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(duì)石油和天然氣的需求沒(méi)有止境对轴，這驅(qū)動(dòng)了對(duì)近海資源的開采辟堡，近海資源蘊(yùn)藏得更深， 也更加難以鉆探開發(fā)青竹。受限于海底作業(yè)的立管触晃、管線、管件和其他管道系統(tǒng)俱报， 要應(yīng)對(duì)的負(fù)載皂计、壓力和環(huán)境所帶來(lái)的挑戰(zhàn)更大。而與此同時(shí)哼狰，為了保持在浮式鉆井平臺(tái)和儲(chǔ)存平臺(tái)的額定載重能力之內(nèi)辉九，管道的重量還要盡可能輕。 

總的來(lái)說(shuō)痊追，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(shí)現(xiàn)的開采力祷书。增強(qiáng)塑料，尤其是增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（PEEK+碳纖維）將可能成為答案蛆狱。 

為何選擇熱塑性塑料舔艾？ 

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(shuō)洪囤，目前國(guó)家面臨著能源安全挑戰(zhàn)徒坡， 復(fù)合材料是本行業(yè)得以應(yīng)對(duì)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(qiáng)度瘤缩、韌性喇完、輕量、高耐熱耐壓性剥啤、低流動(dòng)阻力锦溪、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)襯府怯。 

試驗(yàn)證明刻诊，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(jì)90 年代末在挪威誕生的Compipe 由增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管道和非增強(qiáng)熱塑性塑料襯管組成）防楷，因?yàn)楣艿赖闹圃旃に囀且粋€(gè)連續(xù)的加工過(guò)程，而它的固化動(dòng)力學(xué)特性是這種加工過(guò)程的一大障礙坏逢。與此相反域帐，熱塑性塑料能夠適應(yīng)連續(xù)性生產(chǎn)赘被， 因?yàn)闊峁绦圆牧瞎探Y(jié)和硬化問(wèn)題對(duì)熱塑性塑料而言卻并不是問(wèn)題是整。 

Element Hitchin 公司隸屬于一個(gè)合作組織，該組織致力于評(píng)估用于輸油管線的各種不同熱塑性復(fù)合材料的適用性砍篇。玻纖增強(qiáng)聚甲醛（POM）和聚丙烯（PP）在海水中表現(xiàn)良好以叛，而碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）被證實(shí)非常適用于酸性的油氣環(huán)境。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)笛蛋，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)疼喝。（注意：酸性油氣環(huán)境是指油與水、多種化學(xué)品绢拓、反應(yīng)物我值、碳?xì)浠衔锛案碑a(chǎn)物，以及沙子混合然怕，這些物質(zhì)會(huì)影響某些熱塑性塑料的抗?jié)B透性和使用壽命岸零。）

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(zhǎng)度連續(xù)、可繞卷的管道鱼灶，現(xiàn)在竞蹲，許多公司正在針對(duì)石油和天然氣管道主結(jié)構(gòu)的加工工藝性能進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)工作。 

例如信高， 位于荷蘭的Airborne International 有限公司開始采用其號(hào)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)備闸衫，前年已有兩條生產(chǎn)線在其9000 平方米的Ijmuiden 工廠投入運(yùn)行。 

Airborne 公司管道產(chǎn)品的特點(diǎn)是采用兩層玻璃纖維或碳纖維诽嘉，在熔融狀態(tài)下與熱塑性聚合物結(jié)合蔚出，得到完全粘合的實(shí)壁管。這些產(chǎn)品比金屬管更輕更軟虫腋， 同時(shí)也更加易于卷繞和運(yùn)輸身冬，因此比傳統(tǒng)管道部署所需的船只更小。這種管道非常堅(jiān)固岔乔，具有良好的抗內(nèi)壓強(qiáng)度酥筝。它們不會(huì)發(fā)生腐蝕，耐受許多不同的化學(xué)物質(zhì)雏门，也不會(huì)在水中逐漸降解嘿歌。這種管道的管孔平滑，能促進(jìn)液體流動(dòng)茁影，此外宙帝， 它還具有高耐熱性丧凤、抗疲勞性和耐久性的特點(diǎn)。實(shí)際上步脓，材料所表現(xiàn)出的延性（而非脆性）延長(zhǎng)了其使用壽命晰奉。通過(guò)采用同一種熱塑性聚合物生產(chǎn)襯管、復(fù)合材料層空崇，以及管道外套管措抒，為重負(fù)荷管道提供一個(gè)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(lái)說(shuō)居绸，對(duì)于工作在深水域中的高溫高壓立管精克，這就是答案∫虻牵” 

