非金屬?gòu)?fù)合材料管道綜述

李曉平，李 愚，王茀璽，崔可心，周艷紅

中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 （北京 102249）

非金屬?gòu)?fù)合材料管道綜述

李曉平，李 愚，王茀璽，崔可心，周艷紅

中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 （北京 102249）

介紹了非金屬?gòu)?fù)合管道的分類與生產(chǎn)工藝，總結(jié)出非金屬?gòu)?fù)合材料在管道上應(yīng)用時(shí)的特點(diǎn)和使用條件，指出了非金屬?gòu)?fù)合材料管道在設(shè)計(jì)選型、質(zhì)量監(jiān)管、施工維護(hù)方面的問題，探討了非金屬?gòu)?fù)合材料管道目前所存在的問題及發(fā)展方向。

非金屬?gòu)?fù)合材料；腐蝕；破裂穿孔；介質(zhì)相容

油氣管道發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)就是不斷采用新材料，許多非金屬?gòu)?fù)合材料在石油天然氣領(lǐng)域有了很好的發(fā)展。長(zhǎng)期以來，腐蝕一直困擾著傳統(tǒng)的金屬管道，反觀非金屬?gòu)?fù)合管道，可大大降低腐蝕速率，不僅節(jié)省了防腐上的投資，更延長(zhǎng)了管道的壽命，使其達(dá)到40年甚至50年，這一數(shù)據(jù)往往是金屬管道的幾倍。非金屬?gòu)?fù)合管道的另一優(yōu)勢(shì)還在于其導(dǎo)熱系數(shù)和絕對(duì)粗糙度小，通常只有金屬管道的1%左右，甚至更低。非金屬?gòu)?fù)合管道絕熱性能好、內(nèi)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(qiáng)了管道的輸送能力。此外，輸送油品中的微生物所產(chǎn)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(nèi)壁上，因此使用非金屬?gòu)?fù)合管道可降低管道內(nèi)壁的內(nèi)腐蝕，同時(shí)也可以延長(zhǎng)清管周期。非金屬長(zhǎng)輸管道的主要實(shí)現(xiàn)形式依賴于復(fù)合管材的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外非金屬?gòu)?fù)合管道的研究與應(yīng)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(zhǎng)輸管道的應(yīng)用實(shí)例，非金屬?gòu)?fù)合材料管道還有待發(fā)展。

1 非金屬?gòu)?fù)合管的分類

非金屬?gòu)?fù)合管按其制造材質(zhì)的成型工藝特點(diǎn)可劃分成熱固性增強(qiáng)復(fù)合管和熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管。熱固性塑料復(fù)合材料是以熱固性樹脂為基體，以高強(qiáng)玻璃纖維為增強(qiáng)材料的復(fù)合管道。熱塑性增強(qiáng)復(fù)合管是以熱塑性樹脂為基體，以鋼絲或纖維絲為增強(qiáng)材料的復(fù)合管道。

1.1 熱固性材料復(fù)合管

1.1.1 高壓玻璃管

高壓玻璃鋼管道是由高性能連續(xù)無堿玻璃纖維經(jīng)樹脂浸漬后，以纖維纏繞工藝生產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度高的玻璃纖維、硬化劑和有機(jī)化合物環(huán)氧樹脂構(gòu)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(dá)到200 mm。用于集輸?shù)墓艿拦ぷ鲿r(shí)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(yīng)用于油氣田的集輸、熱洗和摻水管道。選用管道時(shí)需根據(jù)輸送介質(zhì)的不同選擇不同的溫度。一般情況下用于油的輸送時(shí)，酸酐固化玻璃鋼管溫度的上限達(dá)到80℃，如果長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用，溫度應(yīng)設(shè)置不超過65℃；胺固化玻璃鋼管溫度的上限更高一些，可以達(dá)到93℃，如果介質(zhì)顯堿性，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用不應(yīng)超過65℃。

玻璃鋼管的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕能力強(qiáng)，具有良好的韌性和極高的強(qiáng)度，其比強(qiáng)度是合金鋼的2~3倍[1]，但其材質(zhì)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(huán)境溫度達(dá)到6℃以上才能連接。

