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(勝利新大實業(yè)集團公司科技中心 山東 東營 257055)

·綜述·

玻璃鋼管道在油氣田的應用與發(fā)展

陶佳棟，盧明昌，曾萬蓉

(勝利新大實業(yè)集團公司科技中心 山東 東營 257055)

國內各大油田先后經(jīng)歷了二次采油和三次采油階段，石油開采陸續(xù)進入高含水或特高含水開發(fā)期。油田采出液含水率逐年增高，鋼管道腐蝕、結垢嚴重，使用壽命短。不僅給油田生產和經(jīng)濟效益造成嚴重影響，同時也帶來了嚴重的安全和環(huán)境隱患。隨著以玻璃鋼管道為主的非金屬管道在油田的大量應用，所體現(xiàn)出的優(yōu)勢逐漸得到了石油行業(yè)的認可。與金屬管道相比，玻璃鋼管道具有耐腐蝕，使用壽命長；內壁光滑，不易結垢，輸送阻力??；導熱系數(shù)小，保溫性能好，大大減少流體的熱量損失；材質輕、安裝方便、簡單快捷, 工程費用低等特點。玻璃鋼管道在油氣田的大規(guī)模應用為油氣田安全生產、降本增效和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供了強有力的保障。

油田；采出液；腐蝕；玻璃鋼；管道

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展和不斷創(chuàng)新，各個領域都在不斷地更新?lián)Q代。在管道應用領域，金屬管材在使用中暴露出越來越多的缺陷，諸如抗腐蝕性能差、使用壽命短、施工緩慢、運行中后期維護成本高等。因此世界各國都在探索應用非金屬管材替代金屬管材。歐、美、德等國家早在20世紀40年代就開始進行非金屬管道應用研究，并開始制造玻璃鋼管道，距今已有 70 余年的歷史[1]。目前，國際上非金屬管道工業(yè)發(fā)展很快，年產量日趨增加。我國于20世紀80 年代末，首次引進玻璃鋼管道纏繞設備，從此非金屬管道工業(yè)開始了快速的發(fā)展。以玻璃鋼管道為重點的非金屬管道在油氣田大規(guī)模的應用，對減輕腐蝕、延長管道壽命、提高輸送能力、保障輸送安全生產發(fā)揮了較大的作用。

1 油氣田常用玻璃鋼管道及主要性能特點

玻璃鋼管道應金屬管道嚴重的腐蝕損壞問題而生，且隨著研究的深入和應用范圍及規(guī)模的擴大，各種新型高性能復合材料不斷涌現(xiàn)并應用于工程實際，由此不斷豐富著玻璃鋼管道大家族。玻璃鋼其學名為玻璃纖維增強塑料(國際上通用的縮寫符號為“GFRP或FRP”)，它是以玻璃纖維及其制品作為增強材料，以合成樹脂作為基體材料的一種復合材料。由于所使用的樹脂品種不同，因此有聚酯玻璃鋼管、玻璃鋼夾砂管、環(huán)氧玻璃鋼管、酚醛玻璃鋼管之稱。構成復合材料的各種原材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。因而使復合材料管道表現(xiàn)出了多方面優(yōu)于金屬管道的優(yōu)良性能。其性能特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 玻璃鋼管道的主要優(yōu)點

1) 耐腐蝕，使用壽命長。玻璃鋼管道具有優(yōu)良的耐腐蝕性，能夠抵抗酸、堿、鹽、海水、含油污水、腐蝕性土壤、或地下水亦即眾多化學物質的腐蝕，對強氧化物及鹵素等介質具有良好的耐腐蝕性。因此，管道的壽命大大延長，一般在30 a以上。據(jù)實驗室的模擬試驗表明：玻璃鋼管使用壽命可長達 50 a以上。而金屬管道在低洼、鹽堿等強腐蝕地區(qū)運行3～5 a就需要維修，使用壽命只有15～20 a左右，而且使用中后期維修成本較高。國內外的實踐經(jīng)驗證明，玻璃鋼管道使用15 a后的管道強度保留率為85%，使用25 a后強度保留率為75%，且維修成本低。這兩個值都超過了對化學工業(yè)用玻璃鋼制品使用一年后所要求的最小強度保留率。人們關心的玻璃鋼管的使用壽命問題，已由實際應用中的試驗數(shù)據(jù)所證明。美國60年代安裝的玻璃鋼管線使用期超過40 a，仍正常運行就是一例。

