非金屬復合材料管道綜述

李曉平，李 愚，王茀璽，崔可心，周艷紅

中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室 （北京 102249）

非金屬復合材料管道綜述

李曉平，李 愚，王茀璽，崔可心，周艷紅

中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室 （北京 102249）

介紹了非金屬復合管道的分類與生產工藝，總結出非金屬復合材料在管道上應用時的特點和使用條件，指出了非金屬復合材料管道在設計選型、質量監管、施工維護方面的問題，探討了非金屬復合材料管道目前所存在的問題及發展方向。

非金屬復合材料；腐蝕；破裂穿孔；介質相容

油氣管道發展的一個重要趨勢就是不斷采用新材料，許多非金屬復合材料在石油天然氣領域有了很好的發展。長期以來，腐蝕一直困擾著傳統的金屬管道，反觀非金屬復合管道，可大大降低腐蝕速率，不僅節省了防腐上的投資，更延長了管道的壽命，使其達到40年甚至50年，這一數據往往是金屬管道的幾倍。非金屬復合管道的另一優勢還在于其導熱系數和絕對粗糙度小，通常只有金屬管道的1%左右，甚至更低。非金屬復合管道絕熱性能好、內層表面粗糙度低，大大降低了輸送過程中的熱能和壓力能損失，增強了管道的輸送能力。此外，輸送油品中的微生物所產生的代謝物、析出的蠟晶或污垢等，很難附著在光滑的管道內壁上，因此使用非金屬復合管道可降低管道內壁的內腐蝕，同時也可以延長清管周期。非金屬長輸管道的主要實現形式依賴于復合管材的發展，國內外非金屬復合管道的研究與應用主要集中在陸地或海底的油氣田集輸及短距離輸油、輸氣和輸水管道上。目前仍無大型長輸管道的應用實例，非金屬復合材料管道還有待發展。

1 非金屬復合管的分類

非金屬復合管按其制造材質的成型工藝特點可劃分成熱固性增強復合管和熱塑性增強復合管。熱固性塑料復合材料是以熱固性樹脂為基體，以高強玻璃纖維為增強材料的復合管道。熱塑性增強復合管是以熱塑性樹脂為基體，以鋼絲或纖維絲為增強材料的復合管道。

1.1 熱固性材料復合管

1.1.1 高壓玻璃管

高壓玻璃鋼管道是由高性能連續無堿玻璃纖維經樹脂浸漬后，以纖維纏繞工藝生產制成的，其承壓范圍在3.45~34.5 MPa。高壓玻璃鋼管主要包括由耐熱、耐蝕、機械強度高的玻璃纖維、硬化劑和有機化合物環氧樹脂構成的酸酐固化玻璃鋼管和胺固化玻璃鋼管，最大公稱直徑可達到200 mm。用于集輸的管道工作時壓力不超過6.3 MPa，用于井中注入的管道工作壓力不超過25 MPa，主要應用于油氣田的集輸、熱洗和摻水管道。選用管道時需根據輸送介質的不同選擇不同的溫度。一般情況下用于油的輸送時，酸酐固化玻璃鋼管溫度的上限達到80℃，如果長時間應用，溫度應設置不超過65℃；胺固化玻璃鋼管溫度的上限更高一些，可以達到93℃，如果介質顯堿性，長時間應用不應超過65℃。

玻璃鋼管的優點是耐腐蝕能力強，具有良好的韌性和極高的強度，其比強度是合金鋼的2~3倍[1]，但其材質很脆，柔性很差，在外力作用下很容易破碎，冬季室外施工困難，需要環境溫度達到6℃以上才能連接。

1.1.2 塑料合金復合管

塑料合金復合管里面為塑料合金材料，外面包裹連續纖維增加管道強度。由外到內分別為保護層、增強層和功能層。輸送介質溫度范圍為-30~110℃，壓力等級范圍為1.6~32 MPa。管線一般采用管螺紋或活接連接。

管材將熱塑性樹脂與熱固性樹脂獨特的優質特點充分利用起來，具有不易被腐蝕、水力特性好、壽命長、重量輕、耐熱范圍廣和連接密封可靠等優良特性。但其缺點在于塑料合金復合管的結頭需要用鋼制的，制作上需要更精細的加工，增加成本費用，另外其耐溫性能也有待進一步提高。