1.1.2 塑料合金復(fù)合管

塑料合金復(fù)合管里面為塑料合金材料，外面包裹連續(xù)纖維增加管道強(qiáng)度。由外到內(nèi)分別為保護(hù)層、增強(qiáng)層和功能層。輸送介質(zhì)溫度范圍為-30~110℃，壓力等級(jí)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(dú)特的優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)充分利用起來，具有不易被腐蝕、水力特性好、壽命長(zhǎng)、重量輕、耐熱范圍廣和連接密封可靠等優(yōu)良特性。但其缺點(diǎn)在于塑料合金復(fù)合管的結(jié)頭需要用鋼制的，制作上需要更精細(xì)的加工，增加成本費(fèi)用，另外其耐溫性能也有待進(jìn)一步提高。

1.2 熱塑性塑料復(fù)合管

1.2.1 鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管

鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管使用鋼制骨架增加其強(qiáng)度，以熱塑性塑料（中密度或高密度聚乙烯）為中間連續(xù)的基質(zhì)，通過管壁中間的鋼骨架孔將管壁內(nèi)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(xiàn)象而導(dǎo)致的分離問題，同時(shí)也可提高管材的抗腐蝕性能。

鋼骨架塑料復(fù)合管內(nèi)、外壁的熱塑性材料具有：①腐蝕性很小，不會(huì)脫落；②管道內(nèi)壁粗糙度小，摩阻系數(shù)??；③保溫性好，傳熱系數(shù)低；④柔韌性良好等優(yōu)點(diǎn)。而其缺點(diǎn)就在于適用溫度范圍較窄，介質(zhì)輸送溫度要求在-20~80℃之間；其次，其壓力極限較低，系統(tǒng)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(yè)人員進(jìn)行施工、維修和保護(hù)；且如果在惡劣條件下管道發(fā)生凍結(jié)，無法用熱力方法進(jìn)行解堵[2]。

1.2.2 增強(qiáng)熱塑性塑料連續(xù)管

增強(qiáng)熱塑性塑料連續(xù)管也稱為連續(xù)管、RTP管?，F(xiàn)今使用的RTP管基本上采用3層結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(qiáng)度的增強(qiáng)層，最外層是具有密封和防護(hù)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(qiáng)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(zhèn)輸水管網(wǎng)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(xù)的軟管，可將管道卷起且方便運(yùn)輸，對(duì)敷設(shè)的條件要求低。

增強(qiáng)熱塑性塑料連續(xù)管管道的連續(xù)性很好，其單根連續(xù)長(zhǎng)度可達(dá)1 km以上。此外還具有可進(jìn)行電加熱、檢測(cè)方式更加簡(jiǎn)便容易等優(yōu)點(diǎn)。而其缺點(diǎn)在于生產(chǎn)規(guī)格小，最大設(shè)計(jì)規(guī)格的內(nèi)徑只能達(dá)到65 mm；而且管道保溫工作需要到現(xiàn)場(chǎng)操作，若管內(nèi)介質(zhì)溫度變化較大，操作不便。

1.2.3 柔性復(fù)合管

柔性復(fù)合管包括柔性復(fù)合高壓輸送管、連續(xù)增強(qiáng)塑料復(fù)合管和塑鋼復(fù)合耐高壓油田專用管。這3種管道均為連續(xù)軟管，柔性好、壽命長(zhǎng)，設(shè)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?shù)确矫妗?/p>

柔性復(fù)合管是一種新材料新工藝創(chuàng)新產(chǎn)品，具有強(qiáng)度高、耐高壓、不易腐蝕、表面光滑，摩阻系數(shù)小、傳熱系數(shù)低、柔韌性好、使用時(shí)間長(zhǎng)、絕熱性能好、不用防腐處理和增加保溫層、操作方便、便于運(yùn)輸、抗低溫沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。工作壓力范圍為0~32 MPa，內(nèi)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(fù)合增強(qiáng)鋼管

