明永存 姜俊澤 雍歧衛(wèi) 孫越鵬

（陸軍勤務(wù)學(xué)院 重慶 401331）

1 引言

第二次世界大戰(zhàn)之后，機(jī)動(dòng)管線得到了大規(guī)模應(yīng)用，世界各軍事強(qiáng)國(guó)都大力發(fā)展機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)和裝備。機(jī)動(dòng)管線現(xiàn)已成為現(xiàn)代化軍隊(duì)的后勤大型骨干裝備，是戰(zhàn)時(shí)大規(guī)模散裝油料遠(yuǎn)程輸送最安全、最有效的手段［1］。從材質(zhì)上分，機(jī)動(dòng)管線可分為鋼質(zhì)管線和軟質(zhì)管線兩類。鋼質(zhì)管線承壓能力強(qiáng)、流量大，適合長(zhǎng)距離輸油和輸水作業(yè)，但裝備器材數(shù)量多、管子質(zhì)量大，展開、撤收費(fèi)時(shí)費(fèi)力，輸送方向相對(duì)固定，靈活性不足；軟質(zhì)管線重量輕，靈活性好，但承壓能力有限且流量較小，不合適長(zhǎng)距離輸送。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)節(jié)奏的加快，使用機(jī)動(dòng)管線進(jìn)行油料保障的時(shí)效性還不能滿足要求，究其原因，主要是機(jī)動(dòng)管線成套裝備重量大，系統(tǒng)組成復(fù)雜。然而，一套DN100 鋼質(zhì)機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)，管子管件占全套裝備重量的70%，管子的重量在很大程度上決定了成套裝備的重量。因此，開展機(jī)動(dòng)管線管子輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)于減輕管線裝備系統(tǒng)的重量，提高機(jī)動(dòng)管線的靈活性能具有重要意義。

2 機(jī)動(dòng)管線使用的管材

經(jīng)過長(zhǎng)期的建設(shè)與發(fā)展，我軍形成了戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)定位互補(bǔ)，不同規(guī)格、不同材質(zhì)的機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)，使用的基礎(chǔ)管材主要有薄壁碳素鋼、16 ΓC 鋼、X65級(jí)管線鋼。

美軍和俄軍也非常重視機(jī)動(dòng)管線的建設(shè)與發(fā)展。美軍現(xiàn)役機(jī)動(dòng)管線主要包括IPDS、OPDS、RIFTS、AHS 和HRS 5 種，即內(nèi)陸油料分發(fā)系統(tǒng)、海上油料分發(fā)系統(tǒng)、快速安裝油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及強(qiáng)攻型軟質(zhì)管線系統(tǒng)和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)軟管卷盤系統(tǒng)［2］。美軍的幾類機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)有些是永久部署，有些是預(yù)置線路，而有些則是臨時(shí)機(jī)動(dòng)部署。由于這幾類管線是成系統(tǒng)部署，每種管線系統(tǒng)可使用多種口徑和材質(zhì)的管子。如IPDS 主要采用鋁合金管，也在小批量使用碳素鋼管，而RIFTS作為快速油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使用的是可折疊的高強(qiáng)度芳綸材料制成的6英寸可壓扁軟管。在OPDS里還采用了8英寸甚至12 英寸的合金鋼管。美軍機(jī)動(dòng)管線主要管子規(guī)格見表1。

表1 美軍機(jī)動(dòng)管線主要管子規(guī)格

俄軍機(jī)動(dòng)管線使用的管子主要是合金鋼管和復(fù)合塑料鋼管2 種，復(fù)合塑料鋼管重量?jī)H為合金鋼管重量的1/2，輕質(zhì)量的管線在投入使用后，管線鋪設(shè)速度得到很大程度上的提高，并可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，系統(tǒng)的工作壓力和流量也有所提高［3～4］。

3 地方油氣輸送管道使用的管材

目前，在油氣輸送領(lǐng)域使用的管材大體上可分為金屬管、非金屬管和復(fù)合管3種。

3.1 金屬管

金屬管包括鑄鐵管、鋼管、銅管、鋁管、鈦管及各類合金管，表2 為常見幾種金屬管的規(guī)格。早期的城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗褂玫幕臼瞧胀ㄨT鐵管，其造價(jià)低，但重量大、易腐蝕。1948 年離心球墨鑄鐵管（DI 管）問世，以其在致密性、機(jī)械性能、抗腐蝕能力等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，成為新的燃?xì)夂凸┧艿烙貌?，而普通鑄鐵管開始退出歷史舞臺(tái)［5～6］。