1.2 熱塑性塑料復合管

1.2.1 鋼骨架聚乙烯塑料復合管

鋼骨架聚乙烯塑料復合管使用鋼制骨架增加其強度，以熱塑性塑料（中密度或高密度聚乙烯）為中間連續的基質，通過管壁中間的鋼骨架孔將管壁內層與外層塑料連在一起，以避免鋼和塑料這2種材料因熱脹冷縮現象而導致的分離問題，同時也可提高管材的抗腐蝕性能。

鋼骨架塑料復合管內、外壁的熱塑性材料具有：①腐蝕性很小，不會脫落；②管道內壁粗糙度小，摩阻系數小；③保溫性好，傳熱系數低；④柔韌性良好等優點。而其缺點就在于適用溫度范圍較窄，介質輸送溫度要求在-20~80℃之間；其次，其壓力極限較低，系統的工作壓力最高只能到4 MPa，條件受到限制；第三，此種管道的施工難度較大，需要由專業人員進行施工、維修和保護；且如果在惡劣條件下管道發生凍結，無法用熱力方法進行解堵[2]。

1.2.2 增強熱塑性塑料連續管

增強熱塑性塑料連續管也稱為連續管、RTP管。現今使用的RTP管基本上采用3層結構，內層一般為不易腐蝕、不易磨損的熱塑性塑料管，中間層是起到增加強度的增強層，最外層是具有密封和防護作用的外包覆層；其中，中間層一般是編織纏繞而成，材料常選用聚乙烯纖維絲帶、芳綸纖維絲帶、聚酰胺纖維帶等。RTP管有很高的強度和韌性，在陸地和淺海的石油天然氣開采、海底輸水管道、消防管道及城鎮輸水管網中使用居多。高壓管的使用壓力不超過25 MPa，低壓管使用壓力不超過7 MPa。使用溫度在-40~90℃之間。RTP管為連續的軟管，可將管道卷起且方便運輸，對敷設的條件要求低。

增強熱塑性塑料連續管管道的連續性很好，其單根連續長度可達1 km以上。此外還具有可進行電加熱、檢測方式更加簡便容易等優點。而其缺點在于生產規格小，最大設計規格的內徑只能達到65 mm；而且管道保溫工作需要到現場操作，若管內介質溫度變化較大，操作不便。

1.2.3 柔性復合管

柔性復合管包括柔性復合高壓輸送管、連續增強塑料復合管和塑鋼復合耐高壓油田專用管。這3種管道均為連續軟管，柔性好、壽命長，設管線的條件要求低，沒有焊口的存在。此種管材主要用于油田注水、管線注醇、油氣集輸等方面。

柔性復合管是一種新材料新工藝創新產品，具有強度高、耐高壓、不易腐蝕、表面光滑，摩阻系數小、傳熱系數低、柔韌性好、使用時間長、絕熱性能好、不用防腐處理和增加保溫層、操作方便、便于運輸、抗低溫沖擊性能好等優點。工作壓力范圍為0~32 MPa，內徑尺寸范圍為17~300 mm，使用壽命為30~50年，使用溫度范圍為-35~110℃。

1.3 復合增強鋼管

復合增強鋼管是C-FER、Transcanada等管道公司和管道協會（PRCI）等團體正在研究的一種創新型管道。復合增強鋼管綜合了鋼材的強度與玻璃纖維等塑料材料的韌性，利用鋼管承受軸向力和彎曲應力，利用玻璃纖維增強鋼管的承壓能力。管道規格沒有固定的標準，可以達到提高性能節約成本的目的，實際應用中復合增強鋼管在X100級以上高壓力輸氣管道中的優勢明顯，可以用來代替高強度鋼材，對未來油氣管道的發展有很大的促進作用，目前實際應用中其壓力上限為15 MPa。