復(fù)合增強(qiáng)鋼管是C-FER、Transcanada等管道公司和管道協(xié)會(huì)（PRCI）等團(tuán)體正在研究的一種創(chuàng)新型管道。復(fù)合增強(qiáng)鋼管綜合了鋼材的強(qiáng)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(yīng)力，利用玻璃纖維增強(qiáng)鋼管的承壓能力。管道規(guī)格沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到提高性能節(jié)約成本的目的，實(shí)際應(yīng)用中復(fù)合增強(qiáng)鋼管在X100級(jí)以上高壓力輸氣管道中的優(yōu)勢(shì)明顯，可以用來代替高強(qiáng)度鋼材，對(duì)未來油氣管道的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，目前實(shí)際應(yīng)用中其壓力上限為15 MPa。

2 非金屬?gòu)?fù)合管的特點(diǎn)

2.1 耐腐蝕性能好、防污抗蛀

內(nèi)層用樹脂作為涂層決定了在輸送介質(zhì)時(shí)的抗腐蝕性能強(qiáng)，而外防腐的防護(hù)，只需對(duì)外防腐層應(yīng)用不同的樹脂，便可針對(duì)不同的外防腐進(jìn)行相應(yīng)防護(hù)。

而且非金屬材質(zhì)管道表面摩阻小，不易產(chǎn)生蠟沉積、不易結(jié)垢，輸送聚合物的母液時(shí)，不會(huì)對(duì)聚合物進(jìn)行降解。

2.2 表面光滑、水力學(xué)性能優(yōu)良

由于非金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)表面相對(duì)光滑、水利摩阻小，在輸送過程中，輸送能力不會(huì)隨使用時(shí)間的增加而降低很多。

2.3 重量輕、安裝運(yùn)輸方便

玻璃鋼管道的相對(duì)密度為1.9左右，只有鋼管和鑄鐵管的25%，口徑大小一樣、長(zhǎng)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(yùn)送時(shí)可將玻璃鋼管道進(jìn)行套裝，節(jié)省了運(yùn)費(fèi)、人工等費(fèi)用。

2.4 比強(qiáng)度高、力學(xué)性能合理、耐沖擊

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

2.5 接頭少、連接方式靈活、維修方便

纏繞玻璃鋼管道每個(gè)管子長(zhǎng)度最大可達(dá)12 m。長(zhǎng)距離管線安裝時(shí)接頭數(shù)量降低，使流動(dòng)時(shí)水的阻力降低，施工費(fèi)用減少，同時(shí)也會(huì)不易發(fā)生滲漏。由于管道重量輕，在維修操作時(shí)更加方便便捷，只需小型設(shè)備即可。

2.6 保溫性能好

復(fù)合管的導(dǎo)熱系數(shù)較低,約為金屬材料的1/100～1/1 000，鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管的熱導(dǎo)率僅為0.43 W/(m·K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼管[3]。

2.7 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

非金屬管材可以針對(duì)不同的使用條件，而相應(yīng)采用不一樣的材料和加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guó)WEICON公司研究發(fā)現(xiàn)，與碳鋼管道相比，RTP管道可省下材料和加工的費(fèi)用超過25%。TransCanada公司研究發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)選型問題

1）非金屬管道當(dāng)前尚沒有建立完備的工程設(shè)計(jì)的方式和標(biāo)準(zhǔn)。方案設(shè)計(jì)選型無依據(jù)，參與設(shè)計(jì)的人員對(duì)非金屬管道認(rèn)識(shí)程度不高[4]。

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

3.2 質(zhì)量管理問題

1）質(zhì)量參差不齊、價(jià)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(gè)原材料的材質(zhì)將很大程度影響到管材的質(zhì)量。由于制造加工、原材料等的不一樣，實(shí)際應(yīng)用中，若超出規(guī)定壓力、溫度范圍，短期運(yùn)行中，不會(huì)看到對(duì)管段質(zhì)量性能的影響，長(zhǎng)時(shí)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(chǎn)品驗(yàn)收檢測(cè)能力和手段。RTP管道只能在制管時(shí)在線檢測(cè)壁厚，除此之外還沒有其他質(zhì)量檢測(cè)、控制方法。復(fù)合增強(qiáng)鋼管只有鋼管部分的焊接、檢驗(yàn)有相應(yīng)參照的規(guī)范，而主體管纏繞層和補(bǔ)口的質(zhì)量控制、產(chǎn)品性能沒有可參照的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3）缺乏產(chǎn)品驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制。中國(guó)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(chǎn)品檢驗(yàn)資格和能力，很難實(shí)現(xiàn)大量非金屬管材產(chǎn)品驗(yàn)收及檢查的工作。

