2026年3月，復(fù)合材料領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)再次為油氣行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施升級提供了關(guān)鍵支撐 —— 英國復(fù)合材料技術(shù)專家賽格特泰金普（Cygnet Texkimp）研發(fā)的多軸纏繞機(jī)（Multi Axis Winder）被加拿大管道技術(shù)企業(yè)全密封公司（Total Containment Inc, TCI）正式啟用，該設(shè)備將通過碳纖維纏繞工藝對加拿大現(xiàn)役油氣管道進(jìn)行加固，從根源上降低管道泄漏風(fēng)險，大幅提升其全生命周期的安全性與運(yùn)行性能。這一技術(shù)方案的落地，也成為復(fù)合材料技術(shù)與油氣行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施升級深度融合的典型案例。

油氣管道完整性升級的迫切需求

加拿大擁有龐大的現(xiàn)役油氣管道網(wǎng)絡(luò)，其中大量管道已服役二三十年，設(shè)備老化問題逐漸凸顯，管道的完整性與安全性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與此同時，新的監(jiān)管政策相繼出臺，要求油氣管道運(yùn)營方重新審核并優(yōu)化管道設(shè)計與安全防護(hù)體系，防范泄漏、破裂、爆炸等事故對人員、環(huán)境造成的危害。

TCI公司深耕加拿大油氣行業(yè)，此次打造的管道加固密封解決方案，核心便是通過碳纖維纏繞對現(xiàn)役管道進(jìn)行升級改造。該方案能夠從根本上消除管道泄漏引發(fā)的土壤、水體污染風(fēng)險，避免其對生態(tài)系統(tǒng)和周邊社區(qū)造成不良影響，同時在高風(fēng)險區(qū)域?qū)崿F(xiàn)管道完整性、使用壽命的提升，以及監(jiān)測體系的優(yōu)化。尤為關(guān)鍵的是，這一解決方案支持管道帶壓帶料原位施工，無需切割、移動管道，有效規(guī)避了傳統(tǒng)改造方式帶來的高額成本與運(yùn)營中斷問題。此外，該技術(shù)還能助力管道承受更高輸送壓力，提升運(yùn)營效率，同時滿足部分管道從天然氣輸送向二氧化碳輸送轉(zhuǎn)型的合規(guī)要求，適配能源行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

多軸纏繞機(jī)的技術(shù)溯源與迭代

賽格特泰金普這款多軸纏繞機(jī)的技術(shù)根基，源于曼徹斯特大學(xué)西北復(fù)合材料中心主任、機(jī)器人與紡織復(fù)合材料教授普拉薩德?波特魯里（Prasad Potluri）的創(chuàng)新設(shè)計。其最初研發(fā)初衷是為曲面部件制造提供編織工藝的替代方案，技術(shù)首款工程化應(yīng)用則是為航空航天市場打造燃油管和進(jìn)氣道的纏繞設(shè)備。

此后，曼徹斯特大學(xué)與賽格特泰金普開啟知識轉(zhuǎn)移合作，2018年雙方合作推出的3D纏繞機(jī)，成為這一技術(shù)首款商業(yè)化的全尺寸纏繞設(shè)備。這款搭載于機(jī)器人的多軸高速纏繞機(jī)，是業(yè)內(nèi)首款能夠快速、精準(zhǔn)鋪設(shè)大體積纖維，制造高強(qiáng)度、高重復(fù)性復(fù)合材料部件的設(shè)備，其九軸纏繞機(jī)構(gòu)具備更高的運(yùn)動靈活性和纏繞幾何操控性，可完成傳統(tǒng)纖維纏繞工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜曲面部件制造。

2021年，賽格特泰金普在3D纏繞機(jī)技術(shù)原理基礎(chǔ)上，推出了多軸纏繞機(jī)（MAW）。該設(shè)備將旋轉(zhuǎn)環(huán)安裝于線性軌道，可圍繞靜態(tài)芯模前后移動、旋轉(zhuǎn)，通過逐層鋪設(shè)纖維完成部件成型，在產(chǎn)能上實現(xiàn)了進(jìn)一步優(yōu)化，專為制造長直、連續(xù)且?guī)в休p微弧度的部件設(shè)計，適用于飛機(jī)翼梁、防撞結(jié)構(gòu)、管材、桅桿等多種型材的生產(chǎn)。

靜態(tài)芯模設(shè)計：顛覆傳統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

多軸纏繞機(jī)與3D纏繞機(jī)的核心創(chuàng)新點，在于采用了靜態(tài)芯模設(shè)計，這一設(shè)計也讓兩款設(shè)備成為傳統(tǒng)纖維纏繞和編織工藝的優(yōu)質(zhì)替代方案，尤其適用于大尺寸復(fù)合材料部件的大批量生產(chǎn)。

