高压玻璃钢管道制造工艺研究.doc

1、高压玻璃钢管道的历史高压玻璃钢管道是由在缠绕设备上浸渍了高粘结能力的低黏度树脂基体的高强度玻璃纤维按设定的角度和铺层缠绕于芯模上，经固化、脱模、加工制得。其最大特点是优良的耐腐蚀性能、高耐久性和轻质高强。玻璃钢管在油田防腐蚀方面的应用，与其它防腐蚀措施对比，综合成本低，技术经济效益好。玻璃钢管已经成为控制油田腐蚀用量最大、最有前途的非金属管。20世纪50年代中期，纤维缠绕环氧玻璃钢管开始在美国的一些油田应用，相继用于输送管线、油管和套管。80年代初，美国石油学会先后制定了高压玻璃钢线管、油管、套管等相应的API规范；80年代末，又进行了相应的修改。这些规范对石油工业用玻璃钢的材料选用、成型方法等都作了相应的规定，标志着石油行业对高压玻璃钢管的认可，促进了高压玻璃钢管的应用和发展。60年代到80年代是美国油田应用玻璃钢管的高峰期。只要玻璃钢管能承受的压力和温度的场合，都最大限度地取代了钢质管道。由于美国产油量的下降（而不是产品问题或革命性更强的产品出现），86年开始使用量有所回落。总体来说，高压玻璃钢管应用于油田防腐，在发达国家已是应用非常成功的成熟技术。对我国油田来说，它也是非常有前途的技术产品（根据我国和美国玻璃钢发展对比预测：我国应在2010-2020年是使用高峰，现在到2010年是高速增长期）。玻璃钢管为什么具有如此强大的革命力？2、高压玻璃钢管的特点优良的耐腐蚀性能与钢质管道相比，具有优越得多的耐腐蚀性能，如对各种强酸强碱、各种无机盐的溶液、氧化介质、硫化氢、二氧化碳、各种表面活性剂、聚合物溶液、各种有机溶剂等等，只要选择好树脂基体，玻璃钢管都可以长期耐受。耐疲劳性能好，使用寿命长一则是由于其优异的耐腐蚀性能，再则是由于其优良的界面粘结性能，高压玻璃钢管的设计使用寿命大于20年，而实际上，往往在使用了30多年以后还完好无损，并且在其使用寿命内是免维修的。承压能力高高压玻璃钢管的正常压力等级为3.5MPa-25MPa（最高可达35MPa），与其他非金属管道相比，耐压能力高得多，应用面也广得多。耐热性能就目前来说，世界所有商品玻璃钢管的长期使用温度还没有超过115度（玻璃化转变温度160度左右），短期使用温度没有超过135度（Ameron技术）。相对钢质管道来说，耐温性能低得多，是其劣势。但与其他非金属管道相比还算耐热性能好的。比重轻高压玻璃钢管的比重为2.0左右，约为钢管的1/4。故运输方便，安装简单，不需要大型、复杂安装设备。DN100以下的管线只需3个人和一些配套的简单工具即可。不易结垢结蜡、流动阻力小由于玻璃钢管内壁光洁度高及其特殊的化学结构，故蜡微晶非常难以在玻璃钢管内表面析出和长大。其水力学指标哈森威廉斯系数为150。内壁光洁可以降低泵送功率，节约输送能耗。联接方式简捷、强度高高压玻璃钢管采用API5B标准8扣油管圆螺纹接头进行安装连接（2吋以下采用10扣油管圆螺纹），方便快捷，可靠性好。高压玻璃钢管道制造工艺技术研究 1 引言 近年来，我国东部油田多已进入后期开发。为了稳定原油生产，各油田普遍采用注水工艺来增加地层能量，提高产液量，从而达到稳产增产的目的。但是，由于我国淡水资源匮乏，所以在注水工艺中多采用污水回注，根据国内某油田的调查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蚀性物质，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2等，这些物质对金属的平均腐蚀速度为每年11.7mm。长期以来，国内外都在积极开展新材料、新工艺的研究，在二次采油和三次采油过程中使用高压玻璃钢管作为地面油气集积和输送管线，以及井下油管、套管已是屡见不鲜。 为了解决目前各大油田存在的钢管严重腐蚀问题，打破高压玻璃钢管单纯依赖国外技术的现状，我们把高压玻璃钢管道作为一个系统工程，从材料选择、管材（件）制造、质量控制到安装抢修以及售后服务，均制定了一整套完整的工艺。经在油田实际运行证明，我们研制的高压玻璃钢管道完全能够满足油田使用要求，主要性能指标已超过国际先进水平。2 高压玻璃钢管的特点及重点应用领域 采用纤维缠绕工艺制造的高压玻璃钢管与传统的钢管、混凝土管相比，除具备复合材料本身的一些优异特性外，还具有以下特点：（1） 使用寿命长。其设计使用寿命可达到30年至50年；（2） 性能可设计性、产品适用性强。可根据使用工况设计成耐高温（一般最高可达120，选择合适的树脂体系可达到160）、耐高压（一般最高可达25MPa；经过特殊设计，部分型号可达到30MPa），满足一定腐蚀性能要求的产品；（3） 安装、运输方便，免维护。玻璃钢的密度不足钢的1/4，搬运、安装都非常方便，DN100以下的管线只需3个人和一些必备的简单工具即可，工程费用低；（4） 内壁光滑，介质输送阻力小。由于模具表面光洁度高，制成的管道内壁哈森-威廉姆斯系数高达150，且其不结垢的特性使管内壁的光洁度不会随时间而改变；（5） 抗菌性能好，不易寄生有机物。这一点对于二次和三次采油过程中使用的聚合物和微生物驱油技术非常有利；（6） 导热系数小，不足钢的百分之一，保温性能好。 