表2 常見金屬管規(guī)格

后來，鑄鐵管道逐漸被鋼質(zhì)管道所取代。國(guó)外在油氣管道方面應(yīng)用較廣的鋼管主要為UOE（直縫埋弧焊接）鋼管和HFW（無縫）鋼管，最高鋼級(jí)已達(dá)到X120［7～8］。由于X120 管線鋼強(qiáng)度較高，使用X120 制管難度更大，我國(guó)某些鋼鐵企業(yè)于2006 年前后試制出X120 管線鋼寬厚板，為輸油管道的制造提供了條件。2008 年，已經(jīng)有國(guó)內(nèi)企業(yè)采用X120 鋼級(jí)管線鋼成功研制出直徑914mm、壁厚16mm 直縫埋弧焊鋼管。2022 年6 月，我國(guó)成功研制全球首盤CT150鋼級(jí)、直徑50.8mm、壁厚4.0mm、長(zhǎng)度7000m 的連續(xù)管，強(qiáng)度超過1100MPa，是目前全球最高強(qiáng)度級(jí)別的連續(xù)管產(chǎn)品。

銅和銅合金管主要特點(diǎn)是具有優(yōu)異導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，且質(zhì)地堅(jiān)硬、抗腐蝕能力強(qiáng)、不易老化。銅管可以在-196℃～250℃溫度范圍內(nèi)和溫度劇烈變化下正常使用，常用于輸送腐蝕性強(qiáng)、氧化性強(qiáng)、高壓力的?；?，或者制造成中低溫管路用于換熱設(shè)備和制氧設(shè)備［9］。

鋁和鋁合金管重量輕、導(dǎo)熱性好，鋁合金管更有著高強(qiáng)度、耐腐蝕等性能，可作為一般鋼管的替代品［10］。鋁合金的密度僅為鋼的1/4，一些超級(jí)鋁合金的力學(xué)性能甚至超過了普通鋼，如北美7090鋁合金最高強(qiáng)度為855MPa，歐洲鋁合金強(qiáng)度為840MPa，日本鋁合金強(qiáng)度達(dá)到了900MPa，因此鋁合金管的應(yīng)用市場(chǎng)非常廣泛。

鈦及鈦合金管具有較好的力學(xué)性能、優(yōu)良的沖壓性能，可進(jìn)行各類形式的焊接，接頭強(qiáng)度能夠達(dá)到基體強(qiáng)度的90%，且加工性能良好，能較好耐受住氯化物、硫化物等的強(qiáng)腐蝕，在海水中的使用壽命比鋁管、不銹鋼管還長(zhǎng)，因此多用于海底管道［11］。但鈦合金抗變形能力較大，因此鈦合金管材制備工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、成本高，一般在要求極為苛刻環(huán)境下使用［12］。

3.2 非金屬管

油品中多存在H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)，對(duì)金屬管道極易產(chǎn)生腐蝕，而非金屬管材普遍具有較高的耐腐蝕性能，因此使用非金屬管道逐漸成為了解決油氣管道腐蝕的重要途徑［13］。國(guó)外一些管道工藝發(fā)達(dá)的國(guó)家在20世紀(jì)70年代就對(duì)非金屬管道的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了研究，目前非金屬管道已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，并大量應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。當(dāng)前油氣領(lǐng)域應(yīng)用較廣的非金屬管主要有柔性復(fù)合管、玻璃鋼管、聚乙烯塑料管等類型。

柔性復(fù)合管（RTP）多為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為熱塑性塑料，中間層為增強(qiáng)層，外層為保護(hù)層。柔性復(fù)合管同時(shí)具有金屬管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高和非金屬管道重量輕、耐腐蝕、柔性好、流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，在油氣輸送領(lǐng)域逐漸得到廣泛的應(yīng)用。柔性復(fù)合管可以在-35℃～110℃溫度范圍下使用30 年～50 年，內(nèi)徑尺寸為17mm～300mm，單根柔性復(fù)合管長(zhǎng)度可達(dá)400m，工作壓力最高可達(dá)35Mpa［14］。我國(guó)長(zhǎng)慶油田在天然氣輸送中，使用RFQ-68×9 型柔性復(fù)合管取代了DN50mm 的無縫鋼管作為單井管線。21 世紀(jì)以來，柔性復(fù)合管在中東地區(qū)的油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，其中一些地區(qū)項(xiàng)目中柔性復(fù)合管的設(shè)計(jì)與使用甚至占到了整體工程的25%以上［15］。

