国外新兴的复合材料和先进制造技术在油田中的应用董　鹃(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院,163712)摘　要　在油田生产中,输油管道的腐蚀是有待解决的大问题。

在过去的多年里,油田一直采用金属管道,其造价昂贵,防腐效果又不是很好,所以人们一直在寻求一种造价低,防腐效果更佳的材料来取代它。

复合材料因其重量轻、耐腐蚀、价格低等特点,成为取代金属材料的首选而被广为采用,从而带动了复合材料工业的迅猛发展。

各种性能更高的新型复合材料层出不穷,各种复合材料加工的新技术不断涌现。

本文介绍了国外新兴复合材料和先进制造技术,并分析了它们在油田中的应用和发展。

关键词　复合材料,输油管,防腐蚀Application of New Composites and Advanced ManufacturingTechnology for Oil FieldDong Juan(Exploration and Development Research Institute,Daqing Oil Field Co.Ltd,163712) ABSTRACT　Due to the advantages such as high strength,lightweight,corrosion resistance,composites are the first choice to be widel y used to reduce the costs and improve corrosion res istant property of metal pipes in the oil production.This paper briefly in-troduces the new composites and advanced manufacturing technology and analyzes its application and develop ment in oil field in-dustry.KEYWORDS　Composites,oil pipe,corros ion resistace1　前　言在油田管道输送中,腐蚀一直是一个有待攻克的难关。

世界各国每年因管道腐蚀造成巨大的经济损失,据专家统计:美国约20亿美元,英国约17亿美元,德国和日本约33亿美元。

人们正在寻找一种新材料来代替传统的防腐保温金属管道,从根本上解决管道腐蚀问题。

复合管道以其强度大、重量轻、耐腐蚀等特点应运而生,在油田广泛采用。

复合管道的发展也与今后油气管道改进息息相关。

尤其是对地处气候恶劣地区的油田,开发和应用高性能的复合材料显得尤为重要。

随着管道工业的迅猛发展,对耐蚀油气管道的要求越来越高,各种新兴的高级复合管道材料和更先进的制造技术层出不穷。

当今世界先进的工业国家,如美国、俄罗斯、加拿大、英国、瑞典、日本等,应用复合管的数量与日俱增,对高性能的复合材料和复合管制造的研究也十分积极和深入。

2　先进复合材料在油田中的应用过去,石油工业一直使用传统的玻璃纤维增强塑料(FRP)。

在相对低温低压腐蚀环境中,FRP因其较低的成本,而成为替代诸如碳钢等传统材料的首选。

而相对于传统的FRP,新兴的先进复合材料除具有重量轻、易加工、绝缘且耐腐蚀的共同特点外,还具有坚固、耐热和导电性好的特性。

先进复合材料(ACM)是现代最引人注目的复合材料。

在AC M开发的最初,应用于国防及航天工业,随着AC M在油田中的应用开发取得了进展, ACM在油田勘探生产中开始大展身手。

现有的三种先进复合材料(聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料)中,聚合物基复合材料是其中最有效也是成本最低的一种。

这里着重叙述聚合物基复合材料。

通常,聚合基复合材料中含有高性能热固性或热塑性材料、连续纤维、涂敷钢带、金属单晶纤维或陶瓷粒状填料。

以下是国外新开发的几种ACM管材。

2.1　钢带夹层管(SSL)1997年11月Ameron国际公司推出商业化钢带第2期纤维复合材料No.245　2003年6月F IBERC OMP OS ITES J un.,2003夹层管道技术,标志着ACM技术的重大发展,该技术源于英国火箭和导弹的军工制造。

SSL的主要特点是采用高强度涂敷马氏丁钢带芯,内外层防腐采用玻璃纤维增强环氧树脂。

经过一系列试验表明,SSL管接口处比管壁还要坚固,安装速度快而且简便,操作温度可达99.3℃。

压力等级高。

与其他耐腐蚀管(包括热塑增强管)比较成本相对低,与涂敷FBE的碳钢管相比,SSL管的全部寿命周期费估计可节省约45%。

委内瑞拉石油公司、壳牌公司、巴西国家石油公司、英国阿莫克公司(阿尔及利亚)、沙特Ara mco公司以及在西伯利亚等地,SSL的现场试验及应用均在进行。

2.2　热塑加强管(RTP)AC M的另一个最新发展是1997年Tubesd Aquitaine推出的商业化RTP系统。

由于RTP含有凯夫拉纤维和高性能热塑材料,因此可承受高压。

其特点是采用高强度凯夫拉纤维,内防腐采用高密度聚乙烯衬里,外防腐采用高密度聚乙烯。

RTP的优点是操作压力高,为3～20MPa;操作温度高,为65.5℃;韧性好,便于安装且安装速度快。

RTP的首次现场试验和应用是在阿拉拍。

1997年PDO油田对RTP进行了试验,目前已形成150条总长60km,管径100mm和150mm的输油管线管网。

沙特Aramco公司的首次RPT现场试验也正在进行。

2.3　AC M在海上的应用深海石油勘探,对设施的最轻化要求加速了复合材料在海上应用的进程。

目前,多数海上平台的建造均与FRP材料相关。

特别是墨西哥湾Mars浮式张力腿平台共使用了1.6×104m2的FRP的花格板,消防水和排水系统均使用FRP管材,使平台上部重量减轻了72.6吨。

节约了近300万美元。

Mars 是第一座使用酚醛花格板的张力腿平台,这种材料具有良好的隔热及耐火性能。

AC M在海上609m～1220m的水深范围内被认为是经济的。

在超过1220m水深时在经济技术方面也是可行的。

与钢材相比,ACM具有良好的韧性,与其他大多数材料相比其重要轻30%～50%。

新兴的大多数AC M在海上的应用大致可分为三类:1)大管径、同长度的高压管用作钻井立管、生产立管、钻杆、气流/压井管线、油管、套管;2)张力腿平台上的系缆和可连续卷绕链条束及浮标;3)挠性管或可连续卷绕的高压小管径管作为盘道、速度管柱、毛细管、海底管道清扫管、海底出油管线以及海底控制管线,同时还用于修井作业、斜井测井和完井作业。

