纖維復合材料在海洋油氣開發中的應用

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股份有限公司，天津 300384)

纖維復合材料在海洋油氣開發中的應用

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股份有限公司，天津 300384)

隨著我國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的深海發展，對于能夠承受惡劣海洋環境的輕質高強材料的需求迫在眉睫。纖維復合材料由于其質輕高強、耐腐蝕、抗疲勞等特性而成為開發海底油田的最好選材之一，主要應用于非粘結性海洋立管的抗拉鎧裝層、碳鋼管的修復和補強等方面，同時廣泛應用于抽油桿及配套系統和系泊系統等方面，為深海油氣田的開發提供了可靠的材料支撐。

海洋管道； 纖維復合材料； 修復補強； 抽油桿

0 引 言

深海油氣開采代表了當今世界石油開發的一大趨勢。我國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， 同時與世界先進國家也相比存在較大的差距。加快深海油氣開發已成為我國當前石油戰略發展的重要課題。隨著我國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展，開采海域深度向1 500～3 000 m深水發展。 這就給原有的淺海海域的鉆井平臺及其配套設施帶來了不可回避的技術難題：傳統的鋼質材料不再適用。鋼材的密度過大，一個1 500 m水深的鉆井平臺， 其鋼制系纜的質量就達6 500 t左右， 給鉆井平臺帶來極大的載重負荷， 增加了平臺的建造成本；同時，鋼材在海水中耐腐蝕性差， 造成鉆井平臺的鋼制系纜和管道平均工作壽命僅為2～3年。因此，對于能夠承受惡劣海洋環境的輕質高強材料的需求迫在眉睫。

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料，通過物理或化學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，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料，從而能滿足各種不同的要求[1]。復合材料作為新型功能結構材料，在海洋環境中可表現出優異的性能：(1)質量輕；(2)比強度高，比模量高；(3)耐疲勞強度高；(4)耐腐蝕；(5)熱膨脹系數小。以上這些綜合性能使得復合材料，特別是纖維復合材料，成為開發海底氣油田的最好選材之一，尤其是對深海油氣田的開發將發揮更大作用[2]。本文主要介紹纖維復合材料在海洋管道、抽油桿及其配套系統以及系泊系統中的應用進展。

1 海洋管道

海洋管道作為海洋油氣資源最主要的運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合式柔性管道兩大類。鋼管整個管體的材料都是鋼材，屬于各向同性材料；復合式柔性管道則是由金屬層(鋼材)及聚合物共同組成的復合材料管，屬于各向異性材料。復合材料在海洋管道中的應用主要是承力和修補兩個方面。

1.1 非粘結性柔性管道

非粘結性柔性管道按照應用分為海底靜態管和動態立管。靜態管道是指應用于海底的管線，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。動態柔性管道主要指連接浮式生產設備和海底終端或者連接兩個浮式生產設備的管線。

圖1 典型的海底管道結構圖Fig.1 Typical construction of offshore pipeline

典型的海底管道結構圖如圖1所示。其骨架層由能互鎖的金屬層構成，主要用于抵抗外壓；內襯層由聚合物組成，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合材料構成，可提高管道的抗拉強度；外包覆層為聚合物，用于保護管道。

纖維復合材料在非粘結性管道中的應用主要體現在柔性立管的抗拉鎧裝層上。圖2為典型的柔性立管。尤其是在深海領域，復合材料的質輕高強特性可以使柔性管道的密度比鋼帶纏繞的非粘結性管道降低約25%。纖維復合材料在立管抗拉鎧裝層的應用有如下幾個優勢：(1) 比強度和比模量高；(2) 優異的單向剛度和模量；(3) 優異的抗疲勞性，且無缺口敏感性；(4) 優異的抗蠕變性能；(5) 優異的抗沖擊性和韌性(根據增強纖維和基體的不同有所不同)；(6) 對于大多數油田介質和海水均具有優異的耐腐蝕性。

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

用于非粘結性立管抗拉鎧裝層的增強體可以是玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維。玻璃纖維增強復合材料比碳纖維增強復合材料(CFRP)經濟性更好，但碳纖維具有比玻璃纖維具有更高的強度，在其他一些特性方面也有優勢。抗拉鎧裝層復合材料的基體主要包括環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和熱塑性聚合物。

復合材料作為抗拉鎧裝層的復合管道(RTP)的發展較晚。自20世紀90年代在歐洲開發出芳綸增強熱塑管以來，RTP管因其優良的性能受到了油氣輸送行業的普遍關注。目前國外應用較為廣泛的是芳綸增強RTP管，其工作壓強為9～14 MPa，短期爆破壓強可達40 MPa。當前國際上RTP管的生產商主要有奧地利Pipeline，美國Halliburton、Wellstream，法國的Tubes d’ Aquitaine、Technip-Colfexip and Cosmplast和Harwal[3-5]。

法國的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：上段為碳纖維復合材料鎧裝的柔性立管，其結構如圖3所示；下段為金屬鎧裝的柔性立管。

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

Technip根據立管的設計參數(設計溫度90 ℃，設計壓強34.5 MPa，操作壓強25.2 MPa，酸性環境，設計壽命30年)對碳纖維復合材料鎧裝的立管進行了原型拉伸疲勞試驗，結果表明其疲勞壽命達1.8×106次。該柔性立管成為巴西、墨西哥海域和西非海域復合材料鎧裝柔性立管應用的典型代表。

