熱塑性復(fù)合材料正在為開采深海石油和天然氣所面臨的挑戰(zhàn)提供潛在的解決方案。

　　人類對石油和天然氣的需求沒有止境，這驅(qū)動了對近海資源的開采，近海資源蘊藏得更深， 也更加難以鉆探開發(fā)。受限于海底作業(yè)的立管、管線、管件和其他管道系統(tǒng)， 要應(yīng)對的負載、壓力和環(huán)境所帶來的挑戰(zhàn)更大。而與此同時，為了保持在浮式鉆井平臺和儲存平臺的額定載重能力之內(nèi)，管道的重量還要盡可能輕。

　　總的來說，物質(zhì)需求已經(jīng)開始超出目前以金屬為主要材質(zhì)的管線技術(shù)所能實現(xiàn)的開采力。增強塑料，尤其是增強熱塑性復(fù)合材料將可能成為答案。

　　為何選擇熱塑性塑料？

　　據(jù)Element Hitchin 公司（MERL， 前Materials Engineering Laboratory公司） 的Rod Martin 博士和Morris Roseman 博士所說，目前國家面臨著能源安全挑戰(zhàn)， 復(fù)合材料是本行業(yè)得以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。復(fù)合材料能夠讓大孔徑管道按需結(jié)合強度、韌性、輕量、高耐熱耐壓性、最小流動阻力、高回彈性和耐久性，使之超越了目前主流的金屬管道所具備的性能——盡管它們經(jīng)常采用聚合物為管道內(nèi)襯。

　　試驗證明，傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料不能較好地替代金屬材料（如19 世紀90 年代末在挪威誕生的Compipe 由增強環(huán)氧樹脂管道和非增強熱塑性塑料襯管組成），因為管道的制造工藝是一個連續(xù)的加工過程，而它的固化動力學(xué)特性是這種加工過程的一大障礙。與此相反，熱塑性塑料能夠適應(yīng)連續(xù)性生產(chǎn)， 因為熱固性材料固結(jié)和硬化問題對熱塑性塑料而言卻并不是問題。

　　Element Hitchin 公司隸屬于一個合作組織，該組織致力于評估用于輸油管線的各種不同熱塑性復(fù)合材料的適用性。玻纖增強聚甲醛（POM）和聚丙烯（PP）在海水中表現(xiàn)良好，而碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）被證實非常適用于酸性的油氣環(huán)境。當環(huán)境溫度升高時，聚苯硫醚（PPS）中的碳纖維在酸性油氣環(huán)境及烴氣濃縮物中均有良好的表現(xiàn)。（注意：酸性油氣環(huán)境是指油與水、多種化學(xué)品、反應(yīng)物、碳氫化合物及副產(chǎn)物，以及沙子混合，這些物質(zhì)會影響某些熱塑性塑料的抗?jié)B透性和使用壽命。）
            

熱塑性復(fù)合材料可以采用鋪帶或纏繞工藝生產(chǎn)出具有長度連續(xù)、可繞卷的管道，現(xiàn)在，許多公司正在針對石油和天然氣管道主結(jié)構(gòu)的加工工藝性能進行相關(guān)的研發(fā)工作。

例如， 位于荷蘭的Airborne International 有限公司開始采用其號稱世界首套的高端全熱塑性復(fù)合材料管件連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，前年已有兩條生產(chǎn)線在其9000 平方米的Ijmuiden 工廠投入運行。

Airborne 公司管道產(chǎn)品的特點是采用兩層玻璃纖維或碳纖維，在熔融狀態(tài)下與熱塑性聚合物結(jié)合，得到完全粘合的實壁管。這些產(chǎn)品比金屬管更輕更軟， 同時也更加易于卷繞和運輸，因此比傳統(tǒng)管道部署所需的船只更小。這種管道非常堅固，具有良好的抗內(nèi)壓強度。它們不會發(fā)生腐蝕，耐受許多不同的化學(xué)物質(zhì)，也不會在水中逐漸降解。這種管道的管孔平滑，能促進液體流動，此外， 它還具有高耐熱性、抗疲勞性和耐久性的特點。實際上，材料所表現(xiàn)出的延性（而非脆性）延長了其使用壽命。通過采用同一種熱塑性聚合物生產(chǎn)襯管、復(fù)合材料層，以及管道外套管，為重負荷管道提供一個單一材料解決方案。

