纖維復(fù)合材料在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

代志雙，宋平娜，高志濤，王鴻軒，龔立麗，陳 星

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

纖維復(fù)合材料在海洋油氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

代志雙，宋平娜，高志濤，王鴻軒，龔立麗，陳 星

(天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

隨著我國(guó)陸地及淺海石油和天然氣資源的急劇減少，近海油氣田勘探已逐漸向1 500～3 000 m的深海發(fā)展，對(duì)于能夠承受惡劣海洋環(huán)境的輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求迫在眉睫。纖維復(fù)合材料由于其質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等特性而成為開(kāi)發(fā)海底油田的最好選材之一，主要應(yīng)用于非粘結(jié)性海洋立管的抗拉鎧裝層、碳鋼管的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)等方面，同時(shí)廣泛應(yīng)用于抽油桿及配套系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)等方面，為深海油氣田的開(kāi)發(fā)提供了可靠的材料支撐。

海洋管道； 纖維復(fù)合材料； 修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)； 抽油桿

0 引 言

深海油氣開(kāi)采代表了當(dāng)今世界石油開(kāi)發(fā)的一大趨勢(shì)。我國(guó)海洋油氣資源潛力十分巨大， 但與陸地石油勘探相比，深海油氣勘探整體上處于早期階段， 同時(shí)與世界先進(jìn)國(guó)家也相比存在較大的差距。加快深海油氣開(kāi)發(fā)已成為我國(guó)當(dāng)前石油戰(zhàn)略發(fā)展的重要課題。隨著我國(guó)陸地及淺海石油和天然氣資源的急劇減少， 近海油氣田勘探已逐漸向深海發(fā)展，開(kāi)采海域深度向1 500～3 000 m深水發(fā)展。 這就給原有的淺海海域的鉆井平臺(tái)及其配套設(shè)施帶來(lái)了不可回避的技術(shù)難題：傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料不再適用。鋼材的密度過(guò)大，一個(gè)1 500 m水深的鉆井平臺(tái)， 其鋼制系纜的質(zhì)量就達(dá)6 500 t左右， 給鉆井平臺(tái)帶來(lái)極大的載重負(fù)荷， 增加了平臺(tái)的建造成本；同時(shí)，鋼材在海水中耐腐蝕性差， 造成鉆井平臺(tái)的鋼制系纜和管道平均工作壽命僅為2～3年。因此，對(duì)于能夠承受惡劣海洋環(huán)境的輕質(zhì)高強(qiáng)材料的需求迫在眉睫。

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法在宏觀上組成的具有新性能的材料。各種材料在性能上互補(bǔ)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而能滿足各種不同的要求[1]。復(fù)合材料作為新型功能結(jié)構(gòu)材料，在海洋環(huán)境中可表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：(1)質(zhì)量輕；(2)比強(qiáng)度高，比模量高；(3)耐疲勞強(qiáng)度高；(4)耐腐蝕；(5)熱膨脹系數(shù)小。以上這些綜合性能使得復(fù)合材料，特別是纖維復(fù)合材料，成為開(kāi)發(fā)海底氣油田的最好選材之一，尤其是對(duì)深海油氣田的開(kāi)發(fā)將發(fā)揮更大作用[2]。本文主要介紹纖維復(fù)合材料在海洋管道、抽油桿及其配套系統(tǒng)以及系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 海洋管道

海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運(yùn)輸工具在海洋工程裝備中是不可或缺的。從材料角度可以大致將海洋管道分成鋼管及復(fù)合式柔性管道兩大類。鋼管整個(gè)管體的材料都是鋼材，屬于各向同性材料；復(fù)合式柔性管道則是由金屬層(鋼材)及聚合物共同組成的復(fù)合材料管，屬于各向異性材料。復(fù)合材料在海洋管道中的應(yīng)用主要是承力和修補(bǔ)兩個(gè)方面。

1.1 非粘結(jié)性柔性管道

非粘結(jié)性柔性管道按照應(yīng)用分為海底靜態(tài)管和動(dòng)態(tài)立管。靜態(tài)管道是指應(yīng)用于海底的管線，如輸油或輸氣管線、鏈接井口和集合管間的跨管以及固定立管的膨脹彎等。動(dòng)態(tài)柔性管道主要指連接浮式生產(chǎn)設(shè)備和海底終端或者連接兩個(gè)浮式生產(chǎn)設(shè)備的管線。

圖1 典型的海底管道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical construction of offshore pipeline

