芳纶纤维增强塑料管在油气管网中的应用.doc

芳纶纤维增强塑料管在油气管网中的应用季明慧(南京航天晨光股份有限公司)季明慧：芳纶纤维增强塑料管在油气管网中的应用，油气储运，2004,23(12)5759,摘 要：在一些发达国家，芳纶纤维增强塑料管已在油气管网工程中得到成功应用。从技术和经济两个方面描述了芳纶纤维增强塑料管的工程特点以及发展动态，旨在为我国油气输送管材的发展提供借鉴。主题词：芳纶纤维 增强塑料管 油气管网 应用 展望一、概 述复合材料应用技术的发展，有效推动了高性能增强塑料管材的应用开发。玻璃纤维增强塑酯管已广泛应用于化工等行业以输送腐蚀性介质。小口径聚酯纤维和芳纶纤维增强塑料管在汽车制造、工程机械、医疗机械、食品机械等行业深受欢迎。钢塑复合增强管已在市政建设等领域发挥重要作用。多层钢骨架增强塑料管(亦称海洋软管)以其优越的承载能力和较高的可靠性，已成功应用于海洋油气开发。上世纪末，作为油气输送管材的新成员，芳纶纤维增强塑料管已在一些发达国家应用推广，并引起国内外油气储运行业的普遍关注。增强塑料管根据其结构和材质的不同，可以适用于不同的使用场合。对于某一特定的增强塑料管，一般都要根据具体的使用要求专门设计。在产品的制造上大多采用缠绕或编织工艺与塑料加工工艺相结合，将管材加工成多层复合结构。例如海洋软管，它是在挤出塑料内管上多层缠绕不同截面形状的钢带和钢条，每层金属层根据其材质、截面形状和缠绕角的不同，分别承受管道的内压、外压、纵向拉伸以及各种动载荷，各层间的聚酯材料也要根据其功能分工来选定，以达到管材优良的综合性能。与其它增强塑料管相比，芳纶纤维增强塑料管有其独特的综合性能，它重量轻、强度高、抗腐蚀、耐疲劳、柔性好，可以满足更为广泛的使用要求。这种管材一般为三层结构，内层为聚乙烯管，中间层为芳纶纤维增强层，外层为聚乙烯保护层。内层聚乙烯管具有足够的径向刚度和防渗透性，对增强层起到支撑作用并承受外压;中间层是管材的承力构件，它几乎吸收由内压引起的全部应力;外层聚乙烯保护层用以抵挡管道的外部损伤，对管道起到保护作用。芳纶纤维是一种高性能的有机高分子纤维。它强度高，韧性好，模量高，密度低，耐腐蚀，热稳定性好，拉伸强度可以达到2800N/mm2，断裂延伸率为3.8%，耐有机物，如乙醇、汽油以及各种油品，二氧化碳、甲烷等气体对芳纶纤维的强度几乎没有影响，除少数几种强酸和强碱外(如硫酸、氢氧化钠等)，芳纶纤维有很好的耐化学药品性。它的比强度为钢丝的5倍以上，在空气中的分解温度高达400以上二、芳纶增强塑料管的制造技术目前，全球已有多家公司生产制造芳纶增强塑料管，产品口径为50-250mm，最大工作压力为3.5-10.0MPa，最高工作温度为65C，服务寿命为50年。各厂家产品的主要区别是制造工艺和接头形式有所不同。目前，管材结构形式主要有粘接式和非粘接式两种。粘接式就是先将芳纶纤维经塑料挤出加工成复合增强带，然后再把复合增强带缠绕于内、外管之间，层间相互熔接。非粘接式就是将芳纶纤维编织加工成增强带，再把增强带缠绕于内、外管之间，层间不相互熔接。接头也有机械扣压式接头和电熔套筒式接头两种。机械扣压式接头是通过一个金属内衬和金属套筒经机械挤压加工将管端树酯压缩变形，使管端树酯与金属内衬管和金属套筒间形成压力达到密封和固定，金属内衬可以通过螺纹或法兰与管系相连;电熔套筒式接头是将内管对接熔焊后，再用塑料增强套筒加焊于对接焊缝上，这种方式主要用于管对管的连接，当需要法兰连接时，可以将增强套筒做成法兰座的形式。熔焊工艺与管对管形式类同。无论采取哪种接头形式，只有在管道承受内压时才能吸收并传递管道的轴向给定负荷。管材的生产可以是在一条多工位生产线上连续生产，也可以按工艺阶段分步生产。口径为180mm以下的芳纶纤维增强塑料管采用连续生产方式生产，可成卷供应。为了道路运输的便利，通常卷轴直径不得超过4m。对于较大直径的管道，按给定尺寸供应。三、应用特点目前，油气输送管网仍以钢管为主，但钢管的腐蚀问题相当严重，已成为油气储运行业重要的成本负担。在欧、美等一些国家，由于塑料管材优越的耐腐蚀性，在0.4MPa以下的低压燃气分配管道上塑料管材已基本取代了钢管。我国在这一领域的使用率也已经达到了30%以上，并逐年快速增加。但压力在0.41.6MPa之间的塑料管材市场份额不大，主要原因是普通塑料管材的承载能力不高。