纖維纏繞增強柔性復合管研究現狀與發展趨勢

閆治國，張驍勇，魏 斌，張 兆

(1.西安石油大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室，中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西 西安 710077)

1 概述及應用背景

在鐵路、公路、水運、航空運輸之后，管道運輸作為第五大運輸方式，憑借其經濟、高效、安全可靠等優點迅速發展，是現代社會經濟不可或缺的一部分。與傳統的鐵路等運輸方式相比較，管道運輸在節約土地資源以及環境保護方面具有其獨特的優勢[1]。

管道一般包括金屬管道、非金屬管道和復合管道。對于金屬管道而言，其全部材料都是金屬制成，如傳統鋼管，抗腐蝕能力差、使用壽命短，可能會造成管道輸送介質的泄漏，造成不可挽回的損失[2]。非金屬管道是由非金屬材料制成，如聚烯烴管道，包括聚偏氟乙烯(PVDF)管、高密度聚乙稀(HDPE)管等。相對于金屬管道而言，非金屬管道由于其材料自身特性，質量輕、耐腐蝕性能好、在運輸以及安裝時可盤卷彎曲，因而在石油、天然氣、水資源的輸送中應用廣泛。由于塑料材料耐高溫與耐壓能力差的特性，因而非金屬管道很少應用于耐熱、耐壓等環境[3]。在很多應用領域中，往往需要能夠承受較大壓力以及負載的管道系統，如石油、天然氣的輸送等。一般而言，在運輸高溫高壓液體時選用可以承受較大負載的金屬管道，但是金屬管道極易腐蝕的問題容易造成很大的經濟損失以及安全事故，并且金屬管是剛性管道，在運輸安裝時不可盤卷，施工難度較大，鋪設費用也較高[4]。

近年來，伴隨著管道行業的高速發展，在使用過程中對于管道的要求也越來越高，尤其是既耐高壓又耐腐蝕的管道[5]。復合管道一般是由兩種或兩種以上的化學物質組合而成，通過合理的選擇材料以及增強方法，解決了金屬管腐蝕與塑料管耐壓差的問題，性能更加優異，因而在油氣輸送等方面獲得了廣泛的應用[6]。

以高性能纖維作為增強層的復合管道開辟了另一種復合管道的可能性[7]，纖維增強層一般采用玻璃纖維、碳纖維和滌綸纖維等，這種新型管道通常被稱為纖維纏繞增強柔性復合管(FRTP)。FRTP的應用，解決了金屬管腐蝕以及塑料管承壓低的問題[8]。FRTP不僅保留了非金屬管高的柔韌性、耐腐蝕的特點，同時又保持了金屬管道高的耐壓性能。整管可進行盤卷運輸，現場鋪設方便、快速，所以FRTP成為了近年來管道研究的一個熱門課題[9]。

與目前所使用的常規管道相對比，FRTP在性能以及價格方面具有很大的優勢，其市場應用非常廣泛[10]。其中，高壓小口徑FRTP在油田中應用比較廣泛。低壓大口徑FRTP則主要用于城市供水、供氣等[11]。

FRTP一般包括3層結構[12](如圖1所示)，內層為聚合物內襯層，如高密度聚乙烯(PE-HD)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，在使用時根據要求選擇合理的材料作為內襯層，以達到耐腐蝕的作用；中間層為增強層，增強層的種類比較多，常用的包括玻璃纖維、滌綸纖維、碳纖維帶等，主要提高管道的抗內壓能力。增強層是由偶數個纖維帶通過正反螺旋纏繞而組成的，其纏繞方向與管道軸向之間的夾角約為 ±54.7°。纖維與基體之間可以是浸漬或者是非浸漬的，目前鋪設的幾乎都是浸漬的，即為粘結型結構形式；外層一般是由聚乙烯作為外保護層，主要作用是保護增強層，具有防止磨損和抗紫外線等作用。