2)水力特性好。內壁光滑、水力摩阻小、節(jié)約輸送能耗，不易結垢、不生銹。由于金屬管道內壁相對粗糙，摩阻系數(shù)大，并且隨著腐蝕的加重快速遞增，導致阻力損失將進一步增大，同時粗糙的表面為垢的沉積提供了條件。而玻璃鋼管道粗糙度為0.005 3，是無縫鋼管的2.65%，增強塑料復合管粗造度只有0.001，是無縫鋼管的0.5%。因此由于內壁在整個壽命期始終保持光滑，阻力系數(shù)小，能夠顯著減少管道沿程流體壓力損失，節(jié)約輸送能耗，提高輸送能力，可帶來可觀的經(jīng)濟效益。光滑的表面不利于菌類、垢和蠟等污染物的沉積，不污染輸送介質玻璃鋼管道與其他幾種管道熱導率及絕對粗糙度的比較見表1。

表1 管材熱導率及絕對粗糙度

3) 抗老化性能和耐熱、抗凍性能好。玻璃鋼管可在-40～80℃溫度范圍內長期使用，采用特殊配方的耐高溫樹脂還可在200℃以上溫度正常工作。長期露天使用的管道，其外表面添加有紫外線吸收劑，來消除紫外線對管道的輻射，可延緩玻璃鋼管道的老化。

4) 熱導率小，保溫及電絕緣性能好。常用管材的熱導率見表1。玻璃鋼管道導熱率為0.4 W/m·K，是鋼的8‰左右，管道的保溫性能優(yōu)異；玻璃鋼等非金屬材料是非導體，絕緣電阻在1012～1015Ω·cm，管道的電絕緣性優(yōu)異，最適應使用于輸電、電信線路密集區(qū)和多雷區(qū)。

5) 質量輕、比強度高、抗疲勞性能好。玻璃鋼的密度在1.6～2.0 g/cm3之間，即只有普通鋼材的～，比鋁還要輕約。因為玻璃鋼中的連續(xù)纖維有較高的拉伸強度及彈性模量，其機械強度可以達到或超過普通碳鋼的水平，比強度為鋼材的4倍。玻璃鋼與幾種金屬的密度、抗伸強度和比強度比較見表2所示。玻璃鋼材料的抗疲勞性能好，金屬材料的疲勞破壞是由里向外突然發(fā)展的，往往事先無征兆；而纖維復合材料中纖維與基體的界面能阻止裂紋擴展，其疲勞破壞總是從材料的薄弱環(huán)節(jié)開始，玻璃鋼管道可按照環(huán)向與軸向受力的不同，通過改變結構纖維鋪層，使管道具有不同的環(huán)向強度與軸向強度，從而與受力狀態(tài)相匹配。

表2 玻璃鋼與幾種金屬的密度、拉伸強度和比強度比較

6) 耐磨性好。經(jīng)有關試驗，在相同條件下經(jīng)過250 000次負荷循環(huán)，鋼管磨損約為8.4 mm，石棉水泥管磨損約5.5 mm，混凝土管磨損約2.6 mm(內表面結構與PCCP相同)，陶土管磨損約2.2 mm，高密度聚乙烯管磨損約0.9 mm，而玻璃鋼管磨損僅為0.3 mm。玻璃鋼管表面磨損極小，在大負荷作用的情況下，僅為0.3 mm，如果在正常壓力情況下，介質對玻璃鋼管道內襯的磨損可忽略不計[2]。由于玻璃鋼管道的內襯層是由高含量樹脂和短切玻璃纖維原絲氈構成，而內表面的樹脂層有效地屏蔽了纖維裸露情況的發(fā)生。

