金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道在油氣領(lǐng)域中的應(yīng)用*

鄒 航，杜 冰，冷奇展，陳 勇

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

碳鋼管道已廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等行業(yè)。然而，石油中CO2、H2S和Cl-的存在往往會導(dǎo)致鋼管的嚴(yán)重腐蝕(如圖1、圖2)[1-2]。雖然碳鋼管在高壓、高溫、大口徑油氣輸運(yùn)管線的使用不可替代，但是在中低壓輸運(yùn)、酸性輸運(yùn)、海洋輸運(yùn)管線等，復(fù)合材料管道往往更加適用。從20世紀(jì)70年代開始，北美和歐洲等地區(qū)開始大面積推廣和普及非金屬管道[3]。從2000年開始，我國油氣田對集油、注水系統(tǒng)逐步采用了纖維復(fù)合管、鋼塑復(fù)合管來替代金屬管，以滿足油田正常生產(chǎn)需要[4]。我國勝利采油廠在2003年開始就已經(jīng)采用一段長為7.25 km的鋼骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管，該管道用于3座計量站的外輸管線[5]。金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道作為壓力管道，目前應(yīng)用范圍主要集中在油田集油、集氣、注水、注醇等管道工程。

通過對鋼管和金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道對比發(fā)現(xiàn)，同等直徑的金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道內(nèi)壁絕對粗糙度一般為0.0015～0.01 mm，僅為鋼管的1/10～1/100[6]。同時，金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的柔韌性可以使其卷曲輸運(yùn)，單根連續(xù)長度可到到200～2000 m不等。金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道基于常規(guī)使用環(huán)境下要求20～50年服役壽命。在經(jīng)濟(jì)性能方面，表1對比了喇嘛甸油田同等型號(DN50)三種管道的經(jīng)濟(jì)性能對比情況，金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的年均費(fèi)用低于金屬管道年均費(fèi)用，投資性價比高于金屬管道。

表1 金屬管道和復(fù)合材料管道在喇嘛甸油田的價格對比[7]Table 1 Price comparison between metal and composite pipes in the Lamadian oil field[7]

圖1 CO2對碳鋼管的內(nèi)部表面腐蝕[1]Fig.1 CO2 corrodes the internal surface of the carbon steel pipe

圖2 H2S、Cl-對碳鋼管的內(nèi)部表面腐蝕[2]Fig.2 H2S,Cl- corrosion of the internal surface of carbon steel pipes

1 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道

1.1 鋼塑復(fù)合管

在新型油氣復(fù)合材料管道的應(yīng)用中，鋼塑復(fù)合管道能高效地解決我國各大油氣田的輸油管、集氣管、供水管的腐蝕泄漏問題，且管道經(jīng)濟(jì)效益良好、服役穩(wěn)定，在多種金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道中，使用最為普及。鋼塑復(fù)合管內(nèi)外層為熱塑性復(fù)合材料為基體，通過骨架或者層間纏繞鋼絲或孔狀鋼片的方式來增強(qiáng)管道[8](見表2)復(fù)合制得。鋼骨架增強(qiáng)復(fù)合材料管道具有鋪設(shè)快、耐腐蝕、使用壽命長等特點。主要運(yùn)用于油氣輸運(yùn)中的輸油和輸氣管道以及油氣田注水管、單井注醇管道[9-10]。

1.2 鋁塑復(fù)合管

鋁塑復(fù)合管道在油氣工程領(lǐng)域主要運(yùn)用于采暖系統(tǒng)。鋁合金具有耐腐蝕、耐高溫蠕變、易加工等特性，適合作為金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的增強(qiáng)材料[11]。鋁塑復(fù)合管道通常采用薄壁鋁管作為骨架層，內(nèi)層采用具有更好耐熱性和對氣體以及水蒸氣都有更好阻隔性的高密度聚乙烯，外層采用具有耐慢速開裂性能的中密度聚乙烯，薄壁骨架層和內(nèi)外層分別通過熱熔膠粘接復(fù)合制得。鋁塑復(fù)合管具有質(zhì)量輕、不結(jié)垢、不易老化的材料特性，管道可在90 ℃內(nèi)保持長期穩(wěn)定耐溫性[12-13]。在油氣工程采暖系統(tǒng)中，鋁塑復(fù)合管道根據(jù)壓力的不同，一般分為熱水管(紅色)、冷水管(白色)、燃?xì)夤?黃色)[14](見表2)。