芳纶纤维增强塑料管解决了塑料管材的承载能力问题，一些石油天然气公司对此产生了极大的兴趣，2000年，阿曼石油发展公司将芳纶纤维增强塑料管应用于输油管道，管道的容许输送压力为6MPa。在随后的两年间，荷兰、科威特、沙特阿拉伯等国的一些石油公司也开始在油气管网中应用芳纶纤维增强塑料管。在地处寒冷的俄罗斯，Gaspro石油公司成功地将芳纶纤维增强塑料管应用于冻土地带的天然气管道和油田的集输管道，德国Veenker公司还将芳纶纤维增强塑料管成功引人天然气输送工程和管道修复工程。国际JIP组织针对芳纶纤维增强塑料管组织了一项联合研究活动，打算将该增强塑料管尽快引入海上油气开发工程。对于成卷供应的芳纶纤维增强塑料管，在安装中将显露出明显的经济优势，它重量轻，单根长度长，安装时不需要大型悬臂吊机等重型机械，也不需要过多的接头零件和复杂的安装工艺。例如1400m长的管道只需要1对接头，而钢管每12m或18m就需要1个接头。钢管铺设过程中需要挖沟、铺设管道、配管、安装、填埋等，由于大量的安装工作需要在沟槽内进行，沟槽的宽度要远宽于铺设芳纶纤维增强塑料管的沟槽。芳纶纤维增强塑料管还可以用自走式挖沟机自动铺设，开沟、铺设、填埋一次完成。采用这种铺设方式，每小时可以铺设200m, 铺设效率远高于钢管，除了节约铺设成本外，较高的时间效率对于受自然环境条件影响大或进度要求高的工程将十分有利。芳纶增强塑料管的弯曲刚度较小，改变铺设方向非常容易，能够适应较复杂的地理环境和减少管道的有效长度。此外，这种管道具有优越的防腐能力，不需要防腐保护措施。塑料管内表面光滑、不宜结垢，流动阻力小，运行成本低。尽管这种管道本身的制造成本要高于钢管，但它的综合使用成本要远低于钢管。德国Veenker公司曾对1条长4km、直径为150mm的管道初始安装成本做了比较，用芳纶纤维增强塑料管比用钢管节省30的初始投资，再加上钢管高昂的使用维护成本和较短的使用寿命，芳纶增强塑料管的使用经济性十分明显。2000年，德国一家油气储运公司作了将芳纶纤维增强塑料管作为燃气输送管道修复工程中内衬管的应用试验，输送介质为含硫化氢的湿式天然气。将内径为75mm、工作压力为10MPa的芳纶纤维增强塑料管插人公称直径为150mm、工作压力为10MPa的钢管中，管道长度为900m。由于塑料管的流动阻力小，与同口径的钢管相比，输送能力可以提高50%。只要选择适当口径的芳纶纤维增强塑料管，就完全可以维持原有管道的输送能力。在管道修复施工时，需要对钢管内腔进行清理，以防止钢管内腔搀留杂物损伤内衬管。在管道拐弯处，应注意其弯曲半径不小于增强塑料管所容许的最小弯曲半径。修复直通管道时，芳纶纤维增强塑料管一次可插人几百米长度。对于大规模超长的管道修复工程，应考虑管网的走向和环境条件，通常是将芳纶纤维增强塑料管按需要切开分段插人，然后再将每个管段连接起来。四、安全考虑在进行芳纶纤维增强塑料管结构设计时，不仅要考虑它的长期耐压强度，还要考虑工作温度、介质、负荷以及其它因素的影响。管道的公称压力(FN)是通过式(1)由瞬时爆破压力(F。)计算得到的。FN= FGr(amaTatap) (1)(SmSTStSWSP)式中 FN 管道压力;FGr 瞬时爆破压力;am介质影响系数;aT温度影响系数;at时间影响系数ap负荷影响系数;Sm 介质的安全系数，ST 温度的安全系数;St 时间的安全系数;SW材料的安全系数; SP压力的安全系数。上述因素影响系数和安全系数可以通过查阅相关手册或试验得到。例如，当输送介质的有害性不大、设计寿命为50年、温度范围为40时，芳纶纤维增强塑料管的瞬时爆破压力(FGr)为公称压力(FN)的4倍。它的含义是指管道在到达设计寿命时的安全使用压力(即公称压力)为管道在初期室温条件下瞬时爆破压力的1/4，应注意与通常的安全系数概念加以区别。五、技术发展尽管芳纶纤维增强塑料管在油气管网上的应用仍处于推广期，但根据已有的应用实例和试验结果，它已展现出良好的发展前景。国际上一些石油天然气公司已经开始进行相关的论证工作,1998年，英国纽卡斯尔大学、英国石油公司、壳牌石油公司、巴西石油公司、法国天燃气公司以及一些制造商进行了JIP联合工程项目研究，其目的是将芳纶纤维增强塑料管全面推广应用于陆上油气开发、陆上燃气输送及海上油气开发等领域。JIP的各项研究工作主要侧重于考察芳纶纤维增强塑料管在其使用领域应用的经济性和技术的可靠性。在材料的试验论证上，主