復合材料在深海管道中的應用

白冰，張曉健，王磊，姚鑫(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

隨著世界能源以及環境等問題變得更加嚴重，石油企業逐漸加大對海洋開發力度，并且向深海擴展，對深海的開發已經成為當下世界海洋科技、工程發展的重要場地。深海蘊藏著比較豐富的礦產以及海洋資源，開發以及使用會給人類帶來可持續發展的空間。深海也會成為世界海洋科技強國爭取的重要領域。

1 油氣資源在深海的發展情況

按照國際能源署對世界海洋油氣資源可以開采數量的統計數據，現在國家對油氣資源的需求在持續上升，油氣資源在很長一段時間內還是承擔著重要的能源角色，但是油氣勘查在經歷過上百年的發展之后，在陸地開采石油的高峰期已經過去，逐漸向海洋區域進展，深海油氣產量也在逐漸增加[1]。因為對深海腐蝕有很大影響的因素有水流的速度、海洋中的微生物。但是當前使用的油氣運輸管道基本上都是鋼制材料的管道，鋼制材料管道的防腐層都是瀝青以及3 PE。鋼制管道的防腐層，在運輸油氣的時候、安裝儀器設備時、檢查維修期間，都會因為摩擦、磕碰因素出現問題。傳統的金屬材料已經不能承受在海洋高壓負荷或者是安裝管道運輸成本的增加，所以需要材質比較輕的材料代替。

隨著石油的開采進度，海洋會成為重要的能源場所，根據中國對海洋石油的測量數據(246億噸)，已經占據全國石油資源的五分之一，且海洋還處于開發的初期，未來的產量是不可預估的。為了發展我國的油氣能源產業，國家發布了有關的規定，主要是提升海洋資源的開發力度，海上工作的儀器設備和技術也會得到一定程度的提升，但是在海洋開采石油基本上是在水下400米左右的區域，和其他在水下3公里水深的國家比較。中國有關企業對海洋資源的開發還稍顯不足，因為中國開采海洋石油起步較晚、在起步的時候還缺乏專業的儀器設備以及有關的知識，所以中國在深海領域開采石油作業還處于摸索前進的狀態。

2 深海管道技術以及復合材料應用的前景

在開發海洋油氣資源的工程中，連接水下生產系統以及水上浮式平臺的是輸流管，需要重視輸流管的重要性，同時輸流管在開采系統中有重要的作用。根據其功能，輸流管道主要可以分成兩種類型，其一是給水下的生產系統提供工作中需要的化學劑以及液壓動力，同時還能將控制數據資料的臍帶纜傳遞出去；第二主要是輸送海洋油氣資源的海洋立管。

相對于當前常見的海洋管道，并且有完善平臺的系泊系統，盡量選擇金屬材料。根據測量取得的數據，需要適合在水深1 500米的海上平臺，加入只是考慮使用金屬立管，這個立管的重量需要超過六千噸的重量，這樣會給平臺增加一定的重量，另外重量比較中的立管在復雜的海洋情況中，更是比較容易出現功能失效以及破壞。伴隨著海洋儀器設備、技術的改革以及創新，海洋中的油氣資源逐漸向深海或者是更深的水中發展，但是需要隨之增加的有輸液管道的質量，會導致立管以及平臺連接出頂張力變大，這樣對平臺的生產能力也是一種約束，更是影響向深海區域發展的速度[2]。另外，在海水長期浸泡中金屬材料的管道也容易被腐蝕，然后影響使用管道的時間，甚至會破壞立管，導致原油發生泄漏。基本上鋼制材料的立管使用時間在10年左右，但是每隔兩三年還是需要有大規模的維修工作，這樣的保養周期就需要大量的維修費用甚至需要很長的維修時間，這樣無形中就會影響企業的生產效率以及利益。和傳統的海洋管道作比較，這些特點在深海領域有非常明顯的優點復合材料管道擁有更強的力學性能，并且還擁有著質量輕、抗疲勞效果好、耐腐蝕性強以及柔韌性好等特征。在本文中使用的主要是由基體和纖維材料復合形成的纖維增強材料，因為基體比較柔軟且擁有較強的可塑性，但是纖維材料的就是硬度比較大。

2.1 臍帶纜技術

臍帶纜是由管道、填充物以及電纜旋轉纏繞組成的，在臍帶纜中的單元基本上可以分成兩種，功能單元以及加強單元，其中加強單元有聚合物護套、螺旋鎧裝層面以及填充物；功能單元包含有電纜單元以及光纜單元。使用臍帶纜技術的時候面臨的環境更加復雜，臍帶纜容易受到海浪、狂風、水流等因素影響。臍帶纜想要使用時間更長，應該擁有很好的耐腐蝕以及抗疲勞的性能。