在北海挪威城,ACM的应用包括泥浆气分离器的高压容器;在墨西哥湾Ram-Po well张力腿平台与Mar平台一样使用ACM储能器作为生产立管的张力器。

全世界拥有6100座海上平台。

2001年后将有更多的平台处于设计中,未来和张力平台无疑将采用更多的复合材料。

3　国外新技术制造的复合管道在油田中应用 复合管道生产工艺先进、成本低、性能优良、施工费用少且技术易配套,为此深受世界各国的普遍重视,欧、美、德、英、日、俄等国家早在70年代就开始研究复合管生产技术,目前已进入工业化生产,先进的生产工艺,使复合管道具有更好的机械性能、阻热性能、耐酸碱盐等腐蚀性能,以及耐多种油类和有机溶剂的性能。

根据复合结构的特点,复合管道一般可分为金属骨架复合管道和非金属玻璃纤维增强树脂复合管。

金属骨架塑料复合管道由金属骨架层、粘结剂层和塑料制品层组成;而非金属玻纤增强树脂复合管道是由玻璃纤维与热固性树脂(如聚酯、环氧和酚醛树脂)组成。

目前,国外在油田用复合管道结构、生产工艺的设计研究中取得了卓著的成果。

3.1　金属骨架复合管道3.1.1　钢丝骨架塑料复合管近年来,俄罗斯管道设计研究所对油田的管道结构、生产工艺进行了大量的研究,并开发生产出耐高压、耐腐蚀的钢丝骨架塑料复合管。

这种钢丝网骨架塑料复合管是由热塑材料、钢丝网骨架和聚氯乙烯缠绕胶带组成。

热塑材料为高密度聚乙烯或聚丙烯,钢丝网骨架采用碳钢或普通低合金钢制成。

这种钢丝骨架塑料复合管在俄罗斯中部、北部、萨哈林地区、哈萨克思地区的15个采油企业、石油集输等系统进行了大量的应用。

保持17年运行无事故,而钢管在这些地区的应用寿命是3年。

3.1.2　钢丝网骨架混凝土复合管道美国Bekaert混凝土管道公司新近研制出一种钢丝网骨架混凝土复合管。

这种钢丝网骨架混凝土复合管道是由专用设备把钢丝压成波浪型圆圈,并与混凝土料组合而制成,最后黏结上衬里层。

混凝土复合管具有强度高、耐腐蚀、工作寿命长等综合特点,并已在美国排污系统中应用了许多混凝土复合管道,在恶劣的排污环境中发挥重要作用,保证管道稳定运行30～50年之久。

46　纤　维　复　合　材　料2003年3.2　玻璃纤维增强树脂复合管3.2.1　玻璃纤维增强树脂管玻璃纤维增强树脂管主要采用缠绕法制作。

缠绕法是将连续的玻璃纤维粗纱浸渍树脂基体后而不间断地缠绕到相应于成型体内径尺寸的芯模上,然后经过室温固化或加热固化而成型的一种工艺。

这种工艺制取的复合管具有很高的强度。

3.2.2　玻璃纤维增强树脂夹砂管这种复合管的成型工艺流程是:按管壁结构设计要求在完全成防渗内衬层的基础上,依次用连续玻璃纤维缠绕内结构层、树脂砂夹心层和外结构层,然后固化、脱模和加工处理,整个成型过程可在机械缠绕机或计算机控制的纤维缠绕机及相应的附属设备上完成。

这项技术适用于380mm 以上的复合管的制作。

3.3　主要独特优势以上复合管的最大特点是克服了钢管耐压不耐蚀,塑料管耐蚀而不耐压的弱点,并具有强高度、耐温性能好、刚性及尺寸稳定、热膨胀系数小、复合均匀可靠、双面防腐、不结垢、易加工、安装和维修方便等优点,将会逐渐取代目前油田大量应用的内外防腐钢管,以降低管道运行中的成本。

具体表现为:1)机械强度高　通过测试表明,其拉伸、抗弯、抗冲击指标几乎接近A3钢管,如果钢丝网采用低合金钢材,其强度还可提高15%左右,并满足用户在低压、中压条件下选择使用。

2)耐腐蚀老化　复合管道能抵抗酸、碱、盐、未经处理的污水、腐蚀性土壤或众多化学流体的侵蚀。

在一般情况下,钢管使用年限为15年,铸铁管为5～10年,而复合管可使用25～50年。

3)施工方便、效率高、费用低　复合管与金属管相比,施工操作简单,安装费用低,单口连接仅需几分钟,质量可靠,对内外表面不必增加防腐措施,重量比钢管小3～5倍,运输效率高,劳动强度低,一般不需要大型施工机械。

4)应用范围广　复合管适用于民用输水、石油、化工等领域。

5)工程综合效益好　综合效益是指建设投资、安装维修费、使用寿命、节能节钢等多种因素构成的总体成本和长远效益。

如考虑管道和各种功能和使用的长期性,复合管道的综合效益是可取的,特别是管径越大,其成本越低。