1.3 銅塑復(fù)合管

在油氣領(lǐng)域中，純銅水管作為供水管材，是非常好的選擇，但是純銅水管也存在造價高、表面易結(jié)露水等弊端。銅塑復(fù)合材料管道是以內(nèi)管采用無縫紫銅管為基體，外管道采用熱塑性的PPR與銅管道熱熔膠粘復(fù)合制得[15](見圖3)。銅塑復(fù)合管內(nèi)部紫銅管耐高溫、耐腐蝕、抗菌性強(qiáng)，外部的PPR具有良好的電氣絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，管道與管道之間的接口可采用熱熔技術(shù)連接。銅塑復(fù)合管造價低、安裝便捷，管道外側(cè)的PPR具有極佳的保溫性能。銅塑復(fù)合材料管道在油氣領(lǐng)域中可適用于飲用水管道、天然氣輸送管道[16]。

圖3 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道分類Fig.3 Metal-reinforced composite pipes classification

2 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的制備方法

2.1 纏繞成型

纏繞成型工藝[17](見表3)是復(fù)合材料管道的主要制造工藝之一。纏繞成型工藝是將浸漬樹脂的纖維長絲纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯模上形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的一種工藝。浸漬的纖維在沿著芯模橫向方向移動的小車上進(jìn)料，以預(yù)定的幾何圖案鋪設(shè)，當(dāng)施加足夠的層數(shù)時，復(fù)合管道在芯模上固化，然后將模制部件從芯模上剝離。纏繞成型可分為濕法纏繞、干法纏繞以及半干法纏繞[18]，在實際生產(chǎn)中，半干法纏繞是最主流的纏繞成型工藝。纏繞成型工藝生產(chǎn)快速且高度自動化，生產(chǎn)設(shè)備簡單，成品率接近100%，可使管道最好的達(dá)到目標(biāo)強(qiáng)度與重量比，是一種經(jīng)濟(jì)高效的制造復(fù)合材料管道技術(shù)。

2.2 拉擠成型

在所述成型工藝中，拉擠成型工藝[19](見表3)生產(chǎn)的速度最快，對原材料的利用率可達(dá)到最高，拉擠成型工藝是用高性能纖維增強(qiáng)聚合物產(chǎn)品最有效的方法[20]。拉擠成型工藝是將纖維從樹脂浴中浸漬后拉出，通過加熱模具，控制纖維保持均勻的速度嵌入到聚合物中，復(fù)合管材在離開模具時已完全固化且形狀穩(wěn)定，該工藝提高了結(jié)構(gòu)的完整性，所制管道擁有優(yōu)異的縱向力學(xué)性能，對于異形截面和工字型的復(fù)合管材成型最為合適[21]。

2.3 樹脂傳遞模塑成型

樹脂傳遞模塑工藝[22](見圖4)于20世紀(jì)70年代首次在商業(yè)上應(yīng)用并逐漸趨于成熟。樹脂傳遞模塑工藝是先將纖維置于密閉的模具中，然后將熱固性樹脂通過真空或者是壓力注入模具中，從而在纖維周圍形成連續(xù)的基體[23]。樹脂傳遞模塑工藝所生產(chǎn)的復(fù)合管表面光滑，生產(chǎn)效率高，因為是閉模注塑工藝，可實現(xiàn)增強(qiáng)纖維材料任意方向鋪放和任意鋪層順序，以滿足受力要求。

圖4 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道成型工藝Fig.4 Metal-enhanced composite pipe molding process

3 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 耐壓抗沖管

我國石油和天然氣資源主要集中分布在東北、華北、西北和東海大陸架等地區(qū)，其中可開采的石油和天然氣資源量分別約為172億噸和18.4萬億立方米，其中部分油氣田處于地質(zhì)活動多發(fā)地帶。地質(zhì)活動的發(fā)生無法避免的會給管路帶來形變和位移，會對管道產(chǎn)生層間組織損傷，甚至斷裂情況的發(fā)生。耐壓抗沖管以熱塑性的高密度聚乙烯材料作為內(nèi)襯層基體，增強(qiáng)層采用螺旋纏繞的承拉鋼帶，管道最外層再以聚乙烯材料作為保護(hù)層復(fù)合粘接而成，該結(jié)構(gòu)的管道具有耐高壓和出色的抗沖擊特性，具有較高的抗形變能力，其抗拉伸性能最為優(yōu)越，能有效抵抗地質(zhì)活動帶來的外力沖擊影響[24]。國內(nèi)長春高祥特種管道有限公司作為增強(qiáng)塑料復(fù)合管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)起草單位，其生產(chǎn)的耐壓抗沖管已成功并大量應(yīng)用于大慶油田、勝利油田等。Pipelife是歐洲最大的塑料管道制造商之一，其生產(chǎn)的SoloForece耐壓抗沖管(見圖5)[25-26]，自2000年以來已經(jīng)廣泛應(yīng)用在阿曼、科威特和沙特阿拉伯等地的油氣輸運(yùn)領(lǐng)域中。