7) 可設計性好。玻璃鋼是一種可以改變其原材料種類、數(shù)量比例和排列方式，以適應各種不同工況條件要求的復合材料。玻璃鋼管可根據(jù)用戶的各種特定要求，諸如不同的溫度、流量、壓力，不同的埋深和載荷情況，設計制造成不同耐溫、壓力等級和剛度等級的管道。玻璃鋼管采用特殊配方的耐高溫樹脂還可在200℃以上溫度正常工作。玻璃鋼管配件制作方便。玻璃鋼管的法蘭、彎頭、三通、變徑管等可任意制作，如法蘭可與任意符合國家標準的同等壓力同等管徑的鋼制法蘭相連接，彎頭可根據(jù)施工現(xiàn)場的需要制作成任意角度。而對于其他管材，彎頭、三通等配件除規(guī)定規(guī)格的標準件外，非標準件難以制作。

8) 施工及維護費用低。玻璃鋼管質量輕、強度高、可塑性強、運輸方便，安裝技術簡單，無需動火，施工安全；單管長，工程接頭少且不需要進行防銹、防污、絕緣、保溫等措施，施工檢修費用少。對地埋管無需作陰極保護，可節(jié)約工程維護費用達70%以上。

玻璃鋼管道與其他部分管道性能比較見表3。

表3 玻璃鋼管道與其他部分管道性能比較

1.2 玻璃鋼管道的缺點

1)力學性能。玻璃鋼管道抗機械損傷能力較金屬差，破損后的堵漏方式存在一定局限性[3]。特別是在巖石山區(qū)和特殊地形的地段，運輸安裝必須嚴格按照其標準執(zhí)行，否則容易出現(xiàn)斷裂、破壞現(xiàn)象，造成不必要的經(jīng)濟損失。

2)耐老化性。玻璃鋼管道露天敷設時外表面在紫外線、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導致出現(xiàn)色變、微裂紋等老化現(xiàn)象。任何材料都存在老化問題，玻璃鋼也不例外，玻璃鋼在曝曬、濕熱、水浸泡及腐蝕介質等作用下，性能有所下降，在長期使用過程中會使光澤減退、顏色變化、樹脂脫落、纖維裸露、分層等現(xiàn)象。地面管道需采取外表面加防老化劑或外涂隔紫外線涂料等措施。

3)彈性模量低。比鋼(E=2.1×106)小10倍，因此在產品結構中常感到剛性不足，容易變形。可以做成薄殼結構、夾層結構，也可通過高模量纖維或者做加強筋等形式來彌補。

4) 埋地管道探測問題?，F(xiàn)有地下管線探測設備主要以探測金屬管線為主，而非金屬管道探測儀器價格昂貴，因此玻璃鋼管埋地后無法探測，其它后續(xù)施工單位施工中易挖傷、損壞管道。

5) 標準規(guī)范不完善，材質檢測評估難。玻璃鋼油氣管道還沒有形成完善的工程設計方法和規(guī)范，管道技術規(guī)定和要求不統(tǒng)一，我國玻璃鋼管材生產廠家多且良莠不齊，材質檢測評估難，低劣產品惡意競爭擾亂市場情況的存在，難以實現(xiàn)產品的優(yōu)勝劣汰和公平競爭，對玻璃鋼管道行業(yè)的發(fā)展和推廣應用造成一定影響。