圖1 纖維纏繞增強柔性復合管

2 FRTP失效形式及原因

2.1 壓力

在FRTP中，纖維增強層起著主要的受力作用。由于增強層纖維具有較高的剛性，其斷裂伸長率很低，因而，可將增強層近似看成剛性體[13]，當其形變量超過斷裂伸長率時即失效；由于外保護層PE-HD主要起保護管道受到外部腐蝕以及抗紫外線的作用，因而內壓對其影響可以忽略不計；而內襯層的PE-HD是直接接觸輸送介質的，因而其直接承受管道內部壓力，但是增強層由于其低的斷裂伸長率，對內襯層具有限制作用，使得內襯層的形變量不大于增強層斷裂伸長率，在其材料彈性形變范圍內，輸送介質對內襯層的內壓力相當于內襯層PE-HD拉伸時應變所對應的應力，其值比較小(小于PE-HD的設計應力)。此外，對于內襯層而言，管道內介質對其的壓應力遠遠小于PE-HD的壓縮強度，這意味著內襯層PE-HD在使用過程中不會產生壓縮形變[14]。即如果纖維斷裂時所承受的力大于實際應用中纖維所承受的力，那么FRTP就能在此載荷下安全有效的長期運行。因而，當其工作壓力超過纖維帶的斷裂力時，FRTP的纖維層就會斷裂，導致其整體失效。由于纖維的排布狀態，決定著其性能[15]，因而在增強層纏繞時要注意均勻分布，把控好纏繞角度，一般以其纏繞方向與管道軸向之間的夾角大約±54.7°進行正反螺旋纏繞，纖維排布狀態、纏繞角度這些因素同樣會使得增強層承壓性能下降。

2.2 輸送介質

在FRTP使用過程中, 管道內壁會受到不同的油氣耦合介質的化學侵蝕。在輸送石油和天然氣的過程中，尤其是H2S、CO2等酸性氣體可能會引起內襯層聚烯烴管溶脹、鼓泡等現象。在內襯層的破壞過程中水和氧氣也起著決定性的要素，一方面，氧氣一般會引起熱氧化降解，決定著內襯層塑料的破壞機理；另一方面，具有較高溫度的水會使得內襯層中抗氧劑加速溶解和擴散。這些綜合因素會降低塑料管的密閉性以及屈服強度等，最終使得FRTP服役性能下降[16]。

在管道輸送流體介質的過程中，流體介質會與管道內襯層產生磨損，導致內襯層材料流失，使得內襯層性能下降，從而導致管道破損發生泄漏。此外，滲透作用同樣會造成管材的失效，輸送氣體時，小分子物質會在內壓的作用下穿過內襯層從而滲透到增強層以及外保護層，隨著滲透氣體的增多，一旦管道輸送內壓降低時，增強層中存在的氣體可能會將內襯層擠扁，使得內襯層塌陷，從而使得管材失效。

2.3 壽命極限

光氧化、慢速裂紋增長和環境應力是長期影響管材的幾大因素，會導致管材失效。聚烯烴在陽光照射下會發生氧化，導致其熱氧化降解，從而造成管材失效。盡管大部分FRTP是埋地使用的，但隨著時間的延長，各種因素對其會產生一定的影響。FRTP在輸送介質時一般會受到長時間、小負荷的作用力，在這種長時間低應力作用下，管道會發生脆性緩慢開裂，隨著裂紋的擴展， FRTP會發生脆性破壞，最終會導致輸送介質的泄漏。在輸送介質的過程中，會伴隨著壓力波動的情況。在壓力波動時，FRTP會發生輕微變形-恢復-再變形的情況，這種情況會使得纖維帶層與層、纖維帶與內襯層和外保護層之間產生摩擦，導致纖維分布不均勻，受力不均勻，降低管道的承壓能力，同時在摩擦過程中可能會導致纖維的斷裂，從而導致FRTP失效。

3 FRTP的研究現狀

3.1 制造工藝

FRTP一般是以高密度聚乙烯為內襯層，增強層采用纖維帶，經過獨特的工藝處理，從而形成的一種耐壓耐腐蝕的新型復合管道。目前FRTP生產工藝主要包括一步法與二步法：一步法與二步法的主要區別在于增強層的編織方式上，一步法是將高強度纖維通過纏繞機正反纏繞在內襯層管體上形成增強層，再擠出包覆外層；二步法是先將高強度纖維制成纖維帶，再通過纏繞機將纖維帶正反纏繞在內襯層管體上，最后包覆外層。一步法與二步法的第二步相同，其一般生產工藝流程如圖2所示。