圖5 荷蘭Pipelife公司生產(chǎn)的SoloForce耐壓抗沖管[26]Fig.5 SoloForce pressure-resistant anti-punch tubes produced by Pipelife of the Netherlands

3.2 保溫輸運(yùn)管

位于我國黑龍江西部的漠河-大慶段油氣管線和渤海油氣田的輸運(yùn)管線，其外輸管道常年面臨來自凍土層和海洋低溫環(huán)境的影響[27-28]。為了避免外界低溫環(huán)境造成管道材料脆性斷裂、爆裂情況的發(fā)生，鋼骨架增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料管道的出現(xiàn)解決了以上問題。鋼骨架增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料管道骨架層采用連續(xù)的鋼管，保溫層采用高效保溫的聚氨酯材料，保溫層外采用高密度交聯(lián)聚乙烯材料作為防水保護(hù)層。鋼骨架增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料管道在渤海油田PL19-3油田I期工程中有相應(yīng)的應(yīng)用，經(jīng)過實地測試發(fā)現(xiàn)，該管道能在外界環(huán)境-40～80 ℃之間穩(wěn)定輸運(yùn)(見圖4)[29-30]。

圖6 渤海油田PL19-3油田I期所用的長距離保溫輸運(yùn)管[29]Fig.6 Long-distance insulation pipeline used in Phase I of the Bohai Oilfield PL19-3 Oilfield

3.3 酸性油氣輸運(yùn)管

嚴(yán)重的H2S腐蝕管道問題一直是酸性油田開發(fā)的重難點。我國已探明的23個大型油氣田中，酸性油氣田所占比例較高，在酸性天然氣的開采和輸運(yùn)過程中，常伴有H2S、CO2、Cl-等高濃度的腐蝕介質(zhì)，對管道產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕情況[31]。針對腐蝕嚴(yán)重的酸性油氣田，輸運(yùn)管道可以采用耐酸效果極好的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料管道。增強(qiáng)塑料復(fù)合材料管道內(nèi)采用聚偏氟乙烯、聚丙烯為基體，增強(qiáng)層采用連續(xù)玻璃纖維和抗拉鋼帶正反兩個方向螺旋纏繞，外層采取環(huán)氧樹脂復(fù)合而成。石油管工程技術(shù)研究院針對酸性的塔里木盆地油田ZG262-H1進(jìn)行了酸性油氣成分分析和實地考量，該井的H2S含量高達(dá)22900 mg/m3，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院通過油田特性和材料特性匹配選擇，研發(fā)出金屬增強(qiáng)玻纖聚偏氟乙烯復(fù)合管(圖7)[32]。該管道在塔里木盆地油田ZG262-H1試用一年后測試評估能夠滿足酸性油田的集輸工藝要求和標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 塔里木油田ZG262-H1所用的酸性油氣輸運(yùn)管[32]Fig.7 Acid oil and gas pipeline for ZG262-H1 in Tarimu oil field

3.4 海洋柔性高壓管

據(jù)統(tǒng)計，全球石油資源總量的1/3為海洋石油資源，海洋石油資源主要通過柔性高壓管輸運(yùn)，柔性高壓管在復(fù)雜海洋環(huán)境中會受到來自水流、水壓、洋流活動以及平臺移動帶來的拉伸、壓縮、沖擊等影響，同時海水作為自然界中腐蝕性最強(qiáng)的電解質(zhì)之一，對管道的耐腐蝕性能提出了更高要求。海洋柔性高壓管一般采用非粘接柔性管，管道最內(nèi)骨架層采用耐腐蝕性的合金材料，內(nèi)壓層一般選用密封性能和耐腐蝕性能良好的熱塑性材料，增強(qiáng)層采用多層螺旋纏繞的鋼帶或纖維，外層采用高度致密的熱塑性材料。內(nèi)壓層能有效保障輸運(yùn)介質(zhì)的密封性能，金屬增強(qiáng)層的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)不僅可以保證管道具有足夠的彎曲特性，還可以保證每一層材料間的相對位移，提供足夠的自身結(jié)構(gòu)抗力，保證管路在深海油氣輸運(yùn)中的綜合力學(xué)性能[33]。中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院依托國家863計劃“海洋深水非金屬材料復(fù)合管研制”，率先開發(fā)出可承壓20 MPa、抗拉強(qiáng)度達(dá)到20 t的DN150的非粘接深海柔性高壓管，現(xiàn)已經(jīng)通過試驗測試并在邊際油田流花11-1和陸豐13-1和海洋立管領(lǐng)域開始使用(見圖8)[34-36]。