2 玻璃鋼管道在油氣田的應用

2.1 油氣田腐蝕特點

自20世紀90年代以來，國內各大油田先后經(jīng)歷了二次采油和三次采油階段，大規(guī)模采用了水驅、聚驅及三元復合驅，石油開采陸續(xù)進入高含水或特高含水開發(fā)期。油田采出的原油含水率逐年提高，采出水量急劇增長，鋼管道的腐蝕、結垢問題日益突出。根據(jù)勝利油田的調查研究，目前各大油田采出液含水率已達90%以上。油田采出液為油氣水砂混合物，采出水礦化度大多在1×104mm/L以上，有的油田高達2×105mg/L以上，且含有溶解O2、CO2、H2S、SRB等有害成分，對鋼制油氣集輸及污水輸送管道的平均腐蝕速率為1～1.7 mm/a，局部腐蝕率高達4 mm/a[4]。未做內防腐的污水回注系統(tǒng)，在污水總礦化度1×104mg/L以上的腐蝕介質作用下，注水干線的使用壽命是4～7 a，單井注水管線使用壽命4～6 a。另外，井下油管每年更換油管的數(shù)量幾乎占全年新投入井下油管總量的。如勝利油田某油藏采出液礦化度達7×104mg/L，氯離子含量可達3×104mg/L，含有溶解氧、CO2、硫化物等腐蝕性物質和硫酸鹽還原菌。因而，對金屬管道的腐蝕相當嚴重。選用鋼制管道最快在投產后3個月就開始穿孔，一年報廢。雖然曾采用過多種金屬管道內涂、內襯等防腐措施，但因施工技術要求高、焊接口防腐效果難保證、涂層使用壽命短等不能根本解決問題。由于腐蝕泄漏還造成土壤與環(huán)境污染。盡管腐蝕程度不同，但各油田都普遍存在。單就腐蝕而言，每年給世界油田與國民經(jīng)濟造成的損失達億萬美元。

2.2 玻璃鋼管道在油氣田的應用

各油田生產過程使用的大量管道中，80%用于油氣混輸、高含水原油輸送及油田采出水處理、回注。油田采出液介質成分復雜，含有多種可對金屬管道造成腐蝕、磨蝕等損壞的有害物質，為解決金屬管道的腐蝕損壞問題，1983年勝利油田開始嘗試使用具有良好耐腐蝕性能的玻璃鋼管道。經(jīng)過多年的試驗探索，經(jīng)歷了玻璃鋼管道由手糊到機械纏繞、由常溫到百度高溫、由低壓到中高壓的試驗發(fā)展階段。20世紀90年代初，玻璃鋼管道首先在油田污水處理及輸送系統(tǒng)試驗并推廣應用，隨后逐步試驗推廣到油氣集輸、油田注水及聚合物驅注采系統(tǒng)。如某采油廠采出液礦化度多在3×104mg/L以上，且含有CO2、H2S等成分，屬于強腐蝕性介質。油氣混輸管道、油水井井下油管、采出水處理、輸送管道及高壓注水管道平均腐蝕速率為1.4 mm/a，局部腐蝕率高達4 mm/a。為解決嚴重影響開發(fā)生產的腐蝕問題，勝利新大實業(yè)集團有限公司(簡稱“勝利新大集團”)面向油田經(jīng)過多項試驗，研發(fā)制造出適合油田采出液特點的耐腐蝕、耐磨、耐高溫的各種規(guī)格系列玻璃鋼管道。80年代末開始進行玻璃鋼管道現(xiàn)場應用試驗，首先在聯(lián)合站污水處理、外輸系統(tǒng)應用成功，陸續(xù)試驗推廣到油氣混輸、高壓注水系統(tǒng)及油、水井井下油管、套管，較好地解決了勝利油田油氣水管道腐蝕問題。之后逐步推廣到國內外其他油田，均獲得預期的效果。

