孫久亮 肖道榮
(北京博凱恒大休閑設(shè)備有限公司100086
北京玻璃鋼研究設(shè)計院 102101)
摘要：本文重點介紹了制造高壓玻璃鋼管的制造工藝過程，并簡要介紹了應(yīng)用高壓玻璃鋼管的必要性和在油田推廣使用中的意義。
關(guān)鍵詞：高壓 玻璃鋼 管道
Research of High Pressure FRP Pipe Manufacture
Process and Technology
Sun Jiuliang Xiao Daorong
(Beijing Glory(china)Sci-Tech Corporation 100086
Beijing FRP Research & Design Institute 102101)
ABSTRACT ：The process of high-pressure FRP pipe
manufacture are mainly introduced in this paper; the significance and
necessary of spread application in oilfield are also summarized.
KEYWORDS： High Pressure FRP Pipe
1 引言
近年來，我國東部油田多已進入后期開發(fā)。為了穩(wěn)定原油生產(chǎn)，各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量，提高產(chǎn)液量，從而達到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。但是，由于我國淡水資源匱乏，所以在注水工藝中多采用污水回注，根據(jù)國內(nèi)某油田的調(diào)查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，這些物質(zhì)對金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長期以來，國內(nèi)外都在積極開展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過程中使用高壓玻璃鋼管作為地面油氣集積和輸送管線，以及井下油管、套管已是屢見不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管嚴重腐蝕問題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國外技術(shù)的現(xiàn)狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個系統(tǒng)工程，從材料選擇、管材（件）制造、質(zhì)量控制到安裝搶修以及售后服務(wù)，均制定了一整套完整的工藝。經(jīng)在油田實際運行證明，我們研制的高壓玻璃鋼管道完全能夠滿足油田使用要求，主要性能指標已超過國際先進水平。
2
高壓玻璃鋼管的特點及重點應(yīng)用領(lǐng)域
采用纖維纏繞工藝制造的高壓玻璃鋼管與傳統(tǒng)的鋼管、混凝土管相比，除具備復(fù)合材料本身的一些優(yōu)異特性外，還具有以下特點：
（1）
使用壽命長。其設(shè)計使用壽命可達到30年至50年；
（2）
性能可設(shè)計性、產(chǎn)品適用性強。可根據(jù)使用工況設(shè)計成耐高溫（一般最高可達120℃，選擇合適的樹脂體系可達到160℃）、耐高壓（一般最高可達25MPa；經(jīng)過特殊設(shè)計，部分型號可達到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產(chǎn)品；
（3）
安裝、運輸方便，免維護。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個人和一些必備的簡單工具即可，工程費用低；
（4）
內(nèi)壁光滑，介質(zhì)輸送阻力小。由于模具表面光潔度高，制成的管道內(nèi)壁哈森-威廉姆斯系數(shù)高達150，且其不結(jié)垢的特性使管內(nèi)壁的光潔度不會隨時間而改變；
（5）
抗菌性能好，不易寄生有機物。這一點對于二次和三次采油過程中使用的聚合物和微生物驅(qū)油技術(shù)非常有利；
（6）
導(dǎo)熱系數(shù)小，不足鋼的百分之一，保溫性能好。
高壓玻璃鋼管在石油工業(yè)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
⑴ 原油或天然氣集積和輸送；
⑵ 化學處理及污水處理管線；
⑶ 高、中、低壓流體輸送管線；
⑷ 鹽水注入管線；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管線；
⑹ 罐進、出液管及站內(nèi)管線。
⑺
生產(chǎn)井，處理井（鹽水、化學流體或污水），注入井（鹽水、CO2、聚合物、熱等）。
其中⑴--⑹采用高壓玻璃鋼線管，⑺采用高壓玻璃鋼油管、套管。
3 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
3.1 物理機械性能
高壓玻璃鋼管（線管）與鋼管的性能比較如表1所示。
表1 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
名稱 玻璃鋼管 鋼管
比強度（MPa） 100~168 49
拉伸強度（MPa） 環(huán)向 320 380
軸向 160
沖擊強度（t/m2） 1.5×105 2.3×105
密度（g/cm3） 1.8~2.1 7.84
彈性模量（GPa） 環(huán)向 25.2 210×103
軸向 17.6
導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃) 0.23~0.45 54
熱膨脹系數(shù)（m/m/℃） 1.12×10-5 1.23×10-5
絕對粗糙度（mm） 0.0053 0.046
摩阻系數(shù) 0.016 0.035
Hazen-Willians系數(shù)C 150 120
3.2 流體性能
高壓玻璃鋼管與鋼管的流體性能對比見圖1。
圖1 哈森-威廉姆斯系數(shù)（C值）對比
4 高壓玻璃鋼管制造工藝流程
高壓玻璃鋼管以高強度的連續(xù)無堿無捻粗紗浸漬環(huán)氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，主要制造工藝流程如下圖2所示。
圖2 高壓玻璃鋼管制造工藝流程圖
5 材料選擇
5.1 增強材料
選擇增強材料時主要考慮如下幾個因素：
（1） 所用基體材料的類型；
（2） 浸潤劑的種類；
（3） 設(shè)計上的考慮；
（4） 纏繞設(shè)備；
（5） 制品工況；