圖8 流花11-1和陸豐13-1油田所使用的柔性高壓管[36]Fig.8 Flexible high-pressure tubes used in the 11-1 and Lufeng 13-1 oil fields

4 金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的發(fā)展趨勢

4.1 管道應(yīng)用趨勢

4.1.1 大口徑復(fù)合材料管道

隨著工業(yè)的發(fā)展，對油氣能源需求量不斷增加，建設(shè)大口徑、大流量、長距離的天然氣輸送管道也成為業(yè)界新的發(fā)展趨勢。大口徑復(fù)合材料輸運(yùn)管具有輸氣量大、受地形環(huán)境影響較小，管道連接方便快捷，是解決鋼管連接導(dǎo)致鋪設(shè)工作量大、易受到開采介質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境侵?jǐn)_的最有效的解決辦法。現(xiàn)有的各種大、中直徑天然氣管道應(yīng)用中，多層鋼絲增強(qiáng)聚乙烯管應(yīng)用最廣，近年來國內(nèi)外發(fā)展到最大穩(wěn)定生產(chǎn)的復(fù)合管道直徑可以達(dá)到DN3000[37]。基于大口徑復(fù)合材料管道輸運(yùn)流量大、介質(zhì)輸運(yùn)穩(wěn)定高效的特點，沙特阿拉伯Amiantit公司是當(dāng)今世界上大口徑玻璃鋼復(fù)合管道的最大生產(chǎn)商，該公司生產(chǎn)生產(chǎn)了大約27 km的DN660大口徑復(fù)合管(圖9)[38]為沙特阿拉伯的延布和朱拜勒地區(qū)提供海水淡化服務(wù)；美國德克薩斯州Belco制造公司使用耐腐蝕雙酚A環(huán)氧乙烯基酯樹脂制造內(nèi)徑為DN3400的北美最大復(fù)合污水管(圖10)[38]。在我國成功應(yīng)用的大口徑復(fù)合管工程有南水北調(diào)滕州段的DNl000、DN800鋼骨架聚乙烯復(fù)合管供水管網(wǎng)工程[39]。

圖9 沙特阿拉伯海水淡化復(fù)合管[38]Fig.9 Saudi Arabia desalination complex pipe

圖10 北美最大復(fù)合材料污水管[38]Fig.10 The largest composite sewage pipe in North America

4.1.2 超深海柔性管

近年來，隨著深海油氣的探明儲量逐年增加，我國也加大了對超深海柔性管的研發(fā)。從20世紀(jì)60年代開始至今，海洋柔性管的承壓深度從最開始20 m逐漸過渡到400 m、1000 m，以及1500～3000 m的超深海區(qū)域段，但同時也出現(xiàn)了如何安全高效的使用超深海柔性管輸運(yùn)深海天然氣水合物資源的問題。超深海柔性管(圖11)[40]在普通海洋柔性管的基礎(chǔ)上增加了鎧裝層層數(shù)，還增加了耐壓層、反擠壓層以及功能層，能更好的適應(yīng)海底復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，其具有優(yōu)異的防腐蝕性能、接頭少、單管長、保溫好、易鋪設(shè)等性能特點。

超深海柔性復(fù)合管的關(guān)鍵技術(shù)長期受到美國、法國、荷蘭的外國企業(yè)限制，為了補(bǔ)齊我國超深海柔性管的短板，中海油研究總院與天津海王星等企業(yè)組成聯(lián)合科研攻堅團(tuán)隊，團(tuán)隊依托于國家863計劃“海洋深水非金屬材料復(fù)合管研制”，主要針對超深海柔性管的材料設(shè)計、制造、安裝、維護(hù)等多位一體的國產(chǎn)化研究[41-42]。同時國內(nèi)知名高校和管道龍頭企業(yè)也聯(lián)合針對水深3000 m內(nèi)的多功能超深海柔性管進(jìn)行管路設(shè)計和性能試驗等研發(fā)工作。國際上，巴西國家石油公司在設(shè)計了3000 m內(nèi)的深海非粘結(jié)性柔性復(fù)合管，其溫度使用范圍可在-50～150 ℃之間穩(wěn)定使用，該非粘結(jié)性柔性復(fù)合管的最大承受壓力為137.94 MPa，管道平均直徑500 mm[35]。超深海柔性管的研發(fā)豐富了國內(nèi)大口徑超深海柔性管領(lǐng)域，為海洋能源市場的開拓和海洋能源開發(fā)提供了科研支撐和產(chǎn)業(yè)支柱。

