王 維，劉 波，岳 媛，李亞男

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國(guó)石油天然氣管道局有限公司第二工程分公司，江蘇 徐州

3徐州新能建設(shè)工程設(shè)備有限公司，江蘇 徐州

4成都西南交大科技園管理有限責(zé)任公司，四川 成都

1. 引言

上世紀(jì)60 年代開(kāi)始，中東重要產(chǎn)油國(guó)如沙特、阿聯(lián)酋、伊拉克、伊朗經(jīng)歷了低強(qiáng)度合金碳鋼、鎳基與鈦基高強(qiáng)度合金碳鋼、合金不銹鋼到復(fù)合高強(qiáng)合金鋼管階段的發(fā)展后，近幾十年來(lái)涂層鋼板已經(jīng)成為中東地區(qū)油田管道建設(shè)中的主導(dǎo)的管材。由于各油田所處的地域不同，地下水礦化度不同，鋼質(zhì)管道凸顯出耐腐蝕性差、安全性低、安裝成本高、不環(huán)保、較低的熱脹性等局限性。隨著時(shí)間推移與油田日益枯竭，要求通過(guò)注水來(lái)維持儲(chǔ)層壓力，并且保持開(kāi)采以達(dá)到所要求的壓力水平。增加注水和提升原油液面的同時(shí)，使得產(chǎn)油井內(nèi)含水混合液具有很強(qiáng)的腐蝕性，導(dǎo)致鋼管中大范圍的內(nèi)外腐蝕的加劇。據(jù)估計(jì)，全球每年因材料腐蝕而產(chǎn)生的損失高達(dá)2.5 萬(wàn)億美元，相當(dāng)于全球GDP 的3.4%。

非金屬管道使用壽命長(zhǎng)，耐腐蝕，保溫效果好，結(jié)垢少，成本低(使用壽命30 以上)，早在2015 年，沙特阿美公司便在胡萊斯(Khurais)油田這一大型項(xiàng)目中進(jìn)行了RTR 管和RTP 管線的大規(guī)模部署，在油田管網(wǎng)、上水、排水以及化學(xué)管線的建設(shè)中實(shí)際應(yīng)用，替代鋼制傳統(tǒng)管材，從而提高整體管線生命周期，減少后期的維護(hù)費(fèi)用。

為了充分抓住非金屬材料在石油和天然氣行業(yè)中的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，沙特阿美、英國(guó)焊接研究所和阿布扎比國(guó)家石油公司聯(lián)合成立了非金屬創(chuàng)新中心(NIC)，加速非金屬材料在中東地區(qū)管道建設(shè)中的應(yīng)用范圍。而國(guó)內(nèi)RTR 玻璃鋼管材的廠家較多，產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到或超過(guò)外國(guó)的某些產(chǎn)品。同時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)明顯，價(jià)格相對(duì)于國(guó)外同期產(chǎn)品有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，90 年代末期，國(guó)內(nèi)才陸續(xù)出現(xiàn)RTP 熱熔增強(qiáng)管材的生產(chǎn)廠家，目前還算是起步狀態(tài)，且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，因此還需要一段時(shí)間形成統(tǒng)一生產(chǎn)和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2. 非金屬材料的產(chǎn)生和發(fā)展

增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂管RTR (Reinforced Thermosetting Resin Pipe)：也稱為玻璃鋼管GRP (Glass Reinforced Plastic)或纖維玻璃鋼管FRP (Fiberglass Reinforced Plastic)。復(fù)合材料是由熱固性樹(shù)脂(基體)和纖維增強(qiáng)體組成的工程材料。在制造過(guò)程中，液體樹(shù)脂與纖維增強(qiáng)物結(jié)合，然后固化成固體層壓板，詳細(xì)組成材料請(qǐng)看下圖1 [1]。

