中國油氣田增強熱塑性塑料復合管現(xiàn)象.doc

中國油氣田增強熱塑性塑料復合管現(xiàn)象丁楠 戚東濤 蔡雪華 李厚補 博佳佳（中國石油天然氣集團公司管材研究所，非金屬與復合材料研究中心，陜西西安 710065）摘要 從產(chǎn)品特點、性能檢測及標準體系等方面簡述了中國油氣田使用的增強熱塑性塑料復合管（RTP）的總體情況，分析了RTP管在中國油氣田實際應用中暴露出的不足，并對RTP管的進一步應用提出了建議。關鍵詞 增強熱塑性塑料復合管 防腐蝕 復合材料 Current Situation of Reinforced Thermoplastic Pipe Used in Chinese Oil fields Ding Nan, Qi Dongtao, Cai Xuehua, Li Houbu and Fu JiajiaAbstract This paper introduced the reinforced thermoplastic pipe (RTP)used in Chinese oil and gas field.The property,performance test and standard system of RTP were discussed.Several problems came out during service of RTP were analyzed.And some suggestions about RTP were given.Key words RTP,corrosion resistance,composite 管材在石油工業(yè)里承擔著輸送各種戒指的重要角色，然而單純的鋼管和塑料管都存在著不盡如人意的地方，前者受到腐蝕的困擾而后者的強度和承壓能力不足，在此背景下，復合材料管材成為研究的亮點，增強熱塑料復合管（RTP）就是其中之一。RTP管大多采用三層結(jié)構（如圖1所示），內(nèi)層通常是耐腐蝕、耐磨損的熱塑性塑料管，中間層是起增強作用的增強層，外層是起保護作用的外包覆層；其中增強層多使用增強纖維（如“芳綸纖維”，此外還可使用金屬絲等）通過纏繞、編織而成1。同問世較早的玻璃纖維增強熱固性樹脂管（即玻璃鋼管）相似，增強纖維的使用使得RTP安具有類似鋼管的承壓能力。但重量較鋼管卻大為降低，同時因管體為非金屬材料所以還避免了管體腐蝕的問題，可以由于管材的內(nèi)層和外層使用熱塑性塑料，因此RTP管還具有柔性塑料管的可盤卷性，生產(chǎn)時單根連續(xù)長度可以達到幾百米甚至超過千米而后盤卷儲存，這就給運輸和鋪設提供了極大的便利（如圖2所示）。目前RTP管在國外已成功應用于陸上和海上油氣田2。鑒于RTP管所展示出的巨大潛力，本文將重點介紹國產(chǎn)RTP管及其在中國油氣田的實際應用情況。 1 國產(chǎn)RTP產(chǎn)品現(xiàn)狀我國生產(chǎn)RTP管的歷史并不長，目前國內(nèi)產(chǎn)品尚無統(tǒng)一正式名稱，有的使用“RTP管”的名稱，有的則根據(jù)產(chǎn)品特點自行命名，如“柔性復合高壓輸送管”、“連續(xù)增強塑料復合管”等。國內(nèi)各生產(chǎn)廠家的情況也是各異，有的引進國外成熟的生產(chǎn)技術，有的則是自行設計研制生產(chǎn)工藝；有的采用高性能材料生產(chǎn)高檔產(chǎn)品，有的則采用相對低等的材料走經(jīng)濟型路線；目前國產(chǎn)的RTP管已在陸上油氣田，如大慶油田、長慶油田、塔里木油田等使用或試用，主要用于輸水管線、注醇管線，以及油氣的集輸管線，而適用于長輸管線以及海上油氣田的高端產(chǎn)品目前國內(nèi)尚在研制中2、3。1.1 國產(chǎn)RTP產(chǎn)品的產(chǎn)品特點 在RTP管的三層結(jié)構中可以認為管體的承壓能力完全是由中間層（結(jié)構層）承擔的，內(nèi)、外層分別承擔起容納輸送流體和保護中間層的作用，所以增強材料的選擇在很大程度上決定了RTP管的承壓能力。國外RTP管的增強材料通常使用放綸纖維，但由于其價格高，目前國內(nèi)僅有少數(shù)廠家采用，如南京航天晨光4、5；為了降低成本，國內(nèi)一些廠家采用了其他增強纖維，如河北省景縣液力柔性管匯廠選用聚酯纖維作為增強材料；此外國內(nèi)還有廠家使用鋼絲、鋼帶做增強材料，如長春高祥。圖3中給出了國產(chǎn)RTP管的增強層材料及結(jié)構。