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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用

1.?前言
碳纖維是一種性能優(yōu)異的纖維材料，使用碳纖維作為原材料生產(chǎn)的制品，質(zhì)量輕，耐酸堿等腐蝕性物質(zhì)，阻燃性能好，即使在火中也能保持穩(wěn)定。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，碳纖維復合材料的應用范圍非常廣泛，目前主要涉及汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械、工業(yè)機器等領域。隨著世界工業(yè)化的進行，對于高端材料的需求量也越來越多，有著“黑色黃金”之稱的碳纖維材料首當其沖。
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對于石油和天然氣行業(yè)，常見的石油運輸方式主要為水運與管道運輸。水運雖然價格相對較低，但是周期長，需要在海上長時間的漂泊。管道運輸可以保證源源不斷的輸送，不分白晝與黑夜。傳統(tǒng)的管道運輸使用的材質(zhì)為金屬材質(zhì)，隨著長時間的使用，會發(fā)現(xiàn)金屬管道會被石油腐蝕，外表面則被外界腐蝕，使用的壽命短暫。對于現(xiàn)在石油項目來說，管道的壽命難以符合石油項目的需求。碳纖維復合材料用于石油管道可以避免以上情況，并且碳纖維材料質(zhì)量輕，使用碳纖維制作的管道搭建石油運輸路線降低了施工的難度。石油項目持續(xù)的時間短則幾十年，長則需要百年，碳纖維材料的性質(zhì)使其具備優(yōu)異的耐久性。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用
圖1?CFRTP輸油管道
2.碳纖維復合材料管道的優(yōu)勢
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傳統(tǒng)的石油管道為金屬材質(zhì)，金屬材質(zhì)的管道需要經(jīng)常性的保養(yǎng)，并且在管道表面需要涂層來防止管道被腐蝕。碳纖維熱塑預浸帶通過纏繞工藝制成的石油管道有著質(zhì)量輕、耐腐蝕的特性。較輕的質(zhì)量方便了施工運輸，耐腐蝕的特性節(jié)省了大量的涂層費用以及后期的維護費用。
碳纖維?(CF) 固有的熱機械性能，以及其高比強度和高耐化學性，使其成為需要輕量化、低熱膨脹系數(shù)、導電性和化學惰性等特性行業(yè)的理想選擇。使在環(huán)境惡劣的地區(qū)碳纖維管道依舊可以穩(wěn)定工作，不會因為溫差大而產(chǎn)生形變。在惡劣和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的卓越性能不斷推動著復合材料在許多領域的創(chuàng)新，包括在石油和天然氣領域的應用。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用
碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用
圖2?CFRP輸油管線
3.碳纖維復合材料管道的特點
管道在油氣田資源的開采和儲運過程中發(fā)揮著重要的作用，例如注水、注醇、注汽、污水輸送、油氣集輸、電纜護套等。國內(nèi)的油氣開采領域中，90%的管道系統(tǒng)仍然是金屬材質(zhì)。金屬管道具有耐高溫、耐高壓、抗刮擦等優(yōu)點，但存在笨重、不易彎曲、管壁粗糙、易生銹、易腐蝕等缺點。為了克服金屬管道本身的缺陷，研究人員開發(fā)了非金屬管道，但仍存在強度低、抗刮擦性能差、耐熱性不足等問題?？梢酝瑫r克服金屬管道和塑料管道各自缺點的復合管道應運而生，碳纖維復合材料因其優(yōu)異的力學性能而被應用。碳纖維復合材料管道耐腐蝕、耐高壓、質(zhì)輕、運輸安裝便捷等優(yōu)點明顯，成為當前研究的熱點。例如，美國Fiberspar公司研制的碳纖維復合材料智能管、荷蘭Airborne公司推出的連續(xù)管、Magma Global公司推出的“M管”即碳纖維柔性立管等。在國外，該研究起步較早，現(xiàn)已在陸地和海洋的油氣田領域推廣應用。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖3?CFRTP輸油管線的材料（碳纖維+PEEK）
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CFRTP管線由兩種優(yōu)質(zhì)原料碳纖維和PEEK制成。PEEK（?聚醚醚酮）是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優(yōu)異性能的特種工程塑料。由于其耐熱性、常用于油田化工品。
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單向碳纖維和PEEK膠帶，通過激光熔接，全自動機器人逐層熔接，形成光滑、完全粘結(jié)結(jié)構(gòu)。同時可以修改膠帶的角度，以優(yōu)化柔軟性、硬度和強度。實現(xiàn)相對少量的材料來滿足所需的性能。
耐防腐性
CFRTP管線有著優(yōu)越的抗腐蝕性能。對油氣田常見的硫化氫、二氧化碳、酸堿和水份的侵蝕均具有優(yōu)異的耐服飾性能，遠遠優(yōu)于鋼管或撓性管。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖4?CFRTP管線的耐腐蝕性
柔軟性
CFRTP輸油管具有良好的柔軟性。它有一個最小的彎曲半徑，可纏繞在在標準卷筒上，便于搬運和施工。由于其重量輕，即使較小的船只也可施工。CFRTP管線可以鋪設在海底地層周圍，具有很高的疲勞壽命，因此非常適合動態(tài)應用。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖4?CFRTP具有良好的柔軟性，適合于海底鋪設及動態(tài)應用
施工便利性
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通過選擇高性能材料，可以構(gòu)建一個更小、更輕的結(jié)構(gòu)。這為輕質(zhì)立管設計帶來了重大機遇，從而消除了對大型浮力結(jié)構(gòu)的需求。真正的節(jié)約來自于安裝的優(yōu)勢CFRTP管道重量輕，在水中的重量比鋼管輕十倍，便于運輸和搬運。它從小型船舶的標準卷筒上快速、方便鋪設，其成本僅為大型鋪管船的幾分之一，并可以ROV連接。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用
碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖5?CFRTP管道施工作業(yè)
