增強熱塑性塑料復合管在油氣領域中的應用分析

摘" 要：增強熱塑性塑料復合管道（Reinforced Thermoplastic Pipes，RTP）作為油氣集輸管線大量應用于油氣田，并作為耐腐蝕、耐高壓的長輸管道在其他領域迅速推廣。該文通過對目前RTP管的管道設計技術、管道施工技術與配套設備、管道檢測/維修技術、管道經濟性分析開展應用分析，得出以下結論，設計施工標準規(guī)定細化程度不足，指導性不強；目前國內的RTP管普遍采用機械壓緊式連接方式，作業(yè)過程中可能會導致接頭/管體連接處產生應力集中，易發(fā)生破裂；內檢測尚無相關的技術手段實現(xiàn)；缺乏使用維護標準；非金屬管在油田應用時，多種因素會導致其破壞失效；對于油氣長輸管道行業(yè)，目前尚無相關非金屬管產品和設計、施工等規(guī)范，也無應用于油氣長輸管道的工程案例，建議加快非金屬管道在長輸管道上的應用研究。

關鍵詞：RTP；非金屬管道；油氣領域；管道設計；應用分析

中圖分類號：TE973" " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0189-04

Abstract： Reinforced Thermoplastic Pipe （RTP） is widely used in oil and gas fields as oil and gas gathering and transportation pipelines， and is rapidly promoted in other fields as corrosion resistant and high-pressure resistant long-distance transportation pipelines. Through application analysis of the current RTP pipe pipeline design technology， pipeline construction technology and supporting equipment， pipeline inspection/maintenance technology， and pipeline economic analysis， this paper draws the following conclusions： The design and construction standards are not sufficiently detailed and guidance is not strong. At present， domestic RTP pipes generally adopt mechanical compression connection method， which may cause stress concentration at the joint/pipe body connection during operation and may cause rupture. There is no relevant technical means to achieve internal testing. Lack of use and maintenance standards. When non-metallic pipes are used in oil fields， many factors can lead to their failure. For the long-distance oil and gas pipeline industry， there are currently no relevant non-metallic pipe products， design， construction and other specifications， and there are no engineering cases applied to long-distance oil and gas pipelines. It is recommended to speed up the application research of non-metallic pipes in long-distance pipelines.

Keywords： RTP; non-metallic pipeline; oil and gas field; pipeline design; application analysis

增強熱塑性塑料復合管道（Reinforced Thermoplastic Pipes，RTP）作為油氣集輸管線大量應用于油氣田[1-2]，并作為耐腐蝕、耐高壓的長輸管道在其他領域迅速推廣。2000年，阿曼石油發(fā)展公司將RTP管應用于輸油管線，管道的設計輸送壓力為6 MPa，在隨后的兩年間，荷蘭、科威特、沙特阿拉伯等國家的一些石油公司也開始了在油氣管網(wǎng)中的應用[3]，到2004年底，德國已經鋪設4.5 km（DN125、PN25、PE100）燃氣管，RTP管現(xiàn)在主要應用在石油和天然氣的開采領域，例如，用在石油和天然氣的集輸管（從油井到集油計量站的管道）和注水管道（從注水泵站到油井的管道）。國外經過數(shù)十年的發(fā)展，在非金屬管道材料技術方面已經發(fā)展成熟，并對應發(fā)布了非金屬管道材料制造、工程設計、工程施工和驗收等相關標準規(guī)范。為應對高壓管道輸送需求，國外石油公司也相應開展了非金屬RTP管材應用到大口徑、高壓力天然氣輸送工作，為此正在對RTP管進行系統(tǒng)試驗，并準備制定相關標準[4-7]。我國生產RTP管的歷史并不長，國內公司生產的RTP非金屬管道在中石油塔里木油田、大慶油田及長慶油田大量使用，但主要并不是用于輸送油氣，其主要用于注醇、輸水和集輸管線，而可應用在高壓力、大口徑的長輸管線以及高壓力、小口徑的海上油氣田的管道，目前尚在理論研制或工廠試驗過程中。

1" 管道設計技術

1.1" RTP管道的設計理論和方法

RTP管是一種高壓塑料復合管道，由3層結構組成（圖1）：內外層是塑料管，中間層為增強材料復合而成的增強帶[8]。外層一般做成白色或黑色，或可根據(jù)業(yè)主的需求選擇對應的顏色，為抵抗露天敷設面臨的紫外線的侵蝕，在生產過程中可根據(jù)需求加入抗紫外線成分，以增強外層材料的抗紫外線能力；中間層的增強材料可選擇聚脂纖維、芳輪纖維、鋼絲等。一般使用溫度為-40～65 ℃，使用壓力小于10 MPa，經過特殊制造采用耐溫塑料最高溫度可達102 ℃，使用壓力最大可達32 MPa。

1.1.1" 內層

內層采用的材料根據(jù)使用溫度選擇不同的原料，在RTP產品中內層主要起到管道框架、內密封、防腐和抗摩擦作用。常見RTP管內管材料見表1。

1.1.2" 增強層

增強層根據(jù)使用壓力的不同選擇聚酯纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或鋼絲，不同的壓力需要設計選擇最經濟的纖維型號，增強層在RTP管中起關鍵作用，所有的壓力均由該層承受。常見RTP管增強纖維繩材料見表2。