典型的海底管道結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其骨架層由能互鎖的金屬層構(gòu)成，主要用于抵抗外壓；內(nèi)襯層由聚合物組成，用于防止流體滲漏；抗壓層也是能互鎖的金屬層，用于抵抗內(nèi)壓；耐磨層用于減少金屬之間的磨損；抗拉鎧裝層由特定纏繞角度的型鋼或復(fù)合材料構(gòu)成，可提高管道的抗拉強(qiáng)度；外包覆層為聚合物，用于保護(hù)管道。

纖維復(fù)合材料在非粘結(jié)性管道中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在柔性立管的抗拉鎧裝層上。圖2為典型的柔性立管。尤其是在深海領(lǐng)域，復(fù)合材料的質(zhì)輕高強(qiáng)特性可以使柔性管道的密度比鋼帶纏繞的非粘結(jié)性管道降低約25%。纖維復(fù)合材料在立管抗拉鎧裝層的應(yīng)用有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：(1) 比強(qiáng)度和比模量高；(2) 優(yōu)異的單向剛度和模量；(3) 優(yōu)異的抗疲勞性，且無(wú)缺口敏感性；(4) 優(yōu)異的抗蠕變性能；(5) 優(yōu)異的抗沖擊性和韌性(根據(jù)增強(qiáng)纖維和基體的不同有所不同)；(6) 對(duì)于大多數(shù)油田介質(zhì)和海水均具有優(yōu)異的耐腐蝕性。

圖2 典型的柔性立管Fig.2 Typical flexible riser

用于非粘結(jié)性立管抗拉鎧裝層的增強(qiáng)體可以是玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)經(jīng)濟(jì)性更好，但碳纖維具有比玻璃纖維具有更高的強(qiáng)度，在其他一些特性方面也有優(yōu)勢(shì)。抗拉鎧裝層復(fù)合材料的基體主要包括環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂和熱塑性聚合物。

復(fù)合材料作為抗拉鎧裝層的復(fù)合管道(RTP)的發(fā)展較晚。自20世紀(jì)90年代在歐洲開(kāi)發(fā)出芳綸增強(qiáng)熱塑管以來(lái)，RTP管因其優(yōu)良的性能受到了油氣輸送行業(yè)的普遍關(guān)注。目前國(guó)外應(yīng)用較為廣泛的是芳綸增強(qiáng)RTP管，其工作壓強(qiáng)為9～14 MPa，短期爆破壓強(qiáng)可達(dá)40 MPa。當(dāng)前國(guó)際上RTP管的生產(chǎn)商主要有奧地利Pipeline，美國(guó)Halliburton、Wellstream，法國(guó)的Tubes d’ Aquitaine、Technip-Colfexip and Cosmplast和Harwal[3-5]。

法國(guó)的Technip為巴西的2 140 m深海氣田提供輸氣管道[6]。該輸氣管道分為2部分：上段為碳纖維復(fù)合材料鎧裝的柔性立管，其結(jié)構(gòu)如圖3所示；下段為金屬鎧裝的柔性立管。

圖3 碳纖維復(fù)合材料鎧裝的上段柔性立管Fig.3 Top flexible riser armoured with carbon fiber composites

Technip根據(jù)立管的設(shè)計(jì)參數(shù)(設(shè)計(jì)溫度90 ℃，設(shè)計(jì)壓強(qiáng)34.5 MPa，操作壓強(qiáng)25.2 MPa，酸性環(huán)境，設(shè)計(jì)壽命30年)對(duì)碳纖維復(fù)合材料鎧裝的立管進(jìn)行了原型拉伸疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明其疲勞壽命達(dá)1.8×106次。該柔性立管成為巴西、墨西哥海域和西非海域復(fù)合材料鎧裝柔性立管應(yīng)用的典型代表。

1.2 管道修復(fù)和修補(bǔ)