玻璃鋼管是一種以樹脂為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，通過纖維纏繞工藝制造出的管子，也稱增強(qiáng)熱固性樹脂管或纖維玻璃鋼管。玻璃鋼管具有極高的強(qiáng)度和良好的韌性，比強(qiáng)度能達(dá)到合金鋼的2 倍～3 倍，承壓能力為3.45MPa～34.5MPa。國(guó)外一些國(guó)家20世紀(jì)40年代就開始了對(duì)玻璃鋼管道制造技術(shù)的研究，距今已有70 余年的歷史。玻璃鋼管大規(guī)模應(yīng)用于油氣田領(lǐng)域，對(duì)減輕管道腐蝕、延長(zhǎng)使用壽命、提高輸送效率、保障輸送安全等起到了重要作用［16］。近年來，各國(guó)新鋪設(shè)的管道中，玻璃鋼管道的使用比例正在迅速增長(zhǎng)，比如美國(guó)玻璃鋼管道的使用率達(dá)到了50%以上，且正以年均5%～10%增長(zhǎng)，瑞典的玻璃鋼管道占大、中口徑供水管道總長(zhǎng)度的40%，日本也占到了其總長(zhǎng)度的25%以上［17］。

聚乙烯塑料管簡(jiǎn)稱PE 管，早期的PE 管大多是以PE32、PE40為主，其力學(xué)性能差、承壓低，因此沒有應(yīng)用于油氣輸送行業(yè)。隨著PE 材料性能的提升，PE ≤63的管道基本被淘汰，PE管道的耐腐蝕、低價(jià)格、易加工等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，開始逐漸應(yīng)用到油氣輸送領(lǐng)域，迅速成為油氣管道重要的材料之一［18］。當(dāng)前PE 管已經(jīng)具有更高M(jìn)RS 值（最小強(qiáng)度要求）的PE112 和PE125，實(shí)現(xiàn)了在管壁更薄的情況下承受更高的壓力［19］。在強(qiáng)度不斷提升的同時(shí)，一些具備特殊性能的PE 管材也相繼被研發(fā)出來。被稱為第4 代管材的PE100-RC 樹脂與普通PE100管材相比，在同等條件下，該產(chǎn)品具有更長(zhǎng)的使用壽命和更高的安全性能。我國(guó)一些石化企業(yè)通過優(yōu)化雙峰聚乙烯聚合工藝條件，平衡產(chǎn)品的加工性能和力學(xué)性能關(guān)系，開發(fā)出了低熔垂大口徑聚乙烯管材專用料［20］。

3.3 復(fù)合管

復(fù)合管材是指以金屬和熱塑性塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，內(nèi)襯聚丙烯、聚乙烯或外焊交聯(lián)聚乙烯等非金屬材料，具有金屬管和非金屬管共同優(yōu)點(diǎn)的新型管材。復(fù)合管材主要包括以鋁為基管的鋁塑復(fù)合管、襯塑鋁合金復(fù)合管和以鋼為基管的鋼塑復(fù)合管、涂塑復(fù)合管以及鋼骨架復(fù)合管。

鋁塑復(fù)合管于20 世紀(jì)80 年代在德國(guó)、英國(guó)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，我國(guó)于90 年代初期引進(jìn)［21］。與金屬管和塑料管相比，鋁塑復(fù)合管無論在機(jī)械性能、化學(xué)性能以及綜合性價(jià)比等方面都具有較大優(yōu)勢(shì)。鋁塑管內(nèi)層為PE材料，不積水垢、不滋生微生物，中間為鋁層，隔絕氧氣，起到防腐功效。目前國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)鋁塑復(fù)合管的最大直徑是62mm，國(guó)外也僅達(dá)到110mm，因此鋁塑復(fù)合管適用于室內(nèi)小口徑的供水管和低壓燃?xì)庥霉艿取Ｒr塑鋁合金復(fù)合管是一種雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合管道，外層為6063 變形鋁合金經(jīng)加熱擠壓成型后經(jīng)陽極氧化處理的無縫鋁合金管，內(nèi)襯層為聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯等熱塑性材料，內(nèi)外層通過線性預(yù)應(yīng)力復(fù)合［22］。襯塑鋁合金復(fù)合管與鋁塑復(fù)合管一樣，具備重量輕，摩擦阻力小、膨脹系數(shù)小、阻燃性性能強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)相比鋁塑復(fù)合管，襯塑鋁合金復(fù)合管結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、制造成本低且強(qiáng)度更大，屬于輕質(zhì)剛性管道［23］。