（6） 成本因素。
玻璃纖維在選擇時工藝性能非常重要，因為工藝性能的好壞不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響生產(chǎn)效率，
表2 常用玻璃纖維的物理—機械性能
性 能 玻璃纖維規(guī)格（Tex）
735 1100 2000
偶聯(lián)劑 硅烷型
單絲直徑（μm）
13.4 16.4 15.6
固含量（％） 0.55 0.67 0.74
拉伸強度(MPa) 2350～2790 2200～2700 2210～2700
拉伸模量(GPa) 72.4
5.2 基體材料
（1）樹脂體系的選擇
纖維的類型、品種及鋪層決定了復(fù)合材料的極限強度，而樹脂基體則通過與增強材料的有效匹配和應(yīng)力傳遞作用，使纖維的性能得以充分發(fā)揮，從而制造出高性能的復(fù)合材料制品。此外，高壓玻璃鋼管的有些性能如耐高溫性能、耐腐蝕性和耐老化性能等，主要由樹脂基體決定。
環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂是制造高壓玻璃鋼管時常用的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的物理機械性能，在高溫下具有優(yōu)良的性能保持率。同時具有優(yōu)異的操作性能和加工性能，用它制成的復(fù)合材料性能優(yōu)良，成本低廉。因此，環(huán)氧樹脂是高壓玻璃鋼管中應(yīng)用得最廣泛的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂中通常含有多個環(huán)氧基，它可與多種類型的固化劑反應(yīng)，生成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。可按不同的工藝要求和性能要求選擇固化劑。例如，使用胺類固化劑（與液體環(huán)氧樹脂共用）可得到室溫下粘度中等、適用期適中、耐腐蝕性好、高溫性能尚可的基體體系。同時，為了達到最佳粘接性能，基體樹脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環(huán)氧樹脂的另一種常用固化劑。常用的有MeTHPA,
MeHHPA,MNA等。為了縮短固化時間，提高固化度，通常引入適當比例的促進劑。
針對不同的使用環(huán)境，我們設(shè)計了三種耐溫等級，兩種輸送介質(zhì)的常規(guī)樹脂體系，見下表3。
表3
高壓玻璃鋼管的樹脂體系與耐溫等級
樹脂體系 環(huán)氧/酸酐 環(huán)氧/脂環(huán)胺
環(huán)氧/芳香胺
耐溫等級（℃） 80 95 120
輸送介質(zhì) 酸性 堿性
注：1.耐溫等級為長期使用溫度上限；
2.根據(jù)輸送介質(zhì)濃度、溫度選擇相應(yīng)的樹脂體系。表中所列數(shù)值只針對某一特定樹脂體系。
（2）環(huán)氧樹脂的固化
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問題關(guān)鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過程。
高壓玻璃鋼管失效時的環(huán)向應(yīng)力受樹脂體系固化程度的影響較大。因為要想提高其耐溫等級，即要求有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，必然要求有較高的固化程度。但固化度越高，樹脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長相匹配，在進行水壓失效壓力試驗時，樹脂基體首先開裂，樹脂與纖維逐漸脫開，裂紋進一步擴展，導(dǎo)致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進而降低其失效時的環(huán)向應(yīng)力，使纖維的性能得不到充分發(fā)揮，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求選擇合適的固化程度，以滿足其性能要求。
6 產(chǎn)品規(guī)格
高壓玻璃鋼管的基本參數(shù)見表4。
表4 高壓玻璃鋼線管的基本參數(shù)
項 目 數(shù) 值
公稱規(guī)格（mm） DN40 DN50 DN65 DN80 DN100
DN150 DN200
螺紋尺寸（in） 1.900 23/8 27/8 31/2 41/2 7
85/8
公稱長度（m） 9.144
公稱壓力等級（MPa） PN3.5～PN25
耐溫等級（℃） ～120
高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)見表5。
表5 高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)
項 目 參 數(shù) 值
公稱規(guī)格（mm） DN40～DN200
曲率半徑 ≥1DN
公稱壓力等級（Mpa） PN7～PN26
耐溫等級（℃） ～120
7 結(jié)語
高壓玻璃鋼管在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有嚴格的規(guī)范，在材料選擇上有較寬的范圍，對制造檢驗過程要求均較高，我們研制的高壓玻璃鋼管道工藝技術(shù)和安裝技術(shù)已經(jīng)通過一系列試驗與生產(chǎn)考核，目前相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)用于油田生產(chǎn)中，技術(shù)性能指標滿足實際使用需求。API標準規(guī)定進行100％的工廠內(nèi)水壓檢驗，主要是因為對于油田生產(chǎn)而言，管材的質(zhì)量和制造水平具有重大意義。高壓玻璃鋼管在解決鋼管線穿孔腐蝕、節(jié)能降耗等方面必將發(fā)揮重要作用。隨著各生產(chǎn)廠家的制造工藝水平和用戶認知程度的提高，以及質(zhì)量保證體系的進一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
注：文中的數(shù)據(jù)部分是我們實際測試所得，同時我們還參照了國內(nèi)外相關(guān)廠家的試驗報告和產(chǎn)品說明書的有些數(shù)據(jù)，在此表示感謝。讀者若對相關(guān)事宜感興趣，歡迎來信來電共同探討，以期推動我國高壓玻璃鋼管道的健康快速發(fā)展，使之更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟發(fā)展需要。聯(lián)系人：孫久亮
電話：13911692162 E-mail:sjl5218@sohu.com
參考文獻：（略）