熱塑性塑料管――更輕更靈活的油氣開采方案 zund G3 3XL-2500-honeycomb台中雷射切割雕刻代工－王美玉焦點新聞熱搜

　　用于石油和天然氣開采行業的管道越來越多地采用聚合物復合材料制成，因為它們與金屬管道不同，從來不會腐蝕。John Osborne總結了這一蓬勃發展的市場所孕育的大量商機，闡述了標準是如何開發的，以及當前的研究項目可能會影響這些功能材料不斷增多的應用。

　　復合材料在石油和天然氣開采行業的應用已經有很多年了。保護層或保護管都嘗試過采用復合材料。憑借更高質量的復合材料，同時在可觀的經濟回報的驅使下，一些復合材料管道供應商證明他們可以大大減少由于傳統金屬管道的腐蝕所造成的損失。
　　熱塑性復合材料正引領這一潮流。根據Gale Group集團在2009年發布的信息，熱塑性復合材料的應用“在過去十年中增長迅速，而且種種跡象表明，這種趨勢將會持續下去。熱塑性復合材料的吸引力主要源于它可以取代標準的輕量／高強度金屬，是一種更輕量／更高強度的替代品。
　　另一個驅動力就是巨大的需求。2002年7月，美國Idaho工程與環境實驗室的Patrick Laney在一份報告中評估了復合材料管道在天然氣行業的應用機會。
　　Laney說：“到2015年，將需要大約4.3萬英里(約6.9萬公里)長的管道來滿足不斷擴大的市場。”還有預測說北美市場在2001～2010年，建造了大約5萬英里(約8萬公里)的新傳輸管道，耗資超過800億美元。
　　Lanev繼續說：“管道行業面臨的挑戰是要在滿足日益增長的需求的同時，降低成本。美國能源情報署預測，到2020年，天然氣的平均價格將落在3～4美元的范圍內。為了滿足交貨需求，克服低價，管道行業將不得不提出創新的方法，把天然氣從井口輸送到家庭和商業用戶。”
　　在海上油氣行業也存在著巨大的機遇，特別是在發展中。2012年10月，阿曼管道制造商Composite Pipes Industry宣布進入印度市場，到2013年建立一個5000噸的生產設施，初始投資額為5億盧比。
　　據Composite Pipes Industry公司說，“石油和天然氣行業對復合材料管道的需求增長率在未來五年預計將達到9％～10％[年均復合增長率]。環氧基管道的需求估計為每年21.6萬噸，而印度每年需要4.6噸GRE(玻纖增強環氧樹脂)管道。印度政府的第十二個五年計劃估計，到2015年，管道的需求將達到18000公里，投資額達90億美元。”
　　在西方，許多公司已經開發出石油和天然氣開采用復合材料管道。Airborne集團和Deepflex公司是其中的佼佼者。

　　單一材料的概念

　　總部設在荷蘭的Airborne集團說，大約50％的泄漏問題是由腐蝕引起的。它聲稱自己是家開發出全粘合熱塑性無腐蝕管道的公司。Airborne表示，其產品輕、可纏繞，并具有優越的耐疲勞性。

　　“我們現在是上家也是唯一的一家已成功制造出連續的固體熱塑性復合材料管道的公司，”Airborne集團商務總監Martin van Onna稱。“這與RTP，或增強熱塑性塑料管是不同的。因為RTP往往是不可粘結的，因此，松散的纖維層或纖維帶纏繞在襯里上。RTP不能承受外部壓力，不能用于深水中。”
　　Airborne的管道由熱塑性化合物組成，包括三部分：護套、復合材料和襯里。襯里是由熱塑性材料制成的。玻璃纖維或碳纖維提供強度和剛度。在制造過程中，完全粘結的柔性管是熔體融合而成的；管道包括一個堅固的外壁。
　　“我們主要使用玻璃纖維、E-玻纖和S-玻纖。”van Onna解釋道。“我們也使用碳纖維，但不用芳綸纖維，因為它們的抗壓縮性能不好(因此由芳綸纖維制成的管道不能應對高的外部壓力)。我們使用的是纖維帶，纖維是用塑料樹脂浸潤過的。我們用與襯里材料相同的塑料樹脂浸潤纖維，然后我們將纖維帶纏繞在襯里上，并熔融在上面，然后第二層纖維帶熔融在底層纖維帶上。”