由于不同的增強纖維之間存在性能的差異，以及金屬材料與有機纖維材料之間存在的性能差異，使得不同廠家的產(chǎn)品的承壓能力、適用溫度等主要性能存在很大的差異?？傊?，目前國內(nèi)RTP管產(chǎn)品在材料選擇、結(jié)構設計、規(guī)格尺寸等方面各不相同，因此不同廠家的產(chǎn)品不能互換使用，這給油氣田的使用帶來不便，也不利于產(chǎn)品在油氣田的推廣。1.2 國內(nèi)RTP產(chǎn)品的質(zhì)量檢測由于目前RTP管在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的標準和規(guī)范，油氣田和生產(chǎn)廠家多是依照生產(chǎn)廠的企業(yè)標準進行質(zhì)檢和驗收。國內(nèi)生產(chǎn)廠家提供的RTP管性能檢測報告中，大部分結(jié)果是根據(jù)自身產(chǎn)品特點，參考相似產(chǎn)品的檢測標準，或根據(jù)自行設計的性能檢測項目及方法檢測的，這就造成其適用性和客觀性很難具有說服力、也導致產(chǎn)品性能缺乏權威性，不利于行業(yè)的良性發(fā)展和RTP管在油氣田的推廣，同時也給油氣田的安全生產(chǎn)帶來了隱患。對于RTP管而言，在服役環(huán)境下的承壓能力是最重要的性能之一，是管線能否滿足使用要求的基礎，因此如何發(fā)確定RTP管的使用壓力就顯得尤為重要。國外的相關標準中已針對RTP制定了相應的壓力等級的確定方式，如API RP15S中規(guī)定6-8，對于纖維增強的RTP管而言，需要在選定溫度下進行一系列長時間的（個別試驗點需超過10000h）耐壓試驗，而后通過相應的數(shù)學處理和曲線外推才可確定其壓力等級。此項實驗對實驗裝置和操作人員的要求較高，試驗周期長，試驗成本很高，而且一旦產(chǎn)品的材料、制造工藝、增強結(jié)構等發(fā)生變化還需要重新確定，因此，國內(nèi)少有廠家進行。目前國內(nèi)廠家多是放小金屬管的試驗方法來確定RTP管的使用壓力，即進行短時水壓爆破實驗，將得到的爆破壓力乘以安全系數(shù)即可。因為使用短期爆破實驗替代長期耐壓實驗是不可行的。此外，即便是進行短時水壓爆破實驗，目前國內(nèi)尚無標準對RTP管的試樣尺寸、實驗環(huán)境的控制、爆破時間、有效失效形式等進行統(tǒng)一的規(guī)范。由此可見部分廠家宣傳單RTP管的使用壓力、短時水壓爆破壓力是不嚴格的。國家和行業(yè)的標準是規(guī)范油氣田用非金屬管市場的必要條件。因此行業(yè)內(nèi)急需建立統(tǒng)一的標準體系來明確RTP管的范圍，并依照不同產(chǎn)品的結(jié)構和性能特點進行分類，進而規(guī)范各種類型的RTP管的制造、工程設計、產(chǎn)品驗收檢驗、施工與驗收、使用及維護中的技術要求和方法9，避免玻璃鋼管油氣田推廣應用中曾經(jīng)出現(xiàn)的問題。上世紀80、90年代玻璃鋼管憑借其耐腐蝕性能，受到了油氣田的重視，許多廠家紛紛進入石油領域，但是由于國內(nèi)生產(chǎn)廠家良莠不齊，一些產(chǎn)品在使用中出了問題，給整個行業(yè)形成了不良的影響，一些油氣田直到現(xiàn)在對玻璃鋼管材、甚至非金屬管材還有抵觸情緒。因此，有關單位應借鑒國外現(xiàn)有標準并結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)品的特點，盡快建立一套合理的標準體系，規(guī)范RTP管的生產(chǎn)、施工建設、使用和維護保養(yǎng)，為行業(yè)的健康發(fā)展和油氣田的安全生產(chǎn)保駕護航。2 國產(chǎn)RTP產(chǎn)品在油氣田實際應用中的問題作為油氣田非金屬管材的新產(chǎn)品，RTP管在實際應用過程中暴露出了一些問題，主要是由于RTP管自身的特點和油氣田特殊的服役條件造成的。2.1 RTP管抵抗外力損傷性能石油行業(yè)的輸送管多是需要埋設施工，對于金屬管線而言，由于其自身的強度、硬度都很大，對于外力的沖擊具有很好的抵抗能力；而非金屬管材則不同，以往就曾發(fā)生過因石塊、鐵鍬的沖擊導致玻璃鋼管損傷的情況。由于RTP管外層受損，那么中間層的增強材料就失去了保護，一旦增強層受損那么管體的承壓能力也就無從保證了。通過模擬實驗證實，當外部損傷切斷部分增強纖維后（如圖4所示），其短期水壓爆破強度可降低50%以上。