例如某區(qū)塊采出液礦化度7×104mg/L，含水率91%，含砂量0.03%，氣油比25，輸送溫度62℃，原油氣混輸干線為Φ325 mm×3 km鋼管內涂H87，投產不到半年開始穿孔，之后在頻繁的維修、堵漏中勉強維持使用，有時每天需堵漏維修3～5處，不到2 a就要報廢更換。經(jīng)對舊管線檢查分析，確定該管道穿孔損壞的主要原因是介質成分復雜、混合不均，腐蝕性強，管頂氣含量大，底部以水、砂為主，易造成管底部電化學腐蝕加沖刷磨蝕，因此管道底部腐蝕最嚴重，底部呈深坑或溝槽狀腐蝕。于1994年10月將該管道更換為勝利新大集團生產的DN250 mm×3 km機械纏繞玻璃鋼埋地管道，試壓投產一次成功，投產后干線壓力不僅沒有增加，反而稍有下降，由原來的1.1 MPa降為1.0 MPa以下，沿程溫降減小，輸送能耗降低。該玻璃鋼管道連續(xù)正常運行13年，除發(fā)生過幾次施工機械誤傷事故外，沒有發(fā)生自然穿孔事故。直到該集輸流程調整停運。

又如勝利油田孤東采油廠采用19隊82-1油氣混輸支干線，采用勝利新大集團制造的DN 200 mm，PN 2.5 MPa玻璃鋼管道1 200 m，介質為高含水原油，投產時含砂量0.042%，溫度50～65℃，于1997年初建成投產，投產后不僅解決了腐蝕問題，而且集輸壓力降低17%，2016年因主干線報廢而停運，連續(xù)正常運行19 a，仍可正常使用。原來采用鋼管道作油氣混輸管道時使用壽命不足3 a，有的投產3個月即磨蝕穿孔，不足一年就報廢。腐蝕損壞特點為管道底部電化學腐蝕加砂磨沖刷，呈深坑或溝槽狀腐蝕。

油田目前使用的中低壓玻璃鋼管道其選用的管徑大多介于DN50～700 mm之間，輸送介質溫度最高達78℃左右，壓力一般為0．1～2.5 MPa。高壓管道管徑介于50～300 mm，壓力可高達20 MPa以上。管道連接方式主要有對接膠合連接；單“O”型圈承插式連接；雙“O”型圈承插式連接；承插膠接；承插內外膠接；法蘭連接(分為玻璃鋼法蘭及玻璃鋼-鋼活套法蘭)；螺紋連接；哈夫連接等。

纖維纏繞玻璃鋼管道在我國批量生產，已受到了油田的普遍歡迎，在油氣集輸、污水處理和油田注水系統(tǒng)，玻璃鋼管道已經(jīng)成為理想的鋼制管道的替代品，并見到了顯著的生產效益和經(jīng)濟效益。近年來，勝利新大集團公司所研發(fā)生產的玻璃鋼井下油管、套管和碳纖維連續(xù)抽油桿得以在勝利、延長、大港、遼河、華北等油田推廣應用，使井下油管和抽油桿的使用壽命及油水井的免修期比鋼制產品延長1～2倍以上，成為玻璃鋼復合材料在油田應用的又一新亮點。

3 玻璃鋼管道發(fā)展展望

復合材料科學技術的發(fā)展，推動了材料工業(yè)的巨大革命。玻璃鋼管道(簡稱FRP管)的誕生，標志著非金屬管材在材料工業(yè)中的崛起，也預示著非金屬管材在國民經(jīng)濟建設中的應用領域和市場規(guī)模將不斷擴大。經(jīng)過幾十年的應用和發(fā)展，玻璃鋼管道在原材料、制造設備、工藝技術、結構設計、施工以及質量管理等方面取得了長足的進步，在管道市場的占有率不斷取得新的突破，新產品新技術不斷涌現(xiàn)。在一定范圍內已經(jīng)成為金屬管道的替代品。隨著科學技術的不斷進步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，玻璃鋼管道的用途會越來越廣，對管道性能和功能的要求會越來越高。

材料科技的進步和迫切的市場需求將推動玻璃鋼管道不斷向著性能更完善、應用領域更廣闊的方向發(fā)展。管道的規(guī)?；?、系列化、輸送介質多元化以及大口徑、高強度、高剛度新型纖維增強復合管道將成為今后一個時期的發(fā)展趨勢。