1.1.3" 外層

外層采用的材料一般為中密度聚乙烯，在RTP產品中外層主要起到保護作用和焊接增強作用，根據(jù)需要可選白色（地表鋪設防紫外線）或黑色（埋地鋪設）。常見RTP管外管材料見表3。

1.2" RTP管道的設計標準

近年國外對采用RTP管高壓輸送油氣進行了大量試驗研究，并且取得了較大進展，前后發(fā)布了壓力最高到4 MPa的RTP的技術規(guī)范[9-12]。國內外在RTP管道設計相關的標準見表4。

1.3" RTP管道的安全性分析

在設計塑料結構的承受負載時，不僅要考慮長期強度，還要考慮工作溫度、流體、負載和其他可能特殊因素的影響。2003年，德國的AG公司確定安全系數(shù)值（safety value）介于2.0～3.2（表5），符合德國PE管安全系數(shù)值2.0的要求[13-14]。

2" 管道施工技術與配套設備

2.1" 施工技術與裝備

RTP管在鋪設時有專門設計的車輛和配套裝置，鋪設埋地管道主要是犁入鋪設法和管溝切出法（圖2）。在現(xiàn)場施工時進行以下工作步驟：首先，挖管溝，沿著溝渠鋪放管材；接著，焊接管端，管道下入溝，管溝回填；最后，管道進行壓力測試。

2.2" RTP管道施工的連接方式

目前，已經施工的RTP管材主要包含管材和管材間的連接、管端和閥門、三通等其他管材和管件的連接。RTP管端連接的技術主要包括鋼塑轉換接頭連接、機械壓緊方式連接、熱熔-電熔連接3種?，F(xiàn)階段國內施工單位主要采用機械壓緊的連接方式將RTP非金屬管進行連接，該連接程序主要包括將金屬管件的插口端插入RTP非金屬管，并在RTP非金屬管外再套金屬套，最后采用機械方法把金屬套—RTP非金屬管端—管件插口端壓緊成為可以保證密封并承受軸向負載的接頭。

3" RTP管道檢測和維修技術

3.1" 檢測技術

目前，常規(guī)做法是產品在線檢測，主要是利用超聲波檢測和紅外檢測測量產品的厚度和外徑。內檢測尚無相關的技術手段實現(xiàn)。

3.2" 修復技術

如果RTP管道出現(xiàn)破壞后是可以修復的，修復后的RTP管一般不會降低使用壓力?？梢愿鶕?jù)破壞的類型來制定具體的修復方案。當RTP管道出現(xiàn)管壁穿孔形狀的破壞，且孔洞直徑小于5 mm時，可使用斯特勞勃接頭進行修復。RTP管道出現(xiàn)的破壞超出上述描述時，需要針對該段破壞的管段更換相應長度的管子，兩端帶扣壓機頭，待修復的管線各端也將制作扣壓接頭，連接更換管段與待修復管段扣壓接頭的法蘭完成修復工作。

4" RTP管道經濟性分析

前期學者已開展RTP管技術經濟研究，測算了RTP管材現(xiàn)行價格并預測了RTP管今后的價格趨勢，基于RTP管的設計技術、連接技術和施工技術對RTP管概算指標測算進行研究，分析RTP管運營期間的運營費用，最后用上述研究結論，以某干線為工程實例對RTP管的建設投資、運營費用和全壽命期費用現(xiàn)值進行計算分析，進行財務評價和國民經濟評價。工程費用最多可以減少18.2%。根據(jù)國外公司資料顯示， RTP非金屬管道與目前常規(guī)的碳鋼管道比較，可節(jié)約材料和施工成本至少25%以上，具有非常高的經濟性。

5" 結論與建議

1）設計施工標準規(guī)定細化程度不足，指導性不強。設計、施工標準主要為SY/T 6769系列，共包括5部分，分別針對高壓玻璃纖維管線管、鋼骨架聚乙烯塑料復合管、塑料合金防腐蝕復合管、鋼骨架增強塑料復合連續(xù)管、纖維增強熱塑性塑料復合連續(xù)管。其中柔性復合管適用于第5部分。

2）目前國內的RTP管普遍采用機械壓緊式連接方式，作業(yè)過程中可能會導致接頭/管體連接處產生應力集中，易發(fā)生破裂，發(fā)生RTP管接頭與管體的連接處失效的情況。

3）檢測技術缺失。目前常規(guī)做法是產品在線檢測，內檢測尚無相關的技術手段實現(xiàn)。

4）缺乏使用維護標準。非金屬管道相比金屬管道，其抵抗外力能力較差，其使用和維護要有一定的標準進行規(guī)范，但目前國內柔性復合管使用維護的相應標準缺乏（只有玻璃纖維管的使用與維護），影響管道投產后的有效維護水平。

5）非金屬管在油田應用時，由于管道抵抗第三方破壞能力以及外部荷載能力較差，容易在外力作用下破壞。管與管的連接處（包括金屬接頭與非金屬管體連接），至今仍是薄弱環(huán)節(jié)。諸多因素造成非金屬管的失效形式多樣、失效概率較高，制約了非金屬管在耐蝕性等方面優(yōu)勢的發(fā)揮。

6）對于油氣長輸管道行業(yè)，目前尚無相關非金屬管產品和設計、施工等規(guī)范，也無應用于油氣長輸管道的工程案例，建議加快相關技術研究工作。

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