摘要：本文重點(diǎn)介紹了制造高壓玻璃鋼管的制造工藝過(guò)程，并簡(jiǎn)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。
1 引言
近年來(lái)，我國(guó)東部油田多已進(jìn)入后期開(kāi)發(fā)。為了穩(wěn)定原油生產(chǎn)，各油田普遍采用注水工藝來(lái)增加地層能量，提高產(chǎn)液量，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。但是，由于我國(guó)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(guó)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(duì)金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在積極開(kāi)展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過(guò)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(jiàn)不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管?chē)?yán)重腐蝕問(wèn)題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國(guó)外技術(shù)的現(xiàn)狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個(gè)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(shí)際運(yùn)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(biāo)已超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平。
2 高壓玻璃鋼管的特點(diǎn)及重點(diǎn)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(diǎn)：
（1） 使用壽命長(zhǎng)。其設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)到30年至50年；
（2） 性能可設(shè)計(jì)性、產(chǎn)品適用性強(qiáng)。可根據(jù)使用工況設(shè)計(jì)成耐高溫（一般最高可達(dá)120℃，選擇合適的樹(shù)脂體系可達(dá)到160℃）、耐高壓（一般最高可達(dá)25MPa；經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，部分型號(hào)可達(dá)到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產(chǎn)品；
（3） 安裝、運(yùn)輸方便，免維護(hù)。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運(yùn)、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個(gè)人和一些必備的簡(jiǎn)單工具即可，工程費(fèi)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(dá)150，且其不結(jié)垢的特性使管內(nèi)壁的光潔度不會(huì)隨時(shí)間而改變；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有機(jī)物。這一點(diǎn)對(duì)于二次和三次采油過(guò)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(xué)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(jìn)、出液管及站內(nèi)管線。
⑺ 生產(chǎn)井，處理井（鹽水、化學(xué)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(jī)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(chēng) 玻璃鋼管 鋼管
比強(qiáng)度（MPa） 100~168 49
拉伸強(qiáng)度（MPa） 環(huán)向 320 380
軸向 160
沖擊強(qiáng)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(duì)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(duì)比.
4 高壓玻璃鋼管制造工藝流程
高壓玻璃鋼管以高強(qiáng)度的連續(xù)無(wú)堿無(wú)捻粗紗浸漬環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)材料
選擇增強(qiáng)材料時(shí)主要考慮如下幾個(gè)因素：
（1） 所用基體材料的類(lèi)型；
（2） 浸潤(rùn)劑的種類(lèi)；
（3） 設(shè)計(jì)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(shí)工藝性能非常重要，因?yàn)楣に囆阅艿暮脡牟粌H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(jī)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(qiáng)度(MPa) 2350～2790 2200～2700 2210～2700
拉伸模量(GPa) 72.4
5.2 基體材料
（1）樹(shù)脂體系的選擇
纖維的類(lèi)型、品種及鋪層決定了復(fù)合材料的極限強(qiáng)度，而樹(shù)脂基體則通過(guò)與增強(qiáng)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(shù)脂基體決定。
環(huán)氧樹(shù)脂和乙烯基酯樹(shù)脂是制造高壓玻璃鋼管時(shí)常用的樹(shù)脂基體。
環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，在高溫下具有優(yōu)良的性能保持率。同時(shí)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(shù)脂是高壓玻璃鋼管中應(yīng)用得最廣泛的樹(shù)脂基體。
環(huán)氧樹(shù)脂中通常含有多個(gè)環(huán)氧基，它可與多種類(lèi)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(lèi)固化劑（與液體環(huán)氧樹(shù)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(shí)，為了達(dá)到最佳粘接性能，基體樹(shù)脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環(huán)氧樹(shù)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(shí)間，提高固化度，通常引入適當(dāng)比例的促進(jìn)劑。
針對(duì)不同的使用環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種耐溫等級(jí)，兩種輸送介質(zhì)的常規(guī)樹(shù)脂體系，見(jiàn)下表3。
表3 高壓玻璃鋼管的樹(shù)脂體系與耐溫等級(jí)
樹(shù)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(jí)（℃） 80 95 120
輸送介質(zhì) 酸性 堿性
注：1.耐溫等級(jí)為長(zhǎng)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(shù)脂體系。表中所列數(shù)值只針對(duì)某一特定樹(shù)脂體系。
（2）環(huán)氧樹(shù)脂的固化
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問(wèn)題關(guān)鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過(guò)程。
高壓玻璃鋼管失效時(shí)的環(huán)向應(yīng)力受樹(shù)脂體系固化程度的影響較大。因?yàn)橐胩岣咂淠蜏氐燃?jí)，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(shù)脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長(zhǎng)相匹配，在進(jìn)行水壓失效壓力試驗(yàn)時(shí)，樹(shù)脂基體首先開(kāi)裂，樹(shù)脂與纖維逐漸脫開(kāi)，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進(jìn)而降低其失效時(shí)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(jì)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(jiàn)表4。
表4 高壓玻璃鋼線管的基本參數(shù)
項(xiàng) 目 數(shù) 值
公稱(chēng)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(chēng)長(zhǎng)度（m） 9.144
公稱(chēng)壓力等級(jí)（MPa） PN3.5～PN25
耐溫等級(jí)（℃） ～120
高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)見(jiàn)表5。
表5 高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)
項(xiàng) 目 參 數(shù) 值
公稱(chēng)規(guī)格（mm） DN40～DN200
曲率半徑 ≥1DN
公稱(chēng)壓力等級(jí)（Mpa） PN7～PN26
耐溫等級(jí)（℃） ～120
7 結(jié)語(yǔ)
高壓玻璃鋼管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格的規(guī)范，在材料選擇上有較寬的范圍，對(duì)制造檢驗(yàn)過(guò)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(guò)一系列試驗(yàn)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(biāo)滿足實(shí)際使用需求。API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100％的工廠內(nèi)水壓檢驗(yàn)，主要是因?yàn)閷?duì)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(rèn)知程度的提高，以及質(zhì)量保證體系的進(jìn)一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