海底管道被譽(yù)為海上油氣田開(kāi)發(fā)的生命線，是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)最有效和最安全的運(yùn)輸手段[7]。但是由于管道服役環(huán)境惡劣，管道本身可能具有缺陷，加之長(zhǎng)期不間斷的服役過(guò)程以及許多不確定因素的存在，管道的腐蝕、缺陷和損傷不可避免[8]。這些缺陷的存在嚴(yán)重威脅著管道的安全運(yùn)行，如不能及時(shí)處理和修復(fù)，便可能造成重大的損失和事故。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的一種。用粘結(jié)樹(shù)脂將纖維包覆在管道外形成補(bǔ)強(qiáng)層，分擔(dān)管道承受的載荷，降低管壁的應(yīng)力應(yīng)變，從而恢復(fù)或提高管道的承壓能力，是目前最有應(yīng)用前景的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)[9]。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)系統(tǒng)由纖維布、粘浸膠、底漆和專用修補(bǔ)劑四個(gè)部分組成，如圖4所示[10-11]。纖維復(fù)合材料修復(fù)系統(tǒng)在進(jìn)行缺陷修復(fù)時(shí)，首先利用填平樹(shù)脂對(duì)缺陷進(jìn)行填平處理，然后在管道外纏繞碳纖維與環(huán)氧粘結(jié)劑所組成的碳纖維復(fù)合材料，在管道外形成復(fù)合材料修補(bǔ)層。填平樹(shù)脂固化后具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料固化后具有極高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。它將通過(guò)填平樹(shù)脂限制缺陷處的徑向膨脹變形，降低缺陷處的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變，并且限制管道缺陷處的應(yīng)力集中，從而達(dá)到對(duì)管道的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，恢復(fù)管道的正常承壓能力，降低了管道的風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)合材料的修復(fù)厚度最小在5 mm以上，在條件允許的情況下最好在10 mm左右。修復(fù)后的管線使用年限約25年，大于鋼材在海水中的使用年限，且修復(fù)時(shí)間僅需3～4 d，在不停產(chǎn)的情況下就可完成，不會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成大的影響。

圖4 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)Fig.4 Carbon fiber composite rehabilitation system

圖5 碳纖維復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)前后對(duì)比Fig.5 Photos of steel pipe before and after rehabilitation by carbon fiber composites

圖5是采用PerpeWrap復(fù)合材料系統(tǒng)對(duì)渤西終端海管登陸段埋地管道的高位管道段進(jìn)行修復(fù)前后的對(duì)比圖。修復(fù)前如圖5(a)所示，管道外防腐層脫落，管道表面覆有疏松銹質(zhì)。經(jīng)打磨處理后，腐蝕段與完好段出現(xiàn)明顯分界臺(tái)，腐蝕區(qū)域銹蝕凹坑密集。修復(fù)后如圖5(b)所示，檢測(cè)可知管道爆破壓力下限超過(guò)無(wú)缺陷管道的爆破壓力。由于碳纖維復(fù)合材料在設(shè)計(jì)上有很大的安全裕度，所以，實(shí)際爆破壓力可能更高。該管道按照該方案進(jìn)行修復(fù)后，在最大允許操作壓力下可以安全運(yùn)行。

復(fù)合材料修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

(1) 不需焊接，減少了使用明火的可能性，從而極大地降低了修復(fù)缺陷管道的危險(xiǎn)性,可以完全避免因焊接帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 可以在很短的時(shí)間內(nèi)修復(fù)缺陷管道,并且不需要停止管道的正常運(yùn)行，把修復(fù)時(shí)間縮短到1～2 h，比焊接修復(fù)等方式都更加簡(jiǎn)易方便，同時(shí)也避免了停止管道正常運(yùn)行所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

(3) 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)壽命很長(zhǎng)，能夠達(dá)到50年之久。這樣就極大地延長(zhǎng)了管道的使用年限，節(jié)約了投資和維護(hù)管道的花費(fèi)。

(4) 復(fù)合材料具有其他材料不可比擬的高模量、高強(qiáng)度和高延伸率。

(5) 復(fù)合材料的耐腐蝕性能和耐蠕變性能極其優(yōu)異。

(6) 無(wú)論是腐蝕缺陷、機(jī)械損傷還是管材材質(zhì)缺陷等,該項(xiàng)修復(fù)方法都適用。

(7) 剪裁方便靈活，可以搭接組合使用。

(8) 可以達(dá)到永久性修復(fù)，且安全性能高、成本較低、適用范圍寬。

2 抽油桿及其配套系統(tǒng)

有桿泵抽油是目前常用的機(jī)械采油技術(shù)。抽油桿是有桿泵抽油的主要部件之一。目前，絕大多數(shù)抽油桿是鋼制件，笨重、磨損和腐蝕使其應(yīng)用受到一定限制，取而代之的是CFRP抽油桿。

早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)就已開(kāi)始研制CFRP柔韌性抽油桿[12]。圖6為FPI公司生產(chǎn)的高強(qiáng)纖維抽油管道。這種新型抽油桿為柔韌性的帶狀，橫截面為矩形，一根無(wú)接頭的抽油管長(zhǎng)度可達(dá)3 000 m以上，以不飽和樹(shù)脂為基體、碳纖維為增強(qiáng)纖維，高溫交聯(lián)固化，通過(guò)拉擠成型工藝生產(chǎn)。