Airborne 公司石油和天然氣部門的商務(wù)總監(jiān)Martin van Onna 斷言：“總的來說，對于工作在最深的水域中的高溫高壓立管，這就是答案。”

Airborne 公司的獲獎技術(shù)贏得了巴西國家石油公司（Petrobras）的青睞， 后者為其近海石油管線選擇了這家公司。Petrobras 公司正與Saipem SA 公司合作一個位于巴西的認證項目，包括Guara 和Lula Northeast 地區(qū)油氣田輸氣項目一條長2.5 公里的海底管道。

在近處的美國，Oceaneering 公司為Petrobras 生產(chǎn)了數(shù)公里的熱塑性塑料生產(chǎn)控制管纜，用于其圣埃斯皮里圖盆地（Espirito Santo Basin） 深海油氣田的開采。Oceaneering 公司生產(chǎn)的軟管孔徑范圍為3 ～ 16 英寸，適用于3000 ～ 15,000psi 的壓力環(huán)境。具有高抗塌陷強度（HCR）的熱塑性塑料可用于深海中低分子量化學(xué)物質(zhì)的注塑。

英國的解決方案

與此同時，在英國的樸茨茅斯， Magma Global 有限公司即將試行新的產(chǎn)能，并在新條件下生產(chǎn)碳纖維增強PEEK 熱塑性復(fù)合材料管。到目前為止， 該公司已經(jīng)為測試及研發(fā)生產(chǎn)了長達25 米的管道，但是在其樸茨茅斯工廠即將投入試行的新生產(chǎn)線則將開始生產(chǎn)具有連續(xù)長度的管道，以便繞卷運輸及隨后在油氣田現(xiàn)場進行部署工作。

該公司由Martin Jones 和Damon Roberts 創(chuàng)建于2010 年， 兩人分別是公司的CEO 及技術(shù)總監(jiān)。當他們在其前任職公司Insensys（ 該公司后為Schlumberger 公司所收購）開發(fā)靈敏的光纖設(shè)備來測試船桅及其他結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況時，就已經(jīng)涉足于石油及天然氣領(lǐng)域。這對搭檔在油氣行業(yè)富有經(jīng)驗，他們了解管道的載荷工況，也知道管道技術(shù)的重要改進對未來的油氣田開發(fā)來說將是必要的。他們在Insensys 的經(jīng)歷使他們獲得了專業(yè)的復(fù)合材料知識，主要來源于設(shè)計和生產(chǎn)先進的復(fù)合桅桿，通常帶有嵌入式光纖應(yīng)變傳感，用于高性能的超級游艇。在Magma 的保護傘下， 此項業(yè)務(wù)仍在持續(xù)。

從Magma 公司一開始，他們就認定基于碳纖維-PEEK 復(fù)合材料的高端產(chǎn)品將成為最佳解決方案，盡管這兩種原料的成本都非常高昂。

正如Roberts 告訴《增強塑料》雜志（Reinforced Plastics）時所說：“我們注意到，市場對適用于深海應(yīng)用的管道產(chǎn)品有著明確的需求，現(xiàn)有材料不足以滿足高壓及有時出現(xiàn)的高溫應(yīng)用。因此，低成本原料和低成本制造不是我們的追求。我們需要一種高規(guī)格的解決方案，它具有制造的精密性、可重復(fù)性和一致性。碳纖維-PEEK 復(fù)合材料不僅能夠滿足這些要求，而且極其堅固和有韌性，我們認為它是最佳的選擇。”

PEEK 材料的玻璃化溫度Tg 是143℃，且能在200℃保持很好的結(jié)構(gòu)特性。Magma 公司很典型地采用了一種復(fù)合材料，它以威格斯公司的PEEK 樹脂為基材，加入高性能碳纖維（來自東麗公司，拉伸強度4.9 兆帕）來增強。雖然高強度中模量碳纖維是主要的增強材料，但在需要最高強度和韌性的場合， 可選用另外一些中模量甚至是高模量等級的碳纖維。