3.3 施工維護(hù)問題

1）連接問題。由于連接地方材料結(jié)構(gòu)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(shí)將受到一定的溫度和壓力的影響，可能會(huì)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(fù)合管材料很脆，在外界的沖擊下很容易損壞；②現(xiàn)場(chǎng)施工沒有標(biāo)準(zhǔn)，非金屬管道在建設(shè)時(shí)，管溝溝底的凹凸不平會(huì)使管道受力不均勻，凸起地方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中損壞管道；③缺乏探測(cè)手段，因?yàn)闆]有探測(cè)的器具，依靠人工挖掘容易使管道破裂。

3）介質(zhì)相容。由于塑料管網(wǎng)本身存在很強(qiáng)的塑料復(fù)合金物質(zhì)（即PVC結(jié)構(gòu)），其管道中的石油物質(zhì)中含有與其相容的成分，非常容易導(dǎo)致整個(gè)石油在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題[7]。

4）運(yùn)輸問題。對(duì)于玻璃鋼管的運(yùn)輸來說，由于玻璃鋼管材質(zhì)的特殊性，導(dǎo)致其在運(yùn)輸中經(jīng)常容易出現(xiàn)破碎等狀況。

5）敷設(shè)問題。由于非金屬管道的變形受溫度的影響較大，應(yīng)用彈性敷設(shè)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(shí)候會(huì)摻雜進(jìn)去一些雜質(zhì)，在一定條件下雜質(zhì)可以形成正負(fù)自由的離子[8]。針對(duì)于地面上軟管，現(xiàn)行使用的方案是在非金屬內(nèi)嵌入金屬絲，增加導(dǎo)靜電的線路，但是這一方法在科學(xué)上沒有驗(yàn)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(dǎo)電的材料，如碳粉，不銹鋼纖維，抗靜電高分子等，使其導(dǎo)電率提高。

7）施工問題。非金屬管道中施工質(zhì)量是非金屬管道能否順利應(yīng)用的主要因素之一，施工質(zhì)量常常會(huì)到受施工隊(duì)伍、施工條件等影響而無法順利在規(guī)定期限完成，這是造成部分非金屬管道事故發(fā)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(yè)的維修體系，技術(shù)的需求更高，不僅對(duì)維修工具和材料要求高，而且需要技術(shù)更加精湛專業(yè)的維修人員。

4 結(jié)束語

盡管許多非金屬?gòu)?fù)合管還存在不少問題，特別是在維護(hù)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(yùn)行階段非金屬?gòu)?fù)合管可以在防腐及提高輸送能力等方面大幅度節(jié)省投資費(fèi)用。此外，金屬管道在制造過程中消耗的能源多，并且可能會(huì)污染環(huán)境，而非金屬管道則沒有這樣的缺點(diǎn)，因此已經(jīng)有許多國(guó)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(yōu)勢(shì)，在油氣田地面集輸、海洋油氣管輸?shù)裙艿澜ㄔO(shè)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(chǎn)等方面起到了關(guān)鍵的作用；在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用前景越來越廣闊。

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攝影/施兆國(guó)

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(guó)家科技重大專項(xiàng)臨興-神府地區(qū)煤系地層煤層氣、致密氣、頁(yè)巖氣合采示范工程子課題(編號(hào)：2016ZX05066005-001)。

李曉平(1969-)，男，副教授，主要從事油氣長(zhǎng)距離管道輸送、多相管流和油氣田集輸?shù)燃夹g(shù)方面的教學(xué)與科研工作。

路 萍

2017-04-28