ISO 23936-42024 石油天然气工业 包括低碳能源-与石油天然气生产相关介质接触的非金属材料-第4部分纤维增强复合材料标准立项发展报告

石油天然气工业包括低碳能源——与石油天然气生产相关介质接触的非金属材料——第4部分：纤维增强复合材料标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:OilandGasIndustriesIncludingLowerCarbonEnergy—Non-metallicMaterialsinContactwithMediaRelatedtoOilandGasProduction—Part4:Fiber-reinforcedCompositeMaterials摘要随着全球能源结构向低碳化转型，石油天然气工业对高性能材料的需求日益增长。纤维增强复合材料（Fiber-reinforcedCompositeMaterials）因其优异的耐腐蚀性、高比强度和高比模量，在油气钻采、输送及储存装备中具有广阔的应用前景。为规范该类材料在油气生产介质环境下的性能评价与选用准则，国际标准化组织（ISO）于2024年9月13日正式发布ISO23936-4:2024标准，填补了油气工业纤维增强复合材料标准化领域的国际空白。本报告系统梳理该标准的立项背景、编制过程、核心内容和技术要点，分析其对石油天然气工业及低碳能源发展的支撑作用，并就标准的实施应用与未来修订方向提出展望。报告认为，ISO23936-4:2024的发布构建了纤维增强复合材料在油气领域应用的国际统一评价框架，对促进非金属材料在苛刻工况下的安全应用、推动行业降本增效和绿色低碳转型具有重要的里程碑意义。关键词：纤维增强复合材料；石油天然气工业；非金属材料；低碳能源；国际标准；材料性能评价Keywords:Fiber-reinforcedcompositematerials;Oilandgasindustry;Non-metallicmaterials;Lowercarbonenergy;Internationalstandard;Materialperformanceevaluation一、引言1.1立项背景石油天然气工业是关系国家能源安全和经济命脉的战略性产业。长期以来，金属材料一直占据该领域结构材料的主导地位。然而，随着油气田开发逐步向深层、深海、恶劣环境及酸性介质（如含H₂S、CO₂、高盐卤水）等复杂工况延伸，传统金属管材和设备面临严峻的腐蚀失效问题，不仅大幅增加了维护成本，也对生产安全构成严重威胁。据统计，油气行业因腐蚀造成的经济损失约占行业总成本的25%～30%，开发高性能耐蚀替代材料已成为行业亟待解决的关键问题。1.2标准化需求分析在ISO23936系列标准发布之前，纤维增强复合材料在油气领域的应用主要参照以下标准体系：美国石油协会（API）的API15HR（高压玻璃纤维管线管）、API15LR（低压玻璃纤维管线管）等产品规范；ASTM（美国材料与试验协会）的系列材料试验方法标准；以及各石油公司内部的企业技术规范。这些标准虽各有侧重，但在介质相容性评价方法、材料选择准则等方面缺乏统一的国际化框架，且未充分考虑低碳能源场景（如CCUS、地热开发等）带来的新型介质环境特性。ISO/TC67（石油、石化和天然气工业用材料、设备和海上结构技术委员会）下设的SC6（非金属材料分技术委员会）在系统梳理行业需求的基础上，启动了ISO23936系列标准的制定工作，旨在为非金属材料在油气介质中的适用性评价提供统一的方法论框架。ISO23936-4作为该系列标准的第4部分，专门针对纤维增强复合材料，是系列标准中最具技术挑战性的部分之一。二、标准概况2.1标准基本信息ISO23936-4:2024《石油天然气工业包括低碳能源——与石油天然气生产相关介质接触的非金属材料——第4部分：纤维增强复合材料》由国际标准化组织ISO/TC67/SC6技术委员会负责制定。该标准为ISO23936系列标准的第四部分，2018年正式立项启动编制工作，经过WD（工作草案）、CD（委员会草案）、DIS（国际标准草案）和FDIS（最终国际标准草案）等多个阶段，于2024年9月13日正式出版发布。标准定价1651元人民币（约230瑞士法郎），采用电子版加密PDF格式发布，需安装FileOpen插件在线访问，受数字版权保护限制。2.2标准定位与适用范围该标准规定了纤维增强复合材料在油气生产相关介质（包括采出液、注入水、化学药剂、天然气及低碳能源相关介质等）环境下的适用性评价要求，涵盖材料筛选、性能测试方法、长期性能退化评估、质量控制及文件管理等技术内容。适用于油气钻采、集输、储运以及低碳能源（如CCUS、地热能、氢能储运）涉及的纤维增强复合材料制品（管道、管件、容器内衬、结构件等），以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等为增强体，以环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂等为基体的连续或不连续纤维增强热固性及热塑性复合材料为主要对象。