我國管道運輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，給玻璃鋼管道行業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機遇，復合管道不僅可以應用在油氣田、礦區(qū)、海工、引水調水、城市給排水、城市燃氣等方面，還應更上一層樓，成為油氣長輸管道及高壓輸氣管道建設中的重要管材。目前急需解決高含H2S天然氣集輸，長距離、大口徑油氣輸送管道腐蝕嚴重、使用壽命短等難題[5]，以降低管道工程投資及維護成本、延長管道使用壽命，為低油價下的油氣田降本增效戰(zhàn)略再做貢獻。面對新的市場、新的機遇、新的挑戰(zhàn)，需要國內管道界共同努力，在積極跟蹤、引進、吸收國外先進技術的同時，充分發(fā)揮創(chuàng)造力，融合塑料管道與金屬管道的特點，取長補短，早日攻克復合材料高壓、長輸油氣管道工業(yè)性應用難題。

今后的研究中需要充分發(fā)揮復合材料的優(yōu)勢，切實研究解決構成復合材料的兩種或兩種以上單體材料之間的物理、力學及化學性能匹配、界面結合強度、抗沖擊性、復雜地形環(huán)境的適應性、快速施工與搶修、標準規(guī)范完善統(tǒng)一、廢舊管道的回收再利用等問題，提高管道的綜合性能，為玻璃鋼復合材料管道更廣泛、更大規(guī)模的發(fā)展應用創(chuàng)造條件。

[1] 石仁委，龍媛媛. 油氣管道防腐蝕工程[M]. 中國石化出版社，2008：139-147.

[2] 孫惠蘭. 玻璃鋼管的性能分析[J]. 水利水電技術，2007，38(5)：34-36.

[3] 康 勇. 現(xiàn)代油氣管道工程設計、施工技術與實例[M]. 化學工業(yè)出版社，2014：25-37.

[4] 王玉江，孫兆厚，楊永軍. 玻璃鋼管道在勝利油田地面工程中的應用[J]. 玻璃鋼/復合材料,1996,(4)：38-41.

[5] 張 昆. 玻璃鋼管道在四川氣田的應用[J]. 石油工程建設，2006：32(3)59-61.

ApplicationandDevelopmentofFiberReinforcedPlasticPipeinOil&GasField

TAOJiadong,LUMingchang,ZENGWanrong

(ResearchCenter,ShengliXindaIndustrialGroupCo.Ltd.,Dongying，Shandong257055,China)

The major oil fields in China have experienced the second and third oil recovery stage, mean while, the oil recovery has been entering into high water-cut even extra high water-cut development stage. At the moment, the rate of water content of the produced fluid from oil field is keeping rising, as the result, the normal steel pipe is suffering from the serious corrosion, deposit and short service life span. All of this brings not only the bad affect on the oil production and economic benefits, but also serious safety and environmental hazards. With the main extensive application of fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as FRP) pipeline as the non metallic pipeline in the oil field, the advantage of it has been recognized by the oil industry. Compared with the metal pipe, FRP pipe has the advantages of anti-corrosion, long service life, smooth inner wall, anti-deposit, less conveying resistance, less thermal conductivity, good thermal insulation performance, significant reducing fluid heat losing, light weight, easy simple and quick installation and low project cost, etc. The large-scale application of FRP pipes in oil & gas fields provides a strong guarantee for the safe production, cost reduction and sustainable development in oil & gas fields.

oil field; produced fluid; corrosion; FRP; pipe

陶佳棟，男，1987年生，工程師，2010年畢業(yè)于威海技術學院模具設計與制造專業(yè)，目前主要從事油氣輸送用玻璃鋼管道的應用技術研究。E-mail: taojiadong00@163.com

TE83

A

2096-0077(2017)05-0001-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.001

2017-03-15編輯屈憶欣)