圖2 FRTP生產工藝流程圖

3.2 應用現狀

FRTP是一種新型的耐壓耐腐蝕的柔性復合管道，其發展較晚，20世紀90年代芳綸纏繞增強柔性復合管在歐洲開始被投入使用。目前主要在工業領域，尤其是油氣運輸領域應用廣泛[17]。由于FRTP外保護層可以防止磨損和抗紫外線，因而可直接鋪設在沙漠地區，同時，由于其耐腐蝕和耐高壓的優點，也在其他領域迅速推廣[18]。FRTP可制成小口徑中高壓或者大中口徑低壓管道，廣泛應用于油田、市政等領域。近些年，國產小直徑FRTP在大慶、長慶、塔里木等油田開始大范圍使用，主要用于輸水管線、注醇管線以及油氣的集輸管線。國外目前應用較為廣泛的是芳綸纖維增強柔性復合管。

耐高壓且柔韌性好，易于盤卷、便于鋪設和運輸是FRTP最顯著的優點[19]，目前FRTP主要在以下3個領域廣泛應用[20]：

1)陸上油氣輸送

FRTP由于其安全高效、柔韌性好、可盤卷、便于在陸地上鋪設等優點，因而在陸上油氣輸送過程中廣泛應用。同時其外保護層起到防止磨損以及抗紫外線作用，使其在沙漠等嚴酷環境能夠更好的使用。

2)海上油氣輸送

由于其優異的性能，近年來，FRTP管在海洋油氣輸送方面也開始了大量的應用，目前主要應用于油氣輸送管道以及注水管[21]。

3)對受損鋼管進行修復

由于FRTP具有高的抗腐蝕性、良好的柔韌性，因此可以用其對受損的鋼管進行修復，延長鋼管的使用壽命。

4 發展趨勢

FRTP自第一次在歐洲使用以來，已將近30年的歷史，但其發展得比較緩慢，高端新技術一般對外封鎖且處在嚴格保密下，因而，我國發展 FRTP不可能依靠全套引進設計制造等技術，只能在參考國外技術成果的同時，根據國內已有技術對其進行優化，更多的依靠自主研發，不斷推進我國FRTP的發展[22]。在后續FRTP的研發過程中，可能需要對材料選擇、連接技術、壽命預測等方面進行更深層次的研究[23]。

王慶昭等[24]在傳統聚乙烯作為內襯層的基礎上，將內襯層材料改為柔性超高分子量聚乙烯，增強層采用正反纏繞的玻璃纖維帶、外保護層為聚乙烯，由此開發了柔性超高分子量聚乙烯復合管，其內襯層性能優異、密封性能好、不開裂，增強層不易剝離，整管柔韌性好、可盤卷、成本低、耐壓耐腐蝕性優異。因而在未來的研究過程中需要選用合理的材料進行復合，做到低成本、高性能。

在管道服役過程中，連接技術對管道的安全運輸起著至關重要的作用，管道連接的可靠性與管道安全運輸以及管道腐蝕有很大的關系。目前，管道的連接技術主要包括電熔管件連接與金屬扣壓管件連接這兩大類。較為常用的是金屬扣壓管件連接，該類連接是用機械方法將金屬套-插入管體的金屬插口端-FRTP管端壓緊成密封并且可以承受軸向載荷的接頭，金屬接頭之間再通過法蘭或螺紋進行連接。這種連接方法較為方便快捷，但是一方面金屬接頭鍛造成本較高，另一方面在使用機械方法壓緊時，對FRTP管體與接頭處造成不可避免的變形與應力集中，使得管壁減薄易發生破損。歐美發達國家對FRTP的連接技術比較成熟，但是相關高端技術幾乎都對外封鎖。因而在接下來的研究中在考慮成本與安裝便捷的前提下開發出對FRTP幾乎無損傷并且接頭性能同等或優于FRTP本身的連接方法。

在使用壽命的預測方面，一般使用建立在高分子材料“時溫等效原理”經典理論基礎上的“外推法”(ISO 9080標準)進行聚烯烴管道壽命預測評估，但對于 FRTP 而言，由于其復雜的組合構成，目前尚未有比較成熟的理論及檢測評估方法，需不斷完善FRTP的壽命預測理論，對其進行比較準確的系統性評價分析。

同時在陸地用FRTP的基礎上，積累經驗，進行分析研究，不斷完善海洋FRTP的發展，改進其力學性能。

5 結語

FRTP自問世以來，以其獨特的結構及優異的性能得到了全社會的廣泛關注，近幾年的發展速度較快。同時其失效帶來的問題也越來越嚴重，在復合工藝、高效生產、連接技術和檢測技術方面需要更進一步的研究，對其進行系統性的評價分析以及準確的壽命預測顯得尤為重要。行業部門也應加強更深層次的交流合作，爭取早日將我國FRTP的各項理論及應用技術步入世界前列。