高压玻璃钢管在石油工业主要应用于以下领域： 原油或天然气集积和输送； 化学处理及污水处理管线； 高、中、低压流体输送管线； 盐水注入管线； 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管线； 罐进、出液管及站内管线。 生产井，处理井（盐水、化学流体或污水），注入井（盐水、CO2、聚合物、热等）。 其中-采用高压玻璃钢线管，采用高压玻璃钢油管、套管。3 高压玻璃钢管与钢管的性能比较3.1 物理机械性能 高压玻璃钢管（线管）与钢管的性能比较如表1所示。表1 高压玻璃钢管与钢管的性能比较名称 玻璃钢管 钢管比强度（MPa） 100168 49拉伸强度（MPa） 环向 320 380轴向 160冲击强度（t/m2） 1.5105 2.3105密度（g/cm3） 1.82.1 7.84弹性模量（GPa） 环向 25.2 210103轴向 17.6导热系数（W/m) 0.230.45 54热膨胀系数（m/m/） 1.1210-5 1.2310-5绝对粗糙度（mm） 0.0053 0.046摩阻系数 0.016 0.035Hazen-Willians系数C 150 1203.2 流体性能 高压玻璃钢管与钢管的流体性能对比见图1（图略）。4 高压玻璃钢管制造工艺流程 高压玻璃钢管以高强度的连续无碱无捻粗纱浸渍环氧树脂，采用纤维缠绕工艺制造，主要制造工艺流程如下图2所示（图略）。5 材料选择5.1 增强材料选择增强材料时主要考虑如下几个因素：（1） 所用基体材料的类型；（2） 浸润剂的种类；（3） 设计上的考虑；（4） 缠绕设备；（5） 制品工况；（6） 成本因素。 玻璃纤维在选择时工艺性能非常重要，因为工艺性能的好坏不仅影响产品质量，而且直接影响生产效率，表2 常用玻璃纤维的物理机械性能性 能 玻璃纤维规格（Tex）735 1100 2000偶联剂 硅烷型单丝直径（m） 13.4 16.4 15.6固含量（） 0.55 0.67 0.74拉伸强度(MPa) 23502790 22002700 22102700拉伸模量(GPa) 72.45.2 基体材料（1）树脂体系的选择 纤维的类型、品种及铺层决定了复合材料的极限强度，而树脂基体则通过与增强材料的有效匹配和应力传递作用，使纤维的性能得以充分发挥，从而制造出高性能的复合材料制品。此外，高压玻璃钢管的有些性能如耐高温性能、耐腐蚀性和耐老化性能等，主要由树脂基体决定。环氧树脂和乙烯基酯树脂是制造高压玻璃钢管时常用的树脂基体。环氧树脂具有优异的物理机械性能，在高温下具有优良的性能保持率。同时具有优异的操作性能和加工性能，用它制成的复合材料性能优良，成本低廉。因此，环氧树脂是高压玻璃钢管中应用得最广泛的树脂基体。 环氧树脂中通常含有多个环氧基，它可与多种类型的固化剂反应，生成三维交联结构。可按不同的工艺要求和性能要求选择固化剂。例如，使用胺类固化剂（与液体环氧树脂共用）可得到室温下粘度中等、适用期适中、耐腐蚀性好、高温性能尚可的基体体系。同时，为了达到最佳粘接性能，基体树脂必须在特定的固化制度下固化。酸酐是环氧树脂的另一种常用固化剂。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。为了缩短固化时间，提高固化度，通常引入适当比例的促进剂。针对不同的使用环境，我们设计了三种耐温等级，两种输送介质的常规树脂体系，见下表3。表3 高压玻璃钢管的树脂体系与耐温等级树脂体系 环氧/酸酐 环氧/脂环胺 环氧/芳香胺耐温等级（） 80 95 120输送介质 酸性 碱性注：1.耐温等级为长期使用温度上限； 2.根据输送介质浓度、温度选择相应的树脂体系。表中所列数值只针对某一特定树脂体系。（2）环氧树脂的固化 解决高压玻璃钢管耐渗漏问题关键在于选择合适的材料和制造工艺过程。高压玻璃钢管失效时的环向应力受树脂体系固化程度的影响较大。因为要想提高其耐温等级，即要求有较高的玻璃化转变温度，必然要求有较高的固化程度。但固化度越高，树脂基体的断裂延伸率越低，越难与纤维的断裂伸长相匹配，在进行水压失效压力试验时，树脂基体首先开裂，树脂与纤维逐渐脱开，裂纹进一步扩展，导致管体渗漏，降低了管材的失效压力，进而降低其失效时的环向应力，使纤维的性能得不到充分发挥，因此，应根据设计要求选择合适的固化程度，以满足其性能要求。6 产品规格高压玻璃钢管的基本参数见表4。表4 高压玻璃钢线管的基本参数项 目 数 值公称规格（mm） DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN150 DN200螺纹尺寸（in） 1.900 23/8 27/8 31/2 41/2 7 85/8公称长度（m） 9.144公称压力等级（MPa） PN3.5PN25耐温等级（） 120高压玻璃钢管件的基本参数见表5。表5 高压玻璃钢管件的基本参数项 目 参 数 值公称规格（mm） DN40DN200曲率半径 1DN公称压力等级（Mpa） PN7PN26耐温等级（） 1207 结语 高压玻璃钢管在结构设计上有严格的规范，在材料选择上有较宽的范围，对制造检验过