　　van Onna解釋說，對于復合材料，Airborne公司采用聚合物，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚醚酮(PEEK)。他報告說，該公司用PP制成的復合材料管道，采用的是PP襯里，然后再將玻纖／PP纖維帶熔融到PP襯里上，在外層則熔融一層PP護套。Airborne聲稱，該方法制成的管道采用了一種聚合物和一種纖維系統，即堅固又結實。

　　Airborne的制造工藝是保密的。van Onna說，這個過程是復雜的，“復雜性取決于連續管道的制造長度。這種生產技術是經過DNV認證，可以生產出合格產品的。”他補充說，Airborne旨在連續制造出變化小且完全可重復的產品。
　　馬來西亞石油和天然氣公司Petronas，為了減輕厭氧硫酸鹽還原菌(SRB)引發的腐蝕作用，委托Airborne幫助他們的海上碳氫化合物生產用的熱塑性復合材料管道達到質量標準。該項目將生產合格的6英寸內徑(ID)的熱塑性復合材料流體管道(TCF)，小工作壓力范圍在100～375巴之間。
　　項目范圍包括一個客戶指定的資格認證課程，介紹美國石油學會(API)的API 15S和API 17B標準，以及挪威船級社(DNV)的DNV-OS-C501標準的要求，其中包括全面的材料測試、短期和長期的原型測試，以及全規模的海上安裝測試。該項目還包括集成光學纖維狀態監測技術的開發和測試，以及16英寸內徑管道生產技術的升級。
　　Airborne解釋說，利用合格的非金屬TCF，Petronas將“通過降低安裝和運營成本，延長管道的設計壽命，可以降低現場管道的總擁有成本。與鋼管相比，TCF的安裝不需要昂貴的鋪管船；它可以利用鋪設駁船搭載重量較輕的運輸和安裝用卷軸和傳送帶，管道的安裝成本比較低。在運營過程中，不需要注入緩蝕殺菌劑來減輕腐蝕作用”
　　Airbome公司還報道說，管道的頻率檢測可以減少，而通過智能檢查來監控管壁厚度完全是多余的。它指出，或許大的好處將出現在更長的壽命周期內，因為由于腐蝕管道而導致的過早更換或修復將成為過去。

　　長的復合材料地下管道

　　巴西桑托斯盆地的Guara&Lula NE Gasline深水項目面臨的大挑戰是制造一條史上長的復合材料地下管道，試運行在地下2100～2200米之間進行。Airbome說他們達到了2140米的深度，創造了復合材料地下管道的使用深度記錄。
　　2011年4月，石油和天然氣行業的承包商SaiDem獲得一份來自巴西桑托斯盆地Guara&Lula Northeast的氣體輸出管道EPIC(工程、采購、安裝、調試)合同。管道大約離里約熱內盧和圣保羅州海岸線260公里(162英里)，水深2100～2200米處。這兩條海底輸出管道每個直徑為18英寸，長度分別為54公里和22公里，將由Saipem負責安裝。
　　據Airborne介紹，全部的供應范圍包括連續總長為2500米(8200英尺)、內徑3英寸的地下管道。這種3英寸的地下管道可以承受345巴(5000psi)的內部工作壓力和250巴(3626 psi)的外部壓力。