在20 世紀(jì)40 年代末，提出了一種以拉力玻璃纖維為導(dǎo)向，結(jié)合環(huán)向力和軸向力的長(zhǎng)絲纏繞工藝，具有雙角度結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)絲纏繞需要近軸向的玻璃纖維層，從而生產(chǎn)出用于生產(chǎn)井的高壓(高達(dá)2000 psi)井下油管。進(jìn)入20 世紀(jì)60 年代，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出一種高效的、大容量的連續(xù)玻璃鋼管道生產(chǎn)工藝，用于額定壓力為450 psi 的小直徑管道，玻璃鋼管道大規(guī)模使用始于1964 年，主要安裝在兩英寸原油集輸管道中。

Figure 1. Sectional view of RTR pipe圖1. RTR 管材截面圖

① 外表層：提供了保護(hù)免受天氣，煙霧，溢出和紫外線攻擊，并增加了設(shè)計(jì)壽命的管道；

② 內(nèi)襯層：內(nèi)部層的耐化學(xué)性樹(shù)脂豐富(約70%～80%的樹(shù)脂含量)內(nèi)襯，從厚度2.5 mm 以上，以短股氈的形式，這限制了化學(xué)滲透到結(jié)構(gòu)層；

③ 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度層：一般用機(jī)織粗紗和切碎股墊，以達(dá)到所需的管壁厚度；

④ 內(nèi)表面：為0.25 mm～0.5 mm 光滑樹(shù)脂，富含(約90%的樹(shù)脂含量)層壓板。

增強(qiáng)熱塑性管RTP：(英文：Re-informed Thermoplastic Pipe)：它是指可靠的高強(qiáng)度合成纖維，增強(qiáng)層以及熱塑性材料的外套三層組成，壓力等級(jí)范圍為6.9 至34.5 Mpa。最初由于法國(guó)阿克蘇·諾貝爾公司20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)發(fā)，第一次真正意義投入使用，卻是荷蘭殼牌(SHELL)公司1996 年底在阿曼油田7 公里長(zhǎng)的直徑為Φ152 mm 輸油管線中，用于解決該地輸油管線的腐蝕和泄漏問(wèn)題，詳細(xì)組成材料請(qǐng)查看下圖2 [2]。

Figure 2. Sectional view of RTP pipe圖2. RTP 管材截面圖

在此之后，RTP 管作為油氣集輸管線大量應(yīng)用于油氣田，并作為耐腐蝕和耐高壓的長(zhǎng)輸管道在其他領(lǐng)域迅速推廣目前，中東地區(qū)這類管道的生產(chǎn)和銷售主要掌握在如：FLEXPIPE、FIBERSPAR、PIPELIFE等幾家關(guān)鍵公司手中。

① 內(nèi)襯層：聚乙烯、聚丙烯、尼龍、聚偏二氟乙烯(PVDF)；

② 增強(qiáng)層：非金屬材料(芳綸纖維、聚酯纖維、玻璃纖維、碳纖維等)，金屬材料(鋼絲、鋼帶)；

③ 外層：聚乙烯、聚丙烯。

3. 非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

1) RTR 增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂管的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：材料強(qiáng)度高承壓能力高；內(nèi)表面光滑、輸量大且長(zhǎng)期使用能耗低；剛度好抗變形能力強(qiáng)；安裝的可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)壽命在20 年以上。

RTR 玻璃鋼管道和普通的熱塑性塑料PVC 管道有很大的不同，比如：聚氯乙烯和聚乙烯。這些熱塑性系統(tǒng)通常采用非強(qiáng)化擠壓管和注射成型配件和法蘭，他們的力量來(lái)自于大量的物質(zhì)。相比之下，玻璃鋼管道材料是通過(guò)纏繞工藝制造的，使用的是用連續(xù)玻璃長(zhǎng)絲增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂。從而產(chǎn)生優(yōu)異的溫度性能，而長(zhǎng)絲增強(qiáng)材料使管道部件在機(jī)械上比普通的非增強(qiáng)熱塑性塑料更有能力。其結(jié)果是性能提高，重量輕。

缺點(diǎn)：由于玻璃鋼管采用的是樹(shù)脂固化工藝，管道韌性不足，容易脆裂。單管長(zhǎng)度有限，一般單根長(zhǎng)度為：10～12 米。用于長(zhǎng)輸管道時(shí)連接頻繁，接頭易產(chǎn)生泄露。玻璃鋼管現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)要求高，安裝人員需要專業(yè)的培訓(xùn)和考核，并按施工規(guī)范進(jìn)行安裝。承受外壓時(shí)易產(chǎn)生裂紋，抗震能力差，在地質(zhì)斷層或地震帶地區(qū)使用時(shí)，易造成接頭和管體的斷裂，并且難進(jìn)行修復(fù)。