圖6 高強(qiáng)纖維抽油管Fig.6 High strength fiber reinforced oil pumping pipe

柔韌性CFRP抽油桿的特點(diǎn)是：

(1) 質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比模量高，可降低載荷和減速器的扭矩，1 000 m CFRP抽油桿的質(zhì)量?jī)H為200 kg，減質(zhì)量節(jié)能效果顯著，且適合深井采油。

(2) 柔韌性優(yōu)異，最小曲率半徑為300 mm，適合盤繞和運(yùn)輸，且操作方便。

(3) 截面積小，僅為鋼制抽油桿的1/5，因而在使用過(guò)程的上、下行程中阻力顯著減少，且摩擦力較小，降低了管桿的磨損，使用壽命長(zhǎng)。

(4) 耐疲勞，在固定應(yīng)變模式下，經(jīng)過(guò)107次拉伸載荷循環(huán)后，剩余強(qiáng)度可達(dá)90%左右(鋼桿僅為30%～40%)，大大延長(zhǎng)了使用壽命。

CFRP抽油桿已得到實(shí)際應(yīng)用。僅在1991～1995 年，美國(guó)就在33口抽油井中使用了CFRP抽油桿。我國(guó)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制，也已投入實(shí)際應(yīng)用。

3 系泊系統(tǒng)

對(duì)于深海油田，將平臺(tái)錨固到海底用的纜繩和連接油井口到平臺(tái)的管材是重要組成部分。如果用鋼材制造，質(zhì)量重，需用大尺寸的漂浮平臺(tái)，必將增大投資。如用CFRP制造，自身減質(zhì)量效果及減質(zhì)量波及效果十分顯著。國(guó)外開(kāi)發(fā)的碳纖維復(fù)合材料纜繩可卷繞到直徑為4.4 m的芯軸上，運(yùn)輸和作業(yè)非常方便，見(jiàn)圖7。

圖7 復(fù)合材料繩纜Fig.7 Composite cables

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料管材在海上應(yīng)用時(shí)不但需要承受拉伸、壓縮應(yīng)力、高低溫變化以及硫化氫、二氧化碳等介質(zhì)作用和海水的嚴(yán)重侵蝕，還要具有高度可靠的防火安全性。我國(guó)在這方面的研究工作仍然不夠深入，在一定程度上限制了它的使用。

(2) 復(fù)合材料抽油桿及配套系統(tǒng)還存在著很多缺陷，不夠完善，不能滿足開(kāi)采需求。全面推廣應(yīng)用與開(kāi)發(fā)出具有良好性價(jià)比的碳纖維復(fù)合材料抽油桿已經(jīng)成了亟待解決的問(wèn)題。

(3) 碳纖維復(fù)合材料系泊系統(tǒng)在海上應(yīng)用的時(shí)間較短，它的材料組成可靠性及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性都有待驗(yàn)證。特別是它在海上應(yīng)用的安裝與施工技術(shù)的缺乏，限制了相關(guān)材料的使用。

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ApplicationofFiberReinforcedCompositesinOffshoreOilandGasExploration

DAI Zhi-shuang,SONG Ping-na,GAO Zhi-tao,WANG Hong-xuan,GONG Li-li,CHEN Xing

(NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300384,China)

Along with the sharp decrement of oil and gas resources on land and in neritic regions,offshore oil and gas exploration has been developed to the deep water,especially the depth of 1 500～3 000 m.Therefore,the requirements of materials with light weight and high strength which can withstand harsh marine environment are imminent.Fiber reinforced composite is one of the best choices for the exploration of subsea oil fields because of its advantages including light weight,high strength,corrosion resistance,and fatigue resistance.The applications of fiber reinforced composites mainly focus on the tensile armour layer of unbonded flexible riser and the rehabilitation offshore steel pipe.In addition,fiber reinforced composites are widely used in the oil sucker rod and mooring system.The fiber reinforced composites can provide reliable material support for the development of oil and gas field in deep water.

offshore pipeline; fiber reinforced composites; rehabilitation; oil sucker rod

P754；TE973.6

A

2095-7297(2014)03-0249-05

2014-05-15

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-005)

代志雙(1984-)，博士，工程師，主要從事非金屬材料在海洋軟管中的應(yīng)用方面的研究。