鋼塑復(fù)合管是在碳鋼管的基礎(chǔ)上，內(nèi)襯聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等物質(zhì)，使用冷拉復(fù)合工藝或滾塑加工而成的復(fù)合管道［24］。內(nèi)外有涂層的鋼管為涂塑鋼管，內(nèi)涂層為塑料用于防腐，外涂層可根據(jù)需要，使用塑料、鍍鋅或者其他涂裝材料［25］。鋼塑復(fù)合管和涂塑鋼管都同時(shí)克服了普通鋼管存在的易銹蝕、短壽命和塑料管的低強(qiáng)度、易變形等缺點(diǎn)，又具有鋼管和塑料管的共同具有的耐腐蝕、抗靜電、阻燃性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑給水排水和油氣管道［26］。鋼骨架復(fù)合管的結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土類似，以高密度聚乙烯為基體，低碳鋼絲為增強(qiáng)相，將鋼絲點(diǎn)焊成網(wǎng)，用塑料擠出填注，連續(xù)擠出形成新型雙面防腐的壓力管道［27］。這種混凝土結(jié)構(gòu)使它既具有金屬管道的承壓能力，又可以如塑料管一般抵御外界侵蝕，管道密度僅為鋼管的40%，重量輕，運(yùn)輸、安裝省時(shí)省力。管壁粗糙度為0.22μm～0.47μm，輸送效率與同規(guī)格的鋼管相比，提高了20%～30%，水頭損失比鋼管低30%，耐磨性為鋼管的6 倍～7 倍［28］，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣等許多領(lǐng)域。

4 對(duì)機(jī)動(dòng)管線輕量化發(fā)展的啟示

機(jī)動(dòng)管線主管的輕量化設(shè)計(jì)，主要是選擇重量輕、強(qiáng)度高的材料作為基礎(chǔ)管材，利用科學(xué)的成型工藝，制成性能適合野戰(zhàn)條件的主管。在滿足輕量化要求的同時(shí)，還要滿足耐腐蝕、流動(dòng)阻力小、承壓能力高、使用壽命長(zhǎng)等技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)管線快速展開和撤收的目的。未來軍用機(jī)動(dòng)管線應(yīng)朝著以下幾個(gè)方面優(yōu)化發(fā)展。

一是管線輕量化、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔化。使用更高強(qiáng)度、更低密度的管材，實(shí)現(xiàn)主管的更薄壁厚和更大口徑，管線集束、裝卸、運(yùn)輸投送等過程更加快速和高效；減少管子的接頭，省去不必要的裝備器材，使管線運(yùn)輸投送時(shí)對(duì)運(yùn)輸裝備的要求以及人力、物力的消耗更低，管線的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)移能力更強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)管線裝備全域投送的戰(zhàn)略目標(biāo)。

二是減阻增輸，提高輸油效率。現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)油料的依賴程度更高，從近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)的油料消耗情況來看，見表3，現(xiàn)役機(jī)管線的日輸量與戰(zhàn)爭(zhēng)日平均消耗量相比還有相當(dāng)大的差距，在泵送設(shè)備不變的情況下，需要研制摩阻更低、流量更大的管道。通過新鍍層技術(shù)或新材料技術(shù)，降低管子內(nèi)壁的粗糙度，使管壁更光滑，降低輸油沿程摩阻損失；使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，提高管子的承壓能力，特別要優(yōu)化接頭的設(shè)計(jì)，使管子能夠承受泵站提供的更大水頭。高承壓和低摩阻可以最大化降低中間泵站的開設(shè)數(shù)量，減少人力、物力的消耗，增大輸送距離，提高輸油效率。

表3 歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)的油料消耗情況

三是提高管線的全地形適應(yīng)能力。利用更加先進(jìn)的防腐技術(shù)，使管子具備在各種復(fù)雜條件下優(yōu)異的抗腐蝕性能，具備更長(zhǎng)的使用壽命。同時(shí)，管材要具備較強(qiáng)的抗碾壓、抗沖擊、抗拉伸和抗彎矩能力，以適應(yīng)不同特殊地域的輸油作業(yè)。