2) RTP 增強(qiáng)熱塑性管材的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：具有良好的防腐性能，適用于多種腐蝕性介質(zhì)及各種腐蝕性環(huán)境。通過(guò)選擇不同的增強(qiáng)材料，具有較高的承壓能力最大壓力可達(dá)137 MPa，使用溫度范圍寬為?42℃～160℃，可滿足大多數(shù)場(chǎng)合的溫度需求；管內(nèi)壁十分光滑，不結(jié)垢，不結(jié)蠟，流動(dòng)阻力小，耐磨損，輸送能力持久不變，減少了輸送管線的維護(hù)成本。具有極高韌性、良好的耐沖擊性，抗土壤沉降、地震等能力強(qiáng)。施工便捷，可用電纜一樣盤卷鋪放施工；單根長(zhǎng)度可達(dá)400 米，接頭很少、拉伸強(qiáng)度高，規(guī)設(shè)計(jì)壽命為20 年。

缺點(diǎn)：管材生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，單位長(zhǎng)度相比玻璃鋼及金屬鋼管成本較高，需要專業(yè)設(shè)及人員進(jìn)行接頭安裝，目前市面上最大管徑為Φ24 英寸，還無(wú)法用于大管徑、超高壓力的長(zhǎng)輸油氣管道施工中。

4. 非金屬管與金屬管的對(duì)比

1) 金屬與非金屬綜合性能對(duì)比

目前，中東地區(qū)的井場(chǎng)管網(wǎng)和長(zhǎng)輸管道多采用API 5L X65 的金屬鋼材。因此，以下性能對(duì)比將以X65 鋼材為對(duì)比對(duì)象，具體參數(shù)如下表1：

Table 1. Metal and non-metal performance parameters表1. 金屬與非金屬性能參數(shù)

Continued

2) 金屬與非金屬管材長(zhǎng)度和安裝功效對(duì)比

中東地區(qū)管材長(zhǎng)度如下：

① RTR 管材：4～8 英寸以下的直管長(zhǎng)度為12 米，10～16 英寸的為10 米；

② RTP 管材：以荷蘭公司 SOLUFORCE 為例，長(zhǎng)度為150～400 米的絞盤；

③ X65 鋼管：為12 米左右的直管，部分地區(qū)要求提供24 米雙聯(lián)管。因此，RTR 管的安裝相比X65 鋼管較為簡(jiǎn)單。然而，RTP 管材單盤長(zhǎng)度較長(zhǎng)，接頭最少，安裝施工功效相比起來(lái)最高，具體對(duì)比請(qǐng)看下列圖3、圖4。

Figure 3. Comparison of unit pipe length圖3. 單位管材長(zhǎng)度對(duì)比

Figure 4. Comparison of installation length per day圖4. 單日安裝長(zhǎng)度對(duì)比

3) 金屬與非金屬管材安裝人員和設(shè)備對(duì)比，詳見(jiàn)表2 及圖5、圖6。

Table 2. Comparison of installation personnel and equipment of metal and non-metal pipes表2. 金屬與非金屬管材安裝人員和設(shè)備對(duì)比

Figure 5. Construction staff comparison圖5. 施工人員對(duì)比

Figure 6. Construction equipment comparison圖6. 施工設(shè)備對(duì)比

不難看出，現(xiàn)場(chǎng)安裝RTP 管線所需的人員和設(shè)備要少于RTR 管線和金屬管線，具體統(tǒng)計(jì)整體施工費(fèi)用比RTR 管線少10%，比金屬管線安裝費(fèi)用少25%以上。