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適用107m至3000m的水深，壓力額定值高達10000 psi，工作溫度-60°C~200°C。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖6?CFRTP管線連接簡單，大大縮短施工時間
碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖7?CFRTP管線最大長度可達6000m
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在過去的幾年中，碳纖維熱塑性復合管（CFRTP）在行業(yè)認可度方面已經(jīng)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。主要運營商一致認為，復合立管將顯著降低深水系統(tǒng)的成本和安裝時間。TCP提供了在高壓、高腐蝕性環(huán)境中在3000米以下的水深部署柔性管道的可能性。同時在完全滿足相同的高性能的同時，CFRTP管道技術(shù)可以在各種應用中降低成本。特別是，復合材料對于采用基礎設施主導的發(fā)展戰(zhàn)略的運營商來說，在成本和時間方面都具有顯著的優(yōu)勢。那么，運營商在哪里可以利用這種相對較新的管道技術(shù)來發(fā)揮優(yōu)勢呢？
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CFRTP管道是一種簡單、標準的產(chǎn)品，采用按需精益制造工藝，在耐腐蝕性、靈活性、重量和流速方面具有多種優(yōu)勢。在開發(fā)管線時，花了十年的時間來找到合適的材料和制造方法，以生產(chǎn)能夠滿足各種上游碳氫化合物輸送需求的標準化海底管道。在此期間，我們研究了許多不同聚合物在不同熱和化學條件下的行為。PEEK和PVDF是我們唯一可行的選擇，但進一步的調(diào)查表明PVDF在持續(xù)高溫下的化學反應中存在缺點，隨著時間的推移會降低強度。PEEK被認為是最好的選擇，因為它在持續(xù)高溫下不受化學物質(zhì)的影響，這確保了材料的強度隨著時間的推移是穩(wěn)定的，并且還得益于更高的氣體滲透阻力。
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通過對不同纖維類型進行了詳細分析。使用不同的纖維材料和選擇的碳纖維覆蓋玻璃纖維，因為它提供了最佳的耐熱性，從而提高了穩(wěn)定性。盡管碳纖維比玻璃纖維更昂貴，但它具有強度優(yōu)勢，這意味著達到指定管道強度所需的纖維和聚合物更少。這意味著管壁更薄，制造時間更短，最終產(chǎn)品更輕。
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另外一個令人驚喜的是生產(chǎn)過程只需要兩個人操作，每天24小時干凈安靜地運行。在許多方面，高度自動化的過程與最少的人為交互相結(jié)合，更像是一個高科技的汽車工廠，而不是傳統(tǒng)的石油和天然氣管道制造過程。
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖8 CFRTP管線纏繞（FW）生產(chǎn)線
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖9 CFRTP管線的生產(chǎn)及測試現(xiàn)場
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖10?CFRTP管道的重量只是鋼管的1/10
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碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用圖11?鋪設作業(yè)
4.?結(jié)束語
⑴ 節(jié)能降耗是未來油氣田發(fā)展的重要目標之一，要實現(xiàn)該目標，新材料的應用成為必然。碳纖維優(yōu)點很多，但各向異性，如何在新產(chǎn)品研發(fā)過程中最大程度發(fā)揮其優(yōu)越性能并規(guī)避其不足，是設計和研發(fā)人員重點考慮的問題。
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⑵ 碳纖維復合材料現(xiàn)有的成型技術(shù)主要是二維成型，存在抗沖擊性能差、層間強度低、容易分層等缺點，并且結(jié)構(gòu)簡單、可設計性差。可克服現(xiàn)有成型缺陷的成型技術(shù)的開發(fā)已成為復合材料研究的新熱點。新的成型技術(shù)將更好推動碳纖維復合材料的應用。
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⑶ 海洋現(xiàn)已成為資源爭奪的焦點。隨著海洋資源的開發(fā)，對新材料新技術(shù)的需求極具擴大，隨著對碳纖維復合材料研究的不斷深入，碳纖維復合材料的應用領域?qū)粩鄶U展。碳纖維及其復合材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)已進入重大創(chuàng)新期，抓住機遇，挑戰(zhàn)未來。
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另外，碳纖維復合材料管的成型技術(shù)、管材之間的連接、連接的可靠性等對系統(tǒng)的正常運行起著至關(guān)重要的作用，而管道的高效運行不但關(guān)系著企業(yè)自身的發(fā)展，也關(guān)系著國家發(fā)展能源供應的安全。另一方面，海底深處油氣資源的開采也逐漸由淺水區(qū)走向深藍水域，而管道是油氣集輸?shù)闹刂兄兀瑢艿捞岢隽烁叩囊?，這意味著油氣管道建設市場將迎來新的挑戰(zhàn)和機遇，因此，實現(xiàn)國內(nèi)復合材料管技術(shù)的創(chuàng)新和突破，最大限度的推動本土化，對推動我國油氣田資源勘探和開發(fā)意義重大。
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一 END 一

作者：方鯤1，2 ???????劉康1，2 ?????薛忠民3 ????喬治4 ???????

來源1.北京熱塑性復合材料工程技術(shù)研究所?2.北京納盛通新材料科技有限責任公司?3.中材科技股份有限責任公司?4.中化集團塑料公司

 

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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦復合材料網(wǎng)）：碳纖維復合材料（CFRP）在石油天然氣管道領域的應用

作者 li, meiyong

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