自從開采石油向深海區域發展，就開始從軟管臍帶纜向金屬鎧裝臍帶纜轉變，有效提升了質量[3]。因為鎧裝鋼絲除了要承擔自身的重量，還會降低抗拉的輕度，所以將主要的承載結構換成鋼管材料。但是需要向海洋區域發展，鋼管材料不能提供足夠的抗拉能力，因此想要保證結構強度還需要更高性能的復合材料。碳纖維可以增加臍帶纜，和含有鋼制材料的臍帶纜比較，碳纖維擁有：量輕、抗疲勞效果好、耐腐蝕性強以及柔韌性好等特點，對環境的變化不敏感，可以在達到和鋼管臍帶纜同樣的時候減少自身重量的4/5。當前關于碳纖維增強臍帶纜的報道不多，其分析理論部分還是比較薄弱，基礎的就是碳纖維螺旋增強技術[4]。將碳纖維桿束設置在臍帶纜的結構中被稱為碳纖維螺旋增強技術，就是將能量守恒以及有限元融合在一起，將研究出來的方法和螺旋增強桿數值模型做比較。ABAQUS軟件可以詳細分析碳纖維增強臍帶纜的力學性能，甚至是借助OrcaFlex軟件對臍帶纜的整體性能進行分析。但是在這個模型中，模型含有的功能都已經變成圓柱體模型，這樣就不能計算纏繞的影響，所以碳纖維臍帶纜的結構性質不能體現出來，并且存在著缺陷。

2.2 復合材料在海洋立管技術中的應用

海洋立管作為深海油田開發系統結構的重要因素，海洋立管技術用新的形式取得社會各界人士的關注，淺水立管形式不能應用于深水區域，使立管技術更有挑戰性，海洋立管是連接水上浮式和水下生產系統的唯一關鍵系統，所以在深海中也更有挑戰性[5]。在海洋立管中最有特色的就是柔性立管，其按照工藝可以分成粘結柔性管和非粘結柔性管。但是結構比較復雜的就是非粘結柔性管，國外有很多公司制造非粘結柔性管。

非粘結柔性管的截面結構比較復雜，如圖1所示，從骨架層到內襯層到抗壓層到耐磨層到抗拉層、外部保護層，經過鋼帶根據不同的設計角度纏繞成的就是骨架層、抗拉層以及抗壓層，其都擁有著比較強的抗拉性能以及很強的抗壓性能。在具體使用的時候，因為容易受外部海洋負荷的影響，海洋立管需要一直保持工作的狀態，所以就會影響非粘結柔性管的結構層出現移動的情況，所以會出現嚴重的磨損，嚴重的會出現結構層之間脫離以及功能結構失效的情況，減少立管使用的時間。

圖1 非粘結柔性管截面圖

粘性柔性管結構類似于非粘結柔性管，粘結柔性管的工藝比較復雜。在纖維增加層在熱粘度纏繞的基礎上借助纖維帶不同角度的纏繞形成的就是粘結性柔性管。但是粘結性柔性管中各個層面不會出現粘結的情況，更不會有類似粘結柔性管的移動，由此可以，非粘結柔性管有更強的抗疲勞性能，更容易適應在較深的水域中開采石油，因此，粘結柔性管一定會成為未來深海柔性管道中的發展方向。

在立管中經常使用的就是復合材料，因為在深海環境中立管會存在較強的內外壓，有關的工作人員需要認真考慮在深海環境中會產生怎樣的影響。復合材料立管也容易受疲勞損傷和破壞的影響，這些可以直接決定立管使用的時間[6]。尤其是在海浪比較復雜的情況，立管是更加容易出現疲勞損傷。當前，石油行業內部都會以為柔性立管整體損傷最嚴重的區域基本上都在觸地點處。

處于海洋比較復雜的環境中，立管還是會受到水流沖擊的影響。需要充分考慮頂部張力以及水流沖擊的作用，站在動力學的角度上，充分分析立管撓度、立管張力、彎矩分布狀況。但是經過有關的數據顯示，處于相同的環境中，復合材料立管比傳統鋼制立管的安全性能更高。

3 結語

綜上所述，中國對深海輸液管道的研究還是比較少，尤其是復合材料作為加強構件在臍帶纜或者是海洋立管中的力學行為還不明確，還有充分考慮纖維的螺旋纏繞構型和接觸以及摩擦之后，其分析難度會增加。除此之外，不同的符合材料管纜結構的力學性能和對比金屬鎧裝臍帶纜的輕量化效率還需要有深入的研究。