2 非金屬復合管的特點

2.1 耐腐蝕性能好、防污抗蛀

內層用樹脂作為涂層決定了在輸送介質時的抗腐蝕性能強，而外防腐的防護，只需對外防腐層應用不同的樹脂，便可針對不同的外防腐進行相應防護。

而且非金屬材質管道表面摩阻小，不易產生蠟沉積、不易結垢，輸送聚合物的母液時，不會對聚合物進行降解。

2.2 表面光滑、水力學性能優良

由于非金屬復合管內表面相對光滑、水利摩阻小，在輸送過程中，輸送能力不會隨使用時間的增加而降低很多。

2.3 重量輕、安裝運輸方便

玻璃鋼管道的相對密度為1.9左右，只有鋼管和鑄鐵管的25%，口徑大小一樣、長度相等的玻璃鋼管道的重量大約是鋼管的30%。玻璃鋼管道運送時可將玻璃鋼管道進行套裝，節省了運費、人工等費用。

2.4 比強度高、力學性能合理、耐沖擊

高壓玻璃鋼管道環向拉伸的強度極限與低碳鋼鋼管相近，但有更高的比強度。由于鋼骨架強度施加的影響，鋼骨架聚乙烯塑料復合管的徑向承受力增強，抗拉裂能力顯著提高。由于網狀鋼骨架自身的性能的影響，塑料復合管在軸向柔性性能上也具有很好的優勢。

2.5 接頭少、連接方式靈活、維修方便

纏繞玻璃鋼管道每個管子長度最大可達12 m。長距離管線安裝時接頭數量降低，使流動時水的阻力降低，施工費用減少，同時也會不易發生滲漏。由于管道重量輕，在維修操作時更加方便便捷，只需小型設備即可。

2.6 保溫性能好

復合管的導熱系數較低,約為金屬材料的1/100～1/1 000，鋼骨架聚乙烯塑料復合管的熱導率僅為0.43 W/(m·K)，遠遠低于鋼管[3]。

2.7 可設計性強

非金屬管材可以針對不同的使用條件，而相應采用不一樣的材料和加工工藝進行設計，這些是各向同性的鋼管、水泥管所沒有辦法做到的。

2.8 成本低

德國WEICON公司研究發現，與碳鋼管道相比，RTP管道可省下材料和加工的費用超過25%。TransCanada公司研究發現，采用RTP管道的總體成本降低了7%～8%，流量增加5%左右。

3 非金屬管道存在的問題

3.1 設計選型問題

1）非金屬管道當前尚沒有建立完備的工程設計的方式和標準。方案設計選型無依據，參與設計的人員對非金屬管道認識程度不高[4]。

2）非金屬管道不適于在高溫環境下使用，很多非金屬管道的使用溫度要求低于90℃，無法達到一些高溫輸送的要求[5]。

3.2 質量管理問題

1）質量參差不齊、價格差別大。非金屬管材由多種材料摻合在一起加工而成，各個原材料的材質將很大程度影響到管材的質量。由于制造加工、原材料等的不一樣，實際應用中，若超出規定壓力、溫度范圍，短期運行中，不會看到對管段質量性能的影響，長時間的使用下去，管材性能很難得到保證[6]。

2）缺乏非金屬管道產品驗收檢測能力和手段。RTP管道只能在制管時在線檢測壁厚，除此之外還沒有其他質量檢測、控制方法。復合增強鋼管只有鋼管部分的焊接、檢驗有相應參照的規范，而主體管纏繞層和補口的質量控制、產品性能沒有可參照的標準體系。

3）缺乏產品驗收標準和市場準入機制。中國石油只有少量的油田、氣田和科研部門具有一些非金屬材料的產品檢驗資格和能力，很難實現大量非金屬管材產品驗收及檢查的工作。

3.3 施工維護問題

1）連接問題。由于連接地方材料結構的差異加上接頭處施工的難度加大，非金屬管與非金屬管、非金屬管和金屬管連接時將受到一定的溫度和壓力的影響，可能會造成不同步的變形，從而造成連接處失效。

2）破裂穿孔問題。管線破裂穿孔的原因主要有：①玻璃鋼管和塑料合金復合管材料很脆，在外界的沖擊下很容易損壞；②現場施工沒有標準，非金屬管道在建設時，管溝溝底的凹凸不平會使管道受力不均勻，凸起地方會產生應力集中損壞管道；③缺乏探測手段，因為沒有探測的器具，依靠人工挖掘容易使管道破裂。