5. 中東地區(qū)金屬與非金屬管的使用范圍

總體來(lái)說(shuō)RTP 管線在中東地區(qū)使用范圍在逐年提高，一些地區(qū)項(xiàng)目中RTP 管線的設(shè)計(jì)和使用已占整體工程的25%以上。另外，RTR 管線在注水和廢水管線的使用率也在逐步增大。但是，在長(zhǎng)輸高壓管線中RTR 和RTP 管線還無(wú)法與傳統(tǒng)碳基合金鋼管線相比。不過(guò)，從今后的發(fā)展來(lái)看，隨著材料和生產(chǎn)技術(shù)的逐步提高，RTP 管線將逐步在長(zhǎng)輸高壓管道建設(shè)中其他更為重要的作用。詳見(jiàn)表3。

Table 3. The scope of use of metals and non-metals in the Middle East表3. 中東地區(qū)金屬與非金屬的使用范圍

6. 中東地區(qū)非金屬管材的市場(chǎng)應(yīng)用和前景[3]

2014 年初，伊拉克馬季努恩油田，荷蘭SHELL 公司已建設(shè)伊拉克第一條RTP 管線，將海水淡化場(chǎng)站中的水輸送到油田井口。隨后，英國(guó)BP 公司在納斯里耶項(xiàng)目中啟用8 英寸RTR 管線，用于油田井口注水管線。

2018 年底，位于沙特阿拉伯東部省南部地區(qū)的Haradh 和Hawiyah 油田區(qū)域內(nèi)，RTR 管道安裝77.3公里、RTP 管道安裝125.76 公里，及沿線站場(chǎng)、閥室、OPTFS 改造、陰保及其他配套專業(yè)施工。

2019 年底，沙特阿美旗下馬里安(Marjan)和祖盧夫(Zuluf)油田增產(chǎn)項(xiàng)目部(MZIPD)為馬里安海上油田增產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目4 號(hào)油氣分離站(GOSP-4)引入新型應(yīng)用材料。新型非金屬材料包括用于管道系統(tǒng)的無(wú)規(guī)共聚聚丙烯(PP-R)、用于次氯酸鈉系統(tǒng)的增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂(RTR)，以及用于海底結(jié)構(gòu)的支架泥墊[4]。

隨著生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步滿足服務(wù)需求，沙特阿美首次將無(wú)規(guī)共聚聚丙烯用于旗下項(xiàng)目公共設(shè)施的管道系統(tǒng)。增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂也被首次用于處理注入到海水沉箱和消防沉箱的次氯酸鈉，從而避免海洋生物附著[5]。

7. 總結(jié)

隨著中東地區(qū)石油和天然氣能源出口量的逐年大增，高質(zhì)量的天然氣和石油的油田開(kāi)發(fā)也在加速增長(zhǎng)，非金屬管材將逐年增加，部分地區(qū)60、70 年代的金屬管道需要更換、升級(jí)和擴(kuò)容。另外，沙特新城開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的啟動(dòng)，對(duì)環(huán)保要求的升級(jí)。這都對(duì)非金屬管道的發(fā)展起到了重要的助推作用。

在這個(gè)背景下，施工承包單位應(yīng)進(jìn)一步與國(guó)內(nèi)和國(guó)際研究單位開(kāi)展系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作，特別加強(qiáng)對(duì)管道接口和相關(guān)配套設(shè)備的安裝工藝和標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)。特別是對(duì)管材技術(shù)條件、管道可靠性設(shè)計(jì)、管道連接技術(shù)、管道施工及檢驗(yàn)技術(shù)、管道維搶修技術(shù)等研究，解決工程應(yīng)用的技術(shù)難題。撰寫施工企業(yè)內(nèi)部的施工工法，向施工企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行工法的普及，利用在建項(xiàng)目理論和實(shí)操過(guò)硬的技術(shù)人員，擺脫施工企業(yè)對(duì)生產(chǎn)商的施工技術(shù)依賴。

非金屬材在未來(lái)大口徑、高壓力油氣輸送管道技術(shù)的突破，必將在國(guó)內(nèi)和國(guó)外海水淡化、海底管道、長(zhǎng)輸高壓管道項(xiàng)目中取得更廣泛的應(yīng)用。而如何制定大口徑、高壓力非金屬管線的制作和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，如何規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)的安裝程序，將是非金屬管道發(fā)展的新課題。