　　無粘接的復合材料管道

　　DeepFlex也提供了一種復合材料管道。
　　“我們的無粘接柔性管已經30年了，”銷售和市場營銷副總裁Duane Moosberg說，“我們引領著API標準附錄的發展。”
　　DeepaFlex介紹說，其柔性管是一種多層的螺旋纏繞金屬帶結構，采用的是擠出的熱塑性塑料。這些多層的無粘結層是：
　　◆襯里，由擠出聚合物制成，能夠流暢地輸送烴類流體且耐化學腐蝕；
　　◆兩層層壓復合材料帶能夠抵抗較高的內部壓力：
　　◆箍層可以防止破碎；
　　◆管壁中間的聚合物膜包圍著一層復合材料帶層壓板，可以為管道提供拉伸強度；
　　◆外套提供了進一步的支撐和保護，使管道免受磨損和外部環境的影響。
　　DeepFlex說，管道的層與層之間沒有粘結，確保了獨立運動，并提供了優異的靈活性。
　　它聲稱，傳統管道的拉伸保護層由高強度鋼質矩形鋼絲纏繞在相反的方向，以保證力矩平衡。DeepFlex的設計采用了碳纖維熱塑性復合材料帶來代替鋼質保護層。
　　“滿足同樣性能需求的管道，重量預計可以減少30％。”DeepFlex說。
　　DeepFlex解釋說，非粘結軟管在海上石油和天然氣行業的應用已經有20年左右。它用作動態立管，連接海底輸油管線和浮式生產設施，對于靜態的海底管線，這比安裝剛性管的成本更低，效果更好。例如在惡劣的環境中，或是需要回收短期使用的管道的情況。DeepFlex說，在動態應用中，擠出聚合物或聚合物耐磨層應用在相鄰的鋼質保護層之間。在壓力非常高的應用中，可能需要在鎖箍強度層上加多一層矩形螺旋增強層，或需要第二套拉伸保護層。
　　一個9.125英寸、207巴的石油輸出柔性立管系統被用于巴西能源公司Petro_bras的Roncador油田P36半潛式平臺的1500米水深處。這個立管系統具有一個活動的懸掛網，懸掛網由兩部分組成。頂部具有較高的拉伸張力和較低的抗破裂能力。底部具有較低的拉伸張力和較高的抗破裂能力。頂部采用復合材料作為拉伸保護層。底部的設計使得環箍強度層可以為管道提供較高的抗破裂功能。這些設計特點可以在滿足設計要求的同時，還能大限度地減輕重量和減小頂部張力。在浮式生產中，安裝船和操作平臺或操作船以及管道本身的頂部，必須能夠支撐管道動態載荷差值的懸掛重量。
　　據DeepFlex介紹，這需要降低管道的重量，減小管壁和懸掛結構的重量。它也希望減小船舶甲板的載荷，以降低浮力要求，或增加有效載荷能力。
　　此外，DeepFlex稱，復合材料保護層具有諸多優點，高度抗疲勞、本質上不會腐蝕、不會發生氫裂解和硫化應力開裂，以及所有可能會降低管道使用壽命的機制。
　　DeepFlex補充說：“在頂部和底部采用不同的結構，以及干燥的環箍強度層的設計，使得成本比傳統設計降低了。”
　　這家美國公司已經與巴西石油公司Petrobras簽訂了合同，針對DeepFlex專利的復合材料柔性纖維增強管件，進行資格測試。
　　這一多階段多年的合同將包括超過5000個單獨的測試。據DeepFlex說，合同的授予表明Petrobras承諾對DeepFlex產品的海上應用進行資格認證。Petrobras和DeepFlex在過去一年里一直緊密合作，制定計劃的具體要求和范圍，這也是DeepFlex能夠贏得合同的原因。該資格測試的程序范圍包括，設計和開發具有20年使用壽命的耐高溫深水管所需的復合材料。