3）介質相容。由于塑料管網本身存在很強的塑料復合金物質（即PVC結構），其管道中的石油物質中含有與其相容的成分，非常容易導致整個石油在運輸過程中出現嚴重的質量問題[7]。

4）運輸問題。對于玻璃鋼管的運輸來說，由于玻璃鋼管材質的特殊性，導致其在運輸中經常容易出現破碎等狀況。

5）敷設問題。由于非金屬管道的變形受溫度的影響較大，應用彈性敷設可大大降低其影響。

6）靜電。非金屬管壁電阻很高，在輸送油氣的時候會摻雜進去一些雜質，在一定條件下雜質可以形成正負自由的離子[8]。針對于地面上軟管，現行使用的方案是在非金屬內嵌入金屬絲，增加導靜電的線路，但是這一方法在科學上沒有驗證，很多專家還不贊同。另一種做法就是改變非金屬材料的特性，在材料中加入導電的材料，如碳粉，不銹鋼纖維，抗靜電高分子等，使其導電率提高。

7）施工問題。非金屬管道中施工質量是非金屬管道能否順利應用的主要因素之一，施工質量常常會到受施工隊伍、施工條件等影響而無法順利在規定期限完成，這是造成部分非金屬管道事故發生的重要因素[9]。

8）維修問題。與金屬管道相比，非金屬管道需要更專業的維修體系，技術的需求更高，不僅對維修工具和材料要求高，而且需要技術更加精湛專業的維修人員。

4 結束語

盡管許多非金屬復合管還存在不少問題，特別是在維護和施工中存在的問題較大，但是非金屬管道的壽命高，并且在運行階段非金屬復合管可以在防腐及提高輸送能力等方面大幅度節省投資費用。此外，金屬管道在制造過程中消耗的能源多，并且可能會污染環境，而非金屬管道則沒有這樣的缺點，因此已經有許多國家在大面積的使用非金屬管道。

非金屬管道因具備金屬管道所沒有的優勢，在油氣田地面集輸、海洋油氣管輸等管道建設中已在逐漸地取代金屬管道；在減輕埋地金屬管道的腐蝕問題、提高輸送能力、保障安全生產等方面起到了關鍵的作用；在石油天然氣行業的應用前景越來越廣闊。

[1]劉 洋,董事爾,劉 倩,等.玻璃鋼管的應用現狀及展望[J].油氣田地面工程,2011,30(4)：98-99.

[2]劉 佳.非金屬管道應用評價[J].產品視點,2011,30(6)：99-100.

[3]趙小兵.非金屬管材在油田集輸系統的應用探討[J].油氣田地面工程,2010,29(8)：55-56.

[4]齊國權,戚東濤,魏 斌,等.非金屬管在酸性環境應用存在的問題[J].油氣儲運,2015,35(12)：1272-1275.

[5]李厚補,李鶴林,戚東濤,等.油田集輸管網用非金屬管存在問題分析及建議[J].石油儀器,2014,28(6)：4-8.

[6]韓方勇,丁建宇,孫鐵民,等.油氣田應用非金屬管道技術研究[J].石油規劃設計,2012,23(6)：5-9.

[7]冉慶軍.油田集輸管網用非金屬管存在的質量控制問題分析及建議[J].中國石油和化工標準與質量,2016,36(12).56-57.

[8]吳 斌,榮若忠.鋼骨架塑料復合管的應用[J].工業用水與廢水,2000,31(4)：41-42.

[9]陳 遠,黃憲春,武云龍,等.非金屬管道的應用效果[J].油氣田地面工程,2005,24(10)：62-62.

攝影/施兆國

The classification and production process of nonmetal composite pipes are introduced.The characteristics and application conditions of nonmetallic composite materials used in pipelines are summarized.The matters needing attention in type selection,quality supervision and construction and maintenance of nonmetal composite pipes are pointed out.The existing problems and development directions of nonmetallic composite pipes are discussed.

non-metallic composite material;corrosion;rupture and perforation;material compatibility

國家科技重大專項臨興-神府地區煤系地層煤層氣、致密氣、頁巖氣合采示范工程子課題(編號：2016ZX05066005-001)。

李曉平(1969-)，男，副教授，主要從事油氣長距離管道輸送、多相管流和油氣田集輸等技術方面的教學與科研工作。

路 萍

2017-04-28