Roberts 及其團隊研發(fā)了一種專利的制造工藝，能夠結(jié)合這兩種材料，生產(chǎn)連續(xù)長度超過2 公里的管道。這種工藝被描述為：自動化的、機器人操作的、可擴展并且可監(jiān)控的。該連續(xù)生產(chǎn)過程能夠獲得很高的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)一致性。
雖然基礎(chǔ)材料成本很高，但Roberts 主張，與其他技術(shù)尤其是與以鋼材為原料的管道相比較，其管道部署成本正越來越具有競爭力。

正如他所指出的：“我們的管道比鋼材更加柔軟、更易卷繞，也更輕。這表示，此類管道可以使用更小的船只來運輸部署，管道的管理也更加容易。在水中，這種管道的重量只有鋼制管道的十分之一。此外，現(xiàn)有技術(shù)存在的可靠性問題意味著鋼制管道的裝配和調(diào)試成本總是超過預(yù)算。所有這些因素影響了相對成本。此外，管道的部署成本只是一回事，如果你考慮到生命周期成本， 我們的勝負比數(shù)將進一步增加，因為我們的材料柔韌而耐用。”

一些具體的管道產(chǎn)品， 包括m-pipe ™和s-pipe ™，都能以連續(xù)可卷繞或者不連續(xù)的長度進行加工。每段長度都裝配有管道接頭，并在需要的地方安裝上法蘭和螺紋接口。m-pipe 提供直徑范圍2 英寸至2 英尺的產(chǎn)品，適用于各種立管、管線和臍帶纜。其在重量輕的同時還具有高強度和高應(yīng)變特性，有助于管道的安裝。
            
       盡管s-pipe 的材料與m-pipe 相似， 但其定位于小孔徑管道和管道干預(yù)，通常應(yīng)用的最大直徑為3 英寸。據(jù)介紹，這種管道是具有挑戰(zhàn)性的管道干預(yù)和管道翻新應(yīng)用的理想之選，可以5、10、15 及20ksi 強度的規(guī)格購買。這款產(chǎn)品前年在德克薩斯州休斯敦舉辦的近海技術(shù)研討會（Off shore Technology Conference，簡寫為OTC）上推出，引起了極大的關(guān)注。
                     
      （管道）終端解決方案

Magma 公司的一個特殊優(yōu)勢是能夠解決這個二十年來阻礙了復(fù)合材料管道應(yīng)用的問題，那就是設(shè)計制造持久有效的管道接頭。為了配合油氣行業(yè)的標準金屬接口，需要使用混合的金屬/ 復(fù)合材料終端，而一直以來的難題是開發(fā)一種能夠適應(yīng)材料間基本差異的產(chǎn)品設(shè)計，比如硬度和熱力性能，同時要能夠在正常的生命周期內(nèi)提供足夠的結(jié)構(gòu)強度和密封完整性。復(fù)合材料管道若想在這個嚴峻的近海市場中立于不敗之地， 這種可靠性是必須條件。

近些年來已經(jīng)提出并嘗試了很多種解決方案。在Traplock 法中，管道末端的復(fù)合材料通過纏繞法加工到內(nèi)襯金屬芯軸表面的溝槽上，即traplock。軸向負載通過纏繞及溝槽得到轉(zhuǎn)移。在加工期間，纖維在張力作用下纏繞得到預(yù)加載荷，以便應(yīng)對復(fù)合材料在張力作用下隨時間推移而可能產(chǎn)生的蠕變。然而， 預(yù)加的載荷往往會逐漸減少并最終導(dǎo)致失效，在溫度提高時尤其如此。

另一個缺點是，終端接頭與管道襯管的粘結(jié)力可能不夠可靠，甚至彈性體密封件也可能失效。

另一種設(shè)計通過將復(fù)合材料管道末端夾緊在金屬芯軸和外部元件之間來實現(xiàn)。內(nèi)襯芯軸具有鋸齒狀剖面，與管孔存在過盈配合，而與外部套筒則是緊密滑動配合。同時配合使用一個O 型密封圈使接頭密封住。這種方法的難點在于，管孔受限于內(nèi)襯芯軸以及堅硬的金屬部件與復(fù)合材料在彎曲負載下產(chǎn)生的壓力。增厚管道末端有助于減輕這種壓力。