Airborne 公司的獲獎(jiǎng)技術(shù)贏得了巴西國(guó)家石油公司（Petrobras）的青睞硅魁， 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(gè)位于巴西的認(rèn)證項(xiàng)目步鸣，包括Guara 和Lula Northeast 地區(qū)油氣田輸氣項(xiàng)目一條長(zhǎng)2.5 公里的海底管道枯昂。 

在近處的美國(guó)，Oceaneering 公司為Petrobras 生產(chǎn)了數(shù)公里的熱塑性塑料生產(chǎn)控制管纜醒囊，用于其圣埃斯皮里圖盆地（Espirito Santo Basin） 深海油氣田的開采霸瘾。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)境弹惦。具有高抗塌陷強(qiáng)度（HCR）的熱塑性塑料可用于深海中低分子量化學(xué)物質(zhì)的注塑否淤。 

英國(guó)的解決方案 

與此同時(shí)，在英國(guó)的樸茨茅斯棠隐， Magma Global 有限公司即將試行新的產(chǎn)能石抡，并在新條件下生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)PEEK 熱塑性復(fù)合材料管。到目前為止助泽， 該公司已經(jīng)為測(cè)試及研發(fā)生產(chǎn)了長(zhǎng)達(dá)25 米的管道啰扛，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(zhǎng)度的管道，以便繞卷運(yùn)輸及隨后在油氣田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行部署工作嗡贺。 

該公司由Martin Jones 和Damon Roberts 創(chuàng)建于2010 年隐解， 兩人分別是公司的CEO 及技術(shù)總監(jiān)。當(dāng)他們?cè)谄淝叭温毠綢nsensys（ 該公司后為Schlumberger 公司所收購(gòu)）開發(fā)靈敏的光纖設(shè)備來(lái)測(cè)試船桅及其他結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況時(shí)诫睬，就已經(jīng)涉足于石油及天然氣領(lǐng)域煞茫。這對(duì)搭檔在油氣行業(yè)富有經(jīng)驗(yàn)，他們了解管道的載荷工況摄凡，也知道管道技術(shù)的重要改進(jìn)對(duì)未來(lái)的油氣田開發(fā)來(lái)說(shuō)將是必要的续徽。他們?cè)贗nsensys 的經(jīng)歷使他們獲得了專業(yè)的復(fù)合材料知識(shí)，主要來(lái)源于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)先進(jìn)的復(fù)合桅桿蘑慕，通常帶有嵌入式光纖應(yīng)變傳感袒忿，用于高性能的超級(jí)游艇价烘。在Magma 的保護(hù)傘下， 此項(xiàng)業(yè)務(wù)仍在持續(xù)蓖桅。 

從Magma 公司一開始稻漏，他們就認(rèn)定基于碳纖維-PEEK 復(fù)合材料的高端產(chǎn)品將成為較好的解決方案，盡管這兩種原料的成本都非常高昂舍稽。 

正如Roberts 告訴《增強(qiáng)塑料》雜志（Reinforced Plastics）時(shí)所說(shuō)：“我們注意到俗运，市場(chǎng)對(duì)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(shí)出現(xiàn)的高溫應(yīng)用劫丧。因此遣株，低成本原料和低成本制造不是我們的追求蛀家。我們需要一種高規(guī)格的解決方案浊待，它具有制造的精密性、可重復(fù)性和一致性馅溉。碳纖維-PEEK 復(fù)合材料不僅能夠滿足這些要求缔类，而且極其堅(jiān)固和有韌性，我們認(rèn)為它是較好的選擇劲阎』婷耍” 

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)特性悯仙。Magma 公司很典型地采用了一種復(fù)合材料龄毡，它以威格斯公司的PEEK 樹脂為基材，加入高性能碳纖維（來(lái)自東麗公司锡垄，拉伸強(qiáng)度4.9 兆帕）來(lái)增強(qiáng)沦零。雖然高強(qiáng)度中模量碳纖維是主要的增強(qiáng)材料，但在需要高強(qiáng)度和韌性的場(chǎng)合货岭， 可選用另外一些中模量甚至是高模量等級(jí)的碳纖維路操。 