圖11 超深海柔性管[40]Fig.11 Ultra-deep-sea flexible tube

4.2 管道成型工藝趨勢

如第三章工藝部分所述，3種主流的復(fù)合材料管道生產(chǎn)工藝無論是在生產(chǎn)規(guī)模還是在工藝成型方面都存在一定的局限性。編織纏繞拉擠一體成型工藝(圖12)[43]采用自動化牽引纖維束兩次浸漬樹脂，克服了手糊成型和樹脂傳遞模塑成型的所造成的產(chǎn)品質(zhì)量分散問題，纖維束可通過三維編織機(jī)編織形成特定形態(tài)的增強(qiáng)體形狀，能夠生產(chǎn)適應(yīng)纖維取向的纖維增強(qiáng)熱塑性型材，克服了纏繞工藝適應(yīng)性小和拉擠工藝所制造產(chǎn)品的橫向強(qiáng)度低等問題。該工藝可達(dá)到復(fù)合材料管道重量輕、比強(qiáng)度高、使用壽命長的目的[44]。

編織纏繞拉擠一體成型工藝采用連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料，通過浸漬樹脂、完整編織、芯模纏繞、二次浸漬、加熱固化后再經(jīng)拉擠一體成型后，最后將混合編織物復(fù)合材料通過裁剪冷卻成型。編織纏繞拉擠一體成型工藝目前對型材有效加熱效率低，拉擠成型模具內(nèi)的管件紗線和模具內(nèi)壁的摩擦等問題還有待進(jìn)一步解決[45]。為滿足這些需求，主流的辦法是在工藝流程中插入集成紅外、接觸式和導(dǎo)電性相結(jié)合的加熱系統(tǒng)來解決相關(guān)問題。編織纏繞拉擠一體成型工藝是一種極具創(chuàng)新性的工藝，在大批量生產(chǎn)纖維增強(qiáng)熱塑性型材方面具有很大潛力。

圖12 編織纏繞拉擠一體成型工藝[43]Fig.12 Weaving winding pull-in molding process

4.3 管道修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著我國油氣管道逐漸進(jìn)入老齡化階段，管道在服役末期暴露出的問題逐步增多，相比較相對成本更高的管道更換方案，便捷、安全、高效的復(fù)合材料管道修復(fù)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用也受到業(yè)界越來越多的關(guān)注。目前，預(yù)浸料修復(fù)工藝是適用性最廣的復(fù)合材料管道修復(fù)技術(shù)，預(yù)浸料修復(fù)工藝在實際修復(fù)應(yīng)用中實現(xiàn)了對嚴(yán)重?fù)p傷部位的高質(zhì)量、低成本的針對性修復(fù)[46]。預(yù)浸料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展主要呈以下幾種趨勢：一是研究不同纖維和樹脂構(gòu)成的預(yù)浸料缺陷修復(fù)性能，完善管道缺陷修復(fù)方法和體系建設(shè)；二是提升預(yù)浸料的修復(fù)溫度范圍，同一種預(yù)浸料可滿足在不同溫度條件下的使用情況；三是可使用有限元方法預(yù)測和分析管道的修復(fù)效果和應(yīng)力情況，對修復(fù)后的管道通過實際效果和預(yù)測結(jié)果分析對比，制定出符合復(fù)合材料管道缺陷修復(fù)工藝的規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[47]。

5 結(jié) 語

本文綜述了金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道的分類、制備、應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道能有效地解決油氣工程腐蝕問題，在國內(nèi)外油氣田中有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間，開發(fā)耐高溫高壓的大口徑復(fù)合材料管道是我國油氣行業(yè)所面臨的一項技術(shù)挑戰(zhàn)，超深海柔性管作將會在未來的海洋油氣應(yīng)用中變得至關(guān)重要。編織纏繞拉擠一體成型工藝在自動化成型方面尚處于早期開發(fā)階段，在未來大批量生產(chǎn)復(fù)合材料管道方面具有很大潛力，同時，復(fù)合材料管道缺陷修復(fù)體系在預(yù)浸料種類、修復(fù)溫度和仿真模擬方面尚有著較大的研究空間。輕質(zhì)高強(qiáng)且高性價比的金屬增強(qiáng)復(fù)合材料管道是未來復(fù)合材料油氣管道的主要發(fā)展方向。