　　油田復合材料的新ISO標準

　　Airborne和DeepFlex對他們產品的應用前景是非常樂觀的，但標準的缺乏阻礙了其更廣泛的使用。
　　Element Hitchin公司資深科學家Morris Roseman博士和首席執行官Rod Martin博士在所撰寫的一篇名為《復合材料：石油和天然氣行業用功能材料》(Composite Materials：An Enabling
Material for the Oil and Gas Industry)的報告中，概括了標準制定的相關工作。(Element Hitchin以前叫做MERL：材料工程研究實驗室，位于英國Hertfordshire郡的Hitchin。2012年7月，Element
Materials Technology收購了MERL，并重新命名了這一機構。)
　　2007年的這份報告討論了要推廣復合材料在石油和天然氣行業中的應用所面臨的一些障礙。其中指出了兩大主要障礙，一個是用于這些具有挑戰性的應用中的復合材料需要新的標準；另一個是在敵對媒體中需要一些關于復合材料的性能信息。復合材料正成為這一行業的一項技術。由于資格標準的缺失，它們將會在應用的基礎上以特定應用為目的被加以使用和認證，并在有關各方同意的基礎上進行測試。
　　Martin和Roseman繼續說到：“挪威船級社的‘DNV-OS-C501復合材料部件標準’在某種程度上解決了測試方法的使用問題。然而，它沒有指明在什么樣的特定條件下測試哪一種特定的應用。因此，ISO的TC67／WG7工作組的部分工作就是為與油田介質相接觸的復合材料撰寫一份標準，作為其正在開發的非金屬材料系列標準ISO23936的一部分。”
　　Airborne的van Onna認為，標準將加快高分子復合材料在石油和天然氣行業的應用，在投標階段將特別有幫助。
　　“發送文件進行資格認證是一個相當復雜的過程，”他說，“目前我們的客戶不能針對新的復合材料技術進行招標。他們往往只能針對常規材料和部件招標。這就是為什么我們近看到了一些石油公司在招標文件中要求對這些新的復合材料技術進行資格認證。”
　　這些標準只有具備可供遵循的程序時才會生效。另一個擔憂是，提交給實驗室用于分析的材料可能與實際使用的不同。
　　這是一個重要的問題，也是Element Hitchin公司名為《與油田介質相接觸的復合材料的認證規范》(Specification for Qualifying composite Materials in Contact with Oil Field Media)的主題。
　　據Element Hitchin介紹：“標準(如AST翻、ISO等)一般是圍繞簡單的矩形平板樣品的測試撰寫的。符合這些標準的樣品一般都是在實驗室制造的，因此與用于制造實際部件的材料幾乎沒有相似性。對于復合材料，材料是與部件同時制造出來的，其性能很大程度上取決于加工參數、纖維方向等。(你不可能買現成的復合材料來制造部件，而金屬則可以)。因此，這一JIP的目的是考慮現有的標準，并通過考慮部件如何實際運行，使用現有標準來起草一份關于油氣行業用的特定復合材料部件的規范；此外還要根據這個撰寫一個資格認證程序。”
　　Element Hitchin還致力于另外兩個項目，這兩個項目將影響到復合材料管道在石油和天然氣工業中的未來應用：
　　◆PIPEAGE―為GRP管道修復材料開發抗老化和抗化學品的數據。目前用于流體傳輸的玻璃鋼管道可能已經有20～30年的使用歷史。但現在還沒有辦法預測管道是如何老化以及何時老化的(可能是災難性的)；
　　◆CQCC―下一代軟管用復合材料的連續質量控制。大量的研究工作正圍繞著復合材料立管的開發進行著。金屬立管的深度由于金屬固有的重量問題已經達到了極限。因為隨著深度的增大，管壁部位需要加厚來承受水下的外部高壓，但這增加了管道的重量，而管道需要支撐自身的重量。復合材料更輕，因此可以到達更深的深度。復合材料管道是采用連續纏繞工藝制成的，但目前還沒有系統可以在管道制造過程中監控和修復管道的缺陷。TsB(技術戰略委員會)資助這一項目的目的是，設計和建立一個檢測模塊，來檢測制造(或手工)的缺陷，然后設計和建立一個可以修復缺陷(用于制造管道的樹脂是熱塑性的)的模塊。
　　這些項目可能會促進復合材料在石油和天然氣開采行業的更多應用。下一個重大挑戰是讓這些材料適應北極的惡劣條件。現在這是一個重大的環境和政治戰場。隨著對能源需求的持續增加，材料面臨的壓力勢必進一步增加。

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