1.2 管道修復和修補

海底管道被譽為海上油氣田開發的生命線，是海洋油氣資源開發最有效和最安全的運輸手段[7]。但是由于管道服役環境惡劣，管道本身可能具有缺陷，加之長期不間斷的服役過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]。這些缺陷的存在嚴重威脅著管道的安全運行，如不能及時處理和修復，便可能造成重大的損失和事故。

纖維增強復合材料補強技術是復合材料修復技術的一種。用粘結樹脂將纖維包覆在管道外形成補強層，分擔管道承受的載荷，降低管壁的應力應變，從而恢復或提高管道的承壓能力，是目前最有應用前景的修復補強技術[9]。

纖維增強復合材料補強修復系統由纖維布、粘浸膠、底漆和專用修補劑四個部分組成，如圖4所示[10-11]。纖維復合材料修復系統在進行缺陷修復時，首先利用填平樹脂對缺陷進行填平處理，然后在管道外纏繞碳纖維與環氧粘結劑所組成的碳纖維復合材料，在管道外形成復合材料修補層。填平樹脂固化后具有優異的抗壓強度。碳纖維復合材料固化后具有極高的抗拉強度和彈性模量。它將通過填平樹脂限制缺陷處的徑向膨脹變形，降低缺陷處的拉伸應力與應變，并且限制管道缺陷處的應力集中，從而達到對管道的補強修復，恢復管道的正常承壓能力，降低了管道的風險。復合材料的修復厚度最小在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，且修復時間僅需3～4 d，在不停產的情況下就可完成，不會對產量造成大的影響。

圖4 碳纖維復合材料修復補強系統Fig.4 Carbon fiber composite rehabilitation system

圖5 碳纖維復合材料修復補強前后對比Fig.5 Photos of steel pipe before and after rehabilitation by carbon fiber composites

圖5是采用PerpeWrap復合材料系統對渤西終端海管登陸段埋地管道的高位管道段進行修復前后的對比圖。修復前如圖5(a)所示，管道外防腐層脫落，管道表面覆有疏松銹質。經打磨處理后，腐蝕段與完好段出現明顯分界臺，腐蝕區域銹蝕凹坑密集。修復后如圖5(b)所示，檢測可知管道爆破壓力下限超過無缺陷管道的爆破壓力。由于碳纖維復合材料在設計上有很大的安全裕度，所以，實際爆破壓力可能更高。該管道按照該方案進行修復后，在最大允許操作壓力下可以安全運行。

復合材料修復補強系統的特點如下：

(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缺陷管道的危險性,可以完全避免因焊接帶來的風險。

(2) 可以在很短的時間內修復缺陷管道,并且不需要停止管道的正常運行，把修復時間縮短到1～2 h，比焊接修復等方式都更加簡易方便，同時也避免了停止管道正常運行所造成的巨大經濟損失。

(3) 復合材料的設計壽命很長，能夠達到50年之久。這樣就極大地延長了管道的使用年限，節約了投資和維護管道的花費。

(4) 復合材料具有其他材料不可比擬的高模量、高強度和高延伸率。

(5) 復合材料的耐腐蝕性能和耐蠕變性能極其優異。

(6) 無論是腐蝕缺陷、機械損傷還是管材材質缺陷等,該項修復方法都適用。

(7) 剪裁方便靈活，可以搭接組合使用。

(8) 可以達到永久性修復，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

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

早在20世紀90年代，美國就已開始研制CFRP柔韌性抽油桿[12]。圖6為FPI公司生產的高強纖維抽油管道。這種新型抽油桿為柔韌性的帶狀，橫截面為矩形，一根無接頭的抽油管長度可達3 000 m以上，以不飽和樹脂為基體、碳纖維為增強纖維，高溫交聯固化，通過拉擠成型工藝生產。

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

柔韌性CFRP抽油桿的特點是：

(1) 質量輕，比強度和比模量高，可降低載荷和減速器的扭矩，1 000 m CFRP抽油桿的質量僅為200 kg，減質量節能效果顯著，且適合深井采油。

(2) 柔韌性優異，最小曲率半徑為300 mm，適合盤繞和運輸，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。

(4) 耐疲勞，在固定應變模式下，經過107次拉伸載荷循環后，剩余強度可達90%左右(鋼桿僅為30%～40%)，大大延長了使用壽命。

CFRP抽油桿已得到實際應用。僅在1991～1995 年，美國就在33口抽油井中使用了CFRP抽油桿。我國在20世紀90年代開始研制，也已投入實際應用。

3 系泊系統

對于深海油田，將平臺錨固到海底用的纜繩和連接油井口到平臺的管材是重要組成部分。如果用鋼材制造，質量重，需用大尺寸的漂浮平臺，必將增大投資。如用CFRP制造，自身減質量效果及減質量波及效果十分顯著。國外開發的碳纖維復合材料纜繩可卷繞到直徑為4.4 m的芯軸上，運輸和作業非常方便，見圖7。

圖7 復合材料繩纜Fig.7 Composite cables

4 結 語

(1) 纖維增強復合材料管材在海上應用時不但需要承受拉伸、壓縮應力、高低溫變化以及硫化氫、二氧化碳等介質作用和海水的嚴重侵蝕，還要具有高度可靠的防火安全性。我國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) 復合材料抽油桿及配套系統還存在著很多缺陷，不夠完善，不能滿足開采需求。全面推廣應用與開發出具有良好性價比的碳纖維復合材料抽油桿已經成了亟待解決的問題。

(3) 碳纖維復合材料系泊系統在海上應用的時間較短，它的材料組成可靠性及產品結構可靠性都有待驗證。特別是它在海上應用的安裝與施工技術的缺乏，限制了相關材料的使用。

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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

國家科技重大專項(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用方面的研究。