比起大孔徑高壓和動態(tài)的應(yīng)用，這種“異徑終端（swaged end）”的方法被認為對小孔徑軟管產(chǎn)品更具吸引力。對后者而言，異徑接頭所需的載荷會變得大一些。

由于設(shè)計可行的管道終端存在這些難點，一些設(shè)計者提倡使用混合材料解決方案，整條管道由復(fù)合材料套筒和金屬襯管組成。鋼制或鈦制的薄型襯管與金屬接頭焊接起來，與襯管保持連續(xù)， 無需使用密封組件。軸向負載由金屬襯管來承擔(dān)，環(huán)向（突發(fā)性）負載由外部復(fù)合材料套筒的纖維來承受。這種折中方法的缺點包括增加的金屬的重量和成本，以及對彎曲半徑的限制，此外，這個解決方法絕對地依賴于接頭處焊接點的完整性。金屬襯管所必須采用的腐蝕余量令管道變得更厚，減少了這種方案原本可能具有的重量優(yōu)勢。
                        

Magma Global 公司的解決方案與以上諸多方法不同。它的設(shè)計將結(jié)構(gòu)和密封功能分開，開發(fā)了熱塑性塑料的獨特優(yōu)勢。然而已經(jīng)提出的解決方案大多采用熱固性材料， 結(jié)合碳纖維-PEEK 復(fù)合材料及Magma 公司為這種材料所研發(fā)的制造技術(shù)，局部增厚了管道的末端部分。該工藝既可用于最初的制造階段，也可用于二次加工過程。增厚的末端加工成錐形，這種設(shè)計用于與一個由液壓工具繞管道末端夾緊的金屬圈的內(nèi)剖面相配合。該結(jié)構(gòu)通過一個鋼鐵接頭鎖緊管道，該接頭可與準備采用的油氣管道接頭緊密配合。

工程師們仔細計算了錐度角，以便最好地分散最大負載，使軸向運動最小化，形成徑向預(yù)加載荷，最小化復(fù)合材料的層間剪切應(yīng)力。交界面的表面是為實現(xiàn)最佳夾緊度而設(shè)計的，經(jīng)過精確的加工，可以避免出現(xiàn)過高的局部壓力。置于管道內(nèi)表面和鋼制接頭之間的PEEK 或不銹鋼管孔密封件，確保了密封的完整性。

這種設(shè)計的優(yōu)勢包括平滑連續(xù)的管孔、高的結(jié)構(gòu)強度、耐疲勞度和密封完整性。增厚的管道末端能承受住大的彎曲載荷。由于該設(shè)計并不依靠粘結(jié)表面， 它可以適應(yīng)鋼圈與復(fù)合材料管道之間一些較小的相對運動，即使接頭變熱的時候也是如此。

Magma 公司的終端系統(tǒng)相對較輕， 價格實惠。當有必要替換部件時，終端接頭較為容易拆開、檢查和組裝。蠕變問題是張力作用下的復(fù)合材料最為關(guān)鍵的設(shè)計問題，這個問題因復(fù)合材料- 金屬交界面的特性而減至最小，該界面能夠通過較大的表面區(qū)域來分散壓力。無論如何，即使在高溫下，PEEK 都擁有高抗蠕變性能。碳纖維增強材料的蠕變特性微不足道，這進一步穩(wěn)定了聚合物。

大量的物理和有限元分析實驗證實了Magma 公司管道/ 終端組合產(chǎn)品的有效性。選擇不同尺寸的管道，并配上Magma 公司的終端接頭以及PEEK 管孔密封，這受到一系列載荷工況的影響， 也需要對熱度、壓力、彎曲度以及耐疲勞度進行評估。在油氣安裝過程中，評估樣品在操作條件下處于使用狀態(tài)。

Magma 公司確信自己已經(jīng)解決了終端接頭的問題，這個問題一直以來與復(fù)合材料管道解決方案如影隨形。該公司相信，其碳纖維-PEEK 熱塑性塑料管可以成為未來油氣行業(yè)發(fā)展的重要推動者，在本行業(yè)內(nèi)，金屬管道技術(shù)正掙扎著滿足項目的要求。從2013 年晚些時候起，其樸茨茅斯工廠已經(jīng)準備就緒， 以滿足市場的需求。