我國泊氣田現(xiàn)場施工條件較為惡劣，施工人員素質(zhì)參差不齊，加之諸如地質(zhì)結(jié)構和人為破壞等意外因素，導致RTP管在鋪設和使用中難免會受到外力的破壞；因此提高RTP管外層的保護能力以及管材整體的抗破壞能力，避免管材在運輸、鋪設施工過程中和使用中的意外損傷是非常必要的。2.2 RTP管的連接性能由于油氣田的服役環(huán)境苛刻，加之輸送介質(zhì)的壓力較高，因此管體之間有效、可靠的連接方式就顯得尤為重要，目前國內(nèi)的RTP管普通采用機械壓緊式連接方式（如圖4所示），這種連接是把一個金屬管件（A）的插口端插入RTP，在RTP外套一個金屬套（B），用機械方法把金屬套-RTP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，類似高壓膠管的連接10。金屬接頭之間通過螺紋或是焊接法蘭連接最終實現(xiàn)RTP管的連接。機械壓緊式接頭管間連接簡單，速度快，但是為了將金屬壓頭壓緊，必須在RTP管端施加一定的壓力，從而造成對RTP管端部分的壓縮變形而使接頭內(nèi)管壁受到減薄；此外管體的變形，導致街頭處和管體主體變形的不一致，致使街頭/管體連接處產(chǎn)生應力集中，易發(fā)生破裂。如果接頭加工質(zhì)量控制不好或是在運輸、存儲、施工中受到過度的彎折、碰撞、擠壓等，都有可能進一步誘發(fā)接頭附近管體破裂。水壓爆破實驗中也經(jīng)常發(fā)生RTP管接頭與管體的連接處失效的情況，如圖5所示。 2.3 RTP管的維護與修復對于傳統(tǒng)的鋼管而言，雖然受到腐蝕等因素的影響后會發(fā)生滲漏甚至爆裂等問題，但是由于鋼管的檢測和修復技術比較成熟，油氣田對它們的修復和檢測比較熟悉，可對現(xiàn)役管線的狀態(tài)進行在線檢測，如發(fā)現(xiàn)鋼管有漏點或是破損可自行采用補強、焊接等技術加以修復。但是對于RTP管而言，在非金屬材料避免了腐蝕困擾的同時，其電絕緣性使得很多適用于金屬管的檢測手段都無能為力?，F(xiàn)行的RTP管的破損修復方法是使用一段新管替換破損的管段，這就是需要在現(xiàn)場進行接頭加工。由于RTP管的連接工藝均是各廠自行研制，沒有通用的技術、設備，油氣田不具有相應的修復技術，因此一旦RTP管發(fā)生滲漏、破損等問題，而需要替換受損管段時只能聯(lián)系生產(chǎn)廠家前來修復，很難在短時間內(nèi)素數(shù)得以解決，給生產(chǎn)帶來較大的影響。因此，生產(chǎn)廠家應開發(fā)相應的快速修復技術，并對泊氣田的維修人員進行相應的培訓；也可考慮在油田現(xiàn)場建立一支專業(yè)維修隊伍，能夠多油氣田事故作出快速反應，這樣可以保證盡量縮短由于事故造成的停產(chǎn)時間，增強油氣田對產(chǎn)品的信心。3 建議RTP管在我國尚屬于起步階段，油氣田對RTP管性能了解不足，存在一定的顧慮；因此需要有關單位和生產(chǎn)廠家的共同努力，盡早使這種產(chǎn)品步入良性發(fā)展的軌道。為了保證這種產(chǎn)品在油氣田長期、有效和安全地運行，應重點做好以下幾個方面的工作：盡早建立起完善的標準體系，為產(chǎn)品的質(zhì)量保駕護航；完善工藝，保障接頭處的可靠性，避免其成為整條管線的薄弱環(huán)節(jié)；提高管體抵抗力破壞的性能；開發(fā)快速修復技術和在線檢測技術，完善產(chǎn)品的售后服務；研發(fā)高端產(chǎn)品，進入海上油氣田市場。參考文獻1 張玉川，新型RTP耐壓管材的發(fā)展及應用J,國外塑料，2008,126（1）：74-77.2 張玉川，高壓增強熱塑性塑料管J,國外塑料，2008,126（10）：42-45.3 田建峰，王興龍，常永峰，等.柔性復合高壓注醇軟管在長慶油田的應用J, 石 油化工應用，2008,27（5）：86-88.4 季明慧，芳綸纖維增強塑料管在油氣管網(wǎng)中的應用J,油氣儲運，2004,23 （12）：57-59.5 季明慧，芳綸纖維增強塑料管產(chǎn)品設計方法J,管道技術與設備，2006，（2）： 25-32.6 API RP 15S.Qualification of Spcolable Reinforced Plastic Line Pipe S.7 ASTM D 2992, Standard practice for Obtaining Hydrostatic or Pressure Design Basis for Fiberglass(Glass-Fiber-Reinforced Thermoselt