Roberts 及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種專利的制造工藝，能夠結(jié)合這兩種材料千贯，生產(chǎn)連續(xù)長(zhǎng)度超過(guò)2 公里的管道屯仗。這種工藝被描述為：自動(dòng)化的、機(jī)器人操作的搔谴、可擴(kuò)展并且可監(jiān)控的魁袜。該連續(xù)生產(chǎn)過(guò)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)材料成本很高逸渤，但Roberts 主張筛毡，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(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力蕴节。 

正如他所指出的：“我們的管道比鋼材更加柔軟饼尾、更易卷繞挽沧，也更輕。這表示谐昌，此類管道可以使用更小的船只來(lái)運(yùn)輸部署糙官，管道的管理也更加容易。在水中筒啄，這種管道的重量只有鋼制管道的十分之一鱼催。此外，現(xiàn)有技術(shù)存在的可靠性問(wèn)題意味著鋼制管道的裝配和調(diào)試成本總是超過(guò)預(yù)算贤方。所有這些因素影響了相對(duì)成本见毒。此外，管道的部署成本只是一回事献甘，如果你考慮到生命周期成本吴攒， 我們的勝負(fù)比數(shù)將進(jìn)一步增加，因?yàn)槲覀兊牟牧先犴g而耐用砂蔽⊥菡” 

一些具體的管道產(chǎn)品， 包括m-pipe ?和s-pipe ?左驾，都能以連續(xù)可卷繞或者不連續(xù)的長(zhǎng)度進(jìn)行加工镣隶。每段長(zhǎng)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诡右。m-pipe 提供直徑范圍2 英寸至2 英尺的產(chǎn)品安岂，適用于各種立管、管線和臍帶纜帆吻。其在重量輕的同時(shí)還具有高強(qiáng)度和高應(yīng)變特性域那，有助于管道的安裝。

盡管s-pipe 的材料與m-pipe 相似桅锄， 但其定位于小孔徑管道和管道干預(yù)琉雳，通常應(yīng)用的大直徑為3 英寸。據(jù)介紹友瘤，這種管道是具有挑戰(zhàn)性的管道干預(yù)和管道翻新應(yīng)用的理想之選翠肘，可以5、10虏向、15 及20ksi 強(qiáng)度的規(guī)格購(gòu)買档广。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(huì)（Off shore Technology Conference，簡(jiǎn)寫為OTC）上推出皇腮，引起了極大的關(guān)注悄针。

（管道）終端解決方案 

Magma 公司的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)是能夠解決這個(gè)二十年來(lái)阻礙了復(fù)合材料管道應(yīng)用的問(wèn)題，那就是設(shè)計(jì)制造持久有效的管道接頭。為了配合油氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)金屬接口铛邦，需要使用混合的金屬/ 復(fù)合材料終端窃征，而一直以來(lái)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(jì)，比如硬度和熱力性能紫鳄，同時(shí)要能夠在正常的生命周期內(nèi)提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封完整性芳潦。復(fù)合材料管道若想在這個(gè)嚴(yán)峻的近海市場(chǎng)中立于不敗之地， 這種可靠性是必須條件灸蛤。 

近些年來(lái)已經(jīng)提出并嘗試了很多種解決方案鹃漩。在Traplock 法中，管道末端的復(fù)合材料通過(guò)纏繞法加工到內(nèi)襯金屬芯軸表面的溝槽上险毁，即traplock制圈。軸向負(fù)載通過(guò)纏繞及溝槽得到轉(zhuǎn)移。在加工期間畔况，纖維在張力作用下纏繞得到預(yù)加載荷鲸鹦，以便應(yīng)對(duì)復(fù)合材料在張力作用下隨時(shí)間推移而可能產(chǎn)生的蠕變。然而问窃， 預(yù)加的載荷往往會(huì)逐漸減少并導(dǎo)致失效亥鬓，在溫度提高時(shí)尤其如此完沪。 

另一個(gè)缺點(diǎn)是域庇，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覆积。 

另一種設(shè)計(jì)通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)听皿。內(nèi)襯芯軸具有鋸齒狀剖面，與管孔存在過(guò)盈配合宽档，而與外部套筒則是緊密滑動(dòng)配合尉姨。同時(shí)配合使用一個(gè)O 型密封圈使接頭密封住。這種方法的難點(diǎn)在于吗冤，管孔受限于內(nèi)襯芯軸以及堅(jiān)硬的金屬部件與復(fù)合材料在彎曲負(fù)載下產(chǎn)生的壓力卓召。增厚管道末端有助于減輕這種壓力。 

