管线、热塑性树脂软管、电气电缆等的管线。它作为控制海面下的生产及维修起到重要作用。
(5)近海平台的二次结构材料。近海平台的二次结构件有格栅框架、扶梯、辅助平台、电缆托架和电缆桥架等。FRP格栅框架已得到广泛应用。壳牌公司在墨西哥湾的4个TLP使用了FRP格栅框架结构。混杂复合材料横梁在其头与尾的凸缘上采用了碳纤维。
(6)浮力组件( buoyancy modules)。在制造增强小直径中空球的复合发泡体时可采用碳纤维。这种浮力组件可使用在4000t的海面下。为开采5000~10000f深海下的石油和石油气,这种浮力组件及套箱的需求量愈来愈大,需用大量的碳纤维。此外,碳纤维复合材料还可用来制造槽罐和压力容器等。综上所述,碳纤维复合材料在钻井管、生产井管、挠性管、连接管、TLP系绳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,用量与日俱增。显然,深海油田的开发将是碳纤维应用的最大潜在市场之一。
辊轴也叫罗拉，是指机器上能滚动的圆柱形机件的统称。一般与轴、轴承、轴套、密封圈组合使用。
辊轴通常采用诸如铝合金、不锈钢、橡胶等为原料制成，长度可达10米以上，直径可达1500mm以上。近年来，随着工艺的进步，碳纤维以其优异的材料性能，也开始逐渐应用在辊轴上。
碳纤维辊轴，是指以碳纤维复合材料为基质的辊轴，其显着优势是利用碳纤维材质的质量轻强度高的特性对于产品本身性能得到大幅度提升，从而降低能耗，提高生产效率。
碳纤维的密度小，重量轻，重量约是铝合金的60%，抗拉强度可达到3000Mpa以上，是钢材的6倍以上。
相对于铝合金材料的辊轴，质量更轻的碳纤维辊轴能够使得机器得启动和停止的速度更快，减少惯性，提高辊轴的转速，从而有效降低耗能和提高生产效率。
碳纤维托辊可应用于卷筒纸以及其他纸张、薄膜等领域
卷筒类产品，比如说纸张、薄膜、铝箔类等产品，在生产和加工这类产品时，宽度和线速度直接决定整个产品的生产效率和质量。在辊达到一定长度并且要求达到较高的临界速度时，要求辊本身具有较高的弹性模量，而碳纤维复合材料轮轴的弹性模量为240Gpa。比钢材的模量要高，而且重量要轻很多，故而惯性小，能够大幅度较少卷筒类产品在运转中产生的张力，从而更好的配合机械高速运动或者加速减速运动。
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