綜合以上情況分析，金屬管由于重量大、耐腐蝕性能差、流動(dòng)阻力大，作為機(jī)動(dòng)管線的主管或者基礎(chǔ)管材已經(jīng)沒有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，可以考慮非金屬管或者復(fù)合管作為基礎(chǔ)管材應(yīng)用于機(jī)動(dòng)管線的主管加工，表4 列出了鋼管與幾種典型非金屬管和復(fù)合管的性能指標(biāo)。綜合來看，非金屬管和復(fù)合管主要具有以下優(yōu)勢(shì)。

表4 典型管材性能指標(biāo)

一是復(fù)合管集成了金屬管與非金屬管共同特點(diǎn)。復(fù)合管材是以金屬與熱塑性塑料復(fù)合而成的管材，具有金屬管一樣的較高承壓能力和非金屬管材各方面的優(yōu)點(diǎn)，能較好解決高承壓與輕質(zhì)量、低摩阻等指標(biāo)之間的矛盾。如相對(duì)密度僅為1.9 左右的玻璃鋼管道，在口徑、壁厚、長(zhǎng)度一致的條件下，重量?jī)H為鋼管的30%，而承壓能力卻最高能達(dá)到35MPa。而密度僅為鋼管40%的鋼骨架復(fù)合管，鋼骨架施加的強(qiáng)度使得其的徑向承受力和抗拉裂能力都顯著高于普通鋼管，而網(wǎng)狀鋼骨架自身的性能使得鋼骨架復(fù)合管在管道柔性上也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

二是合金技術(shù)發(fā)展給復(fù)合管基管提供更廣泛的選擇。部分150mm 機(jī)動(dòng)管線使用的管材是X65管線鋼，對(duì)比當(dāng)前可生產(chǎn)的X120鋼級(jí)管線鋼，力學(xué)性能差距相當(dāng)大。在相同管徑和壁厚狀態(tài)下，使用X120 管線鋼制造的鋼管承壓能力理論上要比使用X65管線鋼制造的鋼管高出約50%。而7系高強(qiáng)鋁合金（Al-Zn-Mg-Cu 系）具有著1/4 鋼的密度和比普通鋼更高的強(qiáng)度，當(dāng)前抗拉強(qiáng)度更是能夠達(dá)到900MPa以上。以上述高強(qiáng)度金屬合金材料作為復(fù)合管的基管用材，將更好地降低管道的質(zhì)量和提高管道的承壓能力。

三是非金屬?gòu)?fù)合材料在管材上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不斷展現(xiàn)。復(fù)合材料由兩種或多種不同類別的物質(zhì)通過一定的組合方式形成，這可讓其發(fā)揮不同種材料的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服單一材料存在的缺陷?，F(xiàn)有管材中，玻璃鋼管、柔性復(fù)合管，皆是由復(fù)合材料制成。如高壓玻璃鋼管道，在具有與低碳鋼鋼管相近的環(huán)向拉伸強(qiáng)度極限的同時(shí)，擁有著更高的比強(qiáng)度。且非金屬材質(zhì)的管道內(nèi)壁摩阻小，不易產(chǎn)生蠟沉積而結(jié)垢，輸送能力能夠長(zhǎng)時(shí)間保持最優(yōu)狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外正大力發(fā)展的包括樹脂基、鋁基、陶瓷基和碳基等高性能復(fù)合材料，這些復(fù)合材料都具備高強(qiáng)度、高耐熱、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，為機(jī)動(dòng)管線管材的選擇提供了新思路。

5 結(jié)語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)離不開油料保障，油料保障離不開機(jī)動(dòng)管線，世界各軍事強(qiáng)國(guó)都在大力發(fā)展機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)。然而，機(jī)動(dòng)管線系統(tǒng)的發(fā)展思路應(yīng)該有所改變，在不斷增加管線配套裝備、提高輸油能力和安全性的同時(shí)，更要考慮機(jī)動(dòng)管線的輕量化、系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔化、功能模塊化、包裝集裝化、作業(yè)機(jī)械化、調(diào)度指揮信息化、操作控制智能化以及運(yùn)行管理數(shù)字化等。要實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)管線的輕量化，首先就是管子輕量化，國(guó)內(nèi)外石化行業(yè)領(lǐng)域使用的新材料和新技術(shù)，為機(jī)動(dòng)管線的輕量化提供了可能。輕量化機(jī)動(dòng)管線的研制和應(yīng)用，可有效解決機(jī)動(dòng)管線展開撤收費(fèi)時(shí)費(fèi)力、靈活性差等問題，可有效提高機(jī)動(dòng)管線的輸油能力，真正做到“油料保障，管線先行”。