比起大孔徑高壓和動(dòng)態(tài)的應(yīng)用沐虐，這種“異徑終端（swaged end）”的方法被認(rèn)為對(duì)小孔徑軟管產(chǎn)品更具吸引力伶摄。對(duì)后者而言，異徑接頭所需的載荷會(huì)變得大一些阴些。 

由于設(shè)計(jì)可行的管道終端存在這些難點(diǎn)历劣，一些設(shè)計(jì)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佣深。鋼制或鈦制的薄型襯管與金屬接頭焊接起來(lái)根丈，與襯管保持連續(xù)， 無(wú)需使用密封組件。軸向負(fù)載由金屬襯管來(lái)承擔(dān)抹寿，環(huán)向（突發(fā)性）負(fù)載由外部復(fù)合材料套筒的纖維來(lái)承受券听。這種折中方法的缺點(diǎn)包括增加的金屬的重量和成本，以及對(duì)彎曲半徑的限制馆寇，此外隐户，這個(gè)解決方法依賴于接頭處焊接點(diǎn)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姐赡，減少了這種方案原本可能具有的重量?jī)?yōu)勢(shì)莱预。

Magma Global 公司的解決方案與以上諸多方法不同。它的設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)和密封功能分開项滑，開發(fā)了熱塑性塑料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)依沮。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)枪狂，局部增厚了管道的末端部分危喉。該工藝既可用于開始的制造階段，也可用于二次加工過(guò)程州疾。增厚的末端加工成錐形辜限，這種設(shè)計(jì)用于與一個(gè)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(guò)一個(gè)鋼鐵接頭鎖緊管道严蓖，該接頭可與準(zhǔn)備采用的油氣管道接頭緊密配合薄嫡。 

工程師們仔細(xì)計(jì)算了錐度角，以便較好地分散較大負(fù)載颗胡，使軸向運(yùn)動(dòng)減小化毫深，形成徑向預(yù)加載荷，盡量減少?gòu)?fù)合材料的層間剪切應(yīng)力缩毯。交界面的表面是為實(shí)現(xiàn)較佳夾緊度而設(shè)計(jì)的径以，經(jīng)過(guò)精確的加工，可以避免出現(xiàn)過(guò)高的局部壓力察遇。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夺疹，確保了密封的完整性。 

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)包括平滑連續(xù)的管孔遍挚、高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度应康、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炊撕。由于該設(shè)計(jì)并不依靠粘結(jié)表面宠宗， 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(duì)運(yùn)動(dòng)，即使接頭變熱的時(shí)候也是如此秦物。 

Magma 公司的終端系統(tǒng)相對(duì)較輕瓣硼， 價(jià)格實(shí)惠。當(dāng)有必要替換部件時(shí)，終端接頭較為容易拆開聂映、檢查和組裝起便。蠕變問(wèn)題是張力作用下的復(fù)合材料關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題因復(fù)合材料- 金屬交界面的特性而減小窖维，該界面能夠通過(guò)較大的表面區(qū)域來(lái)分散壓力榆综。無(wú)論如何，即使在高溫下铸史，PEEK 都擁有高抗蠕變性能鼻疮。碳纖維增強(qiáng)材料的蠕變特性微不足道，這進(jìn)一步穩(wěn)定了聚合物琳轿。 

大量的物理和有限元分析實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Magma 公司管道/ 終端組合產(chǎn)品的有效性判沟。選擇不同尺寸的管道，并配上Magma 公司的終端接頭以及PEEK 管孔密封崭篡，這受到一系列載荷工況的影響挪哄， 也需要對(duì)熱度、壓力琉闪、彎曲度以及耐疲勞度進(jìn)行評(píng)估迹炼。在油氣安裝過(guò)程中，評(píng)估樣品在操作條件下處于使用狀態(tài)颠毙。 

Magma 公司確信自己已經(jīng)解決了終端接頭的問(wèn)題斯入，這個(gè)問(wèn)題一直以來(lái)與復(fù)合材料管道解決方案如影隨形。該公司相信战凿，其碳纖維-PEEK 熱塑性塑料管可以成為未來(lái)油氣行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)者图漓，在本行業(yè)內(nèi)，金屬管道技術(shù)正掙扎著滿足項(xiàng)目的要求媒龟。從2013 年晚些時(shí)候起，其樸茨茅斯工廠已經(jīng)準(zhǔn)備就緒涧兜， 以滿足市場(chǎng)的需求病囱。