在傳統(tǒng)纖維纏繞工藝中，纖維需纏繞于旋轉(zhuǎn)芯模之上，若要制造管道這類大型長尺寸部件，芯模不僅操控難度極大，還需具備極高的強(qiáng)度和品質(zhì)，以承受高速旋轉(zhuǎn)和纏繞過程中的高張力，避免損壞。而靜態(tài)芯模設(shè)計則徹底改變了這一模式：設(shè)備的纏繞環(huán)沿部件軸線移動、旋轉(zhuǎn)并完成纏繞作業(yè)，芯模因纏繞張力的平衡設(shè)計，無需具備超高強(qiáng)度；同時，該設(shè)計可實現(xiàn)任意長度部件的纏繞加工，且無需隨部件尺寸擴(kuò)大而升級設(shè)備，大幅縮減了設(shè)備占地面積、資本支出與運(yùn)營成本。

TCI 定制化解決方案：適配嚴(yán)苛工況的技術(shù)落地

TCI 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官拉里?楊（Larry Young）一眼看中了賽格特泰金普的纏繞技術(shù)，將其視為實現(xiàn)管道原位加固、替代傳統(tǒng)管道更換方案的關(guān)鍵支撐。雙方的合作從技術(shù)測試起步，TCI先在賽格特泰金普英國創(chuàng)新中心，利用研究級演示設(shè)備完成了多軸纏繞機(jī)的初步測試；2025年2月，在測試取得成功后，該演示設(shè)備被交付至TCI位于加拿大阿爾伯塔省的總部，助力企業(yè)利用專利樹脂基體生產(chǎn)、驗證樣品，并進(jìn)一步優(yōu)化工藝方法。目前，賽格特泰金普正于其創(chuàng)新中心打造該技術(shù)的全尺寸設(shè)備，完成最終測試后，將于 2026 年夏季正式交付TCI。

為讓多軸纏繞機(jī)適配加拿大的嚴(yán)苛實際工況，雙方工程團(tuán)隊攻克了諸多技術(shù)難題。加拿大部分油氣管道位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，氣溫常低至-30℃，且管道所處地形多泥濘、臟亂，同時還需做好高價值結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的處理與防護(hù)。針對這些問題，團(tuán)隊量身打造了一款堅固的支撐箱——TCI爬行器（TCI-Crawler?），將其作為纏繞作業(yè)的可控環(huán)境，為管道、設(shè)備和操作人員提供保護(hù)，同時營造適宜的纏繞施工條件。

這款支撐箱尺寸為3米×3米×12米，內(nèi)部為溫度可控環(huán)境，搭載了由三軸超聲波傳感器驅(qū)動的自動調(diào)節(jié)技術(shù)，可精準(zhǔn)檢測管道中心并同步調(diào)整纏繞環(huán)中心位置，即便地面地形或管道鋪設(shè)存在偏差，也能保證纏繞環(huán)始終與管道對中，實現(xiàn)高精度纏繞。借助這一設(shè)計，纏繞環(huán)可完成上下、左右移動及360°全旋轉(zhuǎn)，有效補(bǔ)償管道的輕微彎曲偏差。

為讓纏繞環(huán)能在管道溝槽內(nèi)輕松套合管道，團(tuán)隊設(shè)計了1.37米（54英寸）的頂裝式剖分式纏繞環(huán)，可分兩段旋轉(zhuǎn)開合，實現(xiàn)與管道的緊密套合。施工時，TCI 爬行器被下放至管道溝槽，沿與管道平行的15米纏繞路徑移動，纏繞機(jī)隨其行進(jìn)完成碳纖維纏繞作業(yè)。

高產(chǎn)能與高適配性：技術(shù)的多元應(yīng)用潛力

為TCI 定制的多軸纏繞機(jī)在產(chǎn)能上實現(xiàn)了大幅突破：設(shè)備配備兩個圍繞固定中心環(huán)旋轉(zhuǎn)的纏繞環(huán)，相對的兩個纏繞環(huán)各搭載四組張力纖維卷，每組纖維卷為纏繞工藝提供一束纖維，單次旋轉(zhuǎn)即可在管道周圍鋪設(shè)八束纖維，結(jié)合預(yù)編程的纏繞序列，可快速完成碳纖維層的堆疊成型。

這一技術(shù)的產(chǎn)能還可根據(jù)應(yīng)用需求靈活調(diào)整，通過在纏繞環(huán)上增設(shè)更多纖維卷，能夠大幅提升單位時間的纖維鋪設(shè)量。例如，將纖維束數(shù)量提升至16束，可顯著提高沉積效率，這一特性也讓該技術(shù)適用于航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件纏繞制造。

此外，纏繞環(huán)可校準(zhǔn)為同向或反向旋轉(zhuǎn)，制造企業(yè)可通過設(shè)置不同的纖維角度，定制纏繞幾何結(jié)構(gòu)，形成準(zhǔn)交錯的纖維結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)相比同類編織結(jié)構(gòu)，纖維皺曲更少，同時還能保留纖維纏繞部件的高剛度特性。

賽格特泰金普與TCI的合作，充分展現(xiàn)了企業(yè)將現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行定制化升級，適配特定行業(yè)應(yīng)用需求的技術(shù)實力。未來，多軸纏繞機(jī)的技術(shù)能力還將持續(xù)拓展，除油氣管道外，還將逐步應(yīng)用于其他基礎(chǔ)設(shè)施、土木工程領(lǐng)域，以及帆船、體育用品等制造行業(yè)，為更多領(lǐng)域的復(fù)合材料部件制造提供創(chuàng)新解決方案。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。