该标准从材料选择原则、性能测试方法、长期性能评估、质量控制文件要求、失效模式分析、材料筛选程序等方面建立了系统性的通用技术要求框架。标准不适用于非增强热塑性塑料管道系统，该部分由ISO23936-1涉及；也不涉及纤维增强复合材料产品的具体设计方法和结构计算。三、标准编制过程3.1编制历程ISO23936-4标准的编制工作历程主要经历了以下几个阶段：1.预研阶段（2015—2017年）：ISO/TC67/SC6对纤维增强复合材料在油气工业的应用现状进行前期调研，确定了该标准制定的必要性和可行性。2.立项阶段（2017—2018年）：2018年，通过ISO成员国投票表决，标准正式立项，编号确定为ISO23936-4，由中国、美国、挪威、英国、法国等国专家联合组成工作组（WG）开展编制工作。3.草案编制阶段（2018—2021年）：工作组先后完成WD和CD稿，就标准的适用范围、术语定义、试验条件等核心议题进行了多轮技术讨论和投票。4.国际标准草案阶段（2021—2023年）：标准进入DIS阶段后向各成员国广泛征求意见，工作组对各国反馈意见进行逐一处理，对标准技术内容进行多轮修改完善，经FDIS投票通过后进入出版阶段。5.正式发布（2024年9月）：经过6年多的反复研讨和修改完善，标准最终于2024年9月13日正式发布实施。3.2主要参编情况该标准由ISO/TC67/SC6工作组组织制定，来自中国、美国、挪威、英国、法国、意大利、荷兰、阿联酋等国的技术专家参与编制。中国石油集团工程材料研究院、中国石油规划总院等国内单位深度参与了该标准的制定工作，在酸性介质条件下的复合材料性能评价、长期老化试验方法等多个技术方向提出了具有重要参考价值的中国方案。标准的发布体现了国际社会在油气工业非金属材料标准化领域的深度合作和技术共识。四、标准核心内容4.1总体框架ISO23936-4:2024标准文本包含以下主要章节：范围（第1章）、规范性引用文件（第2章）、术语和定义（第3章）、符号和缩略语（第4章）、材料适用性评价总则（第5章）、材料筛选与选用要求（第6章）、性能测试与评价方法（第7章）、长期性能退化评估（第8章）、质量控制与文件要求（第9章）、失效模式分析与风险评估（第10章）以及附录。4.2材料适用性评价总则标准第5章确立了纤维增强复合材料在油气生产介质环境下适用性评价的基本原则和通用程序。该评价体系以介质-材料-工况三者之间的协同作用为核心分析框架，构建了系统完整的选材逻辑链条。标准要求从材料固有性能、介质侵蚀性、服役工况三个维度，分级分类开展系统评价。（1）介质识别与分级：标准首先要求对接触介质进行系统的化学分析，明确介质中的主要侵蚀性组分，包括但不限于：无机酸（H₂S、CO₂溶解形成的酸性环境）、有机酸（乙酸、丙酸等低分子有机酸及环烷酸）、氯离子及高矿化度盐水、溶解氧、元素硫、缓蚀剂及破乳剂等化学药剂，以及低碳能源情景下特有的介质，如超临界CO₂（CCUS场景）、含氢介质（氢能储运场景）等。对于含H₂S的酸性介质，还需结合介质温度和分压進行酸性等级划分（按照NACEMR0175/ISO15156的酸性服役条件分级原则），以确定不同的材料选择级别。（2）材料固有性能分析：标准要求制造商提供纤维增强复合材料的基本性能参数，包括纤维类型与含量、树脂基体类型、界面性能、玻璃化转变温度（T_g）、力学性能（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）、物理性能（密度、热膨胀系数、渗透率等）和耐化学介质性能等基础数据。这些数据为后续的适用性评价提供必要的材料本征信息。（3）服役工况定义：标准强调要明确定义目标应用场景的工况参数，包括设计温度、设计压力、介质流速、流态（单相/多相）、服役寿命、启停周期、外部载荷条件等。工况参数的准确界定是合理选择试验条件和评价方法的基础。在完成上述三个维度的系统分析后，标准要求综合判定材料-介质-工况的相容性，给出适用、有条件适用或不适用三种判定结果。判定过程应形成书面记录，作为选材决策和后续设计的依据。这一评价总则体现了国际标准由传统的“先选材、后验证”向“系统评估、风险驱动”的现代选材理念转变。4.3材料筛选与选用要求标准第6章对所涉及的材料选用与筛选流程提出了要求。核心思路是采用分级筛选法（TieredScreeningApproach），按照从简到繁、从快到慢的原则有序推进选材工作，提升选材效率，降低评价成本。第一阶段——文献审查：基于材料制造商提供的技术数据手册、已有应用案例数据库以及第三方权威机构的评价报告，对候选材料进行初步筛选。此阶段主要评估材料的基本耐化学介质性能与目标工况的匹配度，排除明显不适用于目标工况的材料体系。对于已有充分应用业绩证明的成熟材料体系，可以通过该阶段直接选材。第二阶段——短期浸泡试验：对初步筛选通过的材料开展短期（通常为30天至90天）的介质浸泡试验，评价其在目标介质中的质量变化率、尺寸变化率、外观变化以及关键力学性能（拉伸强度、弯曲强度等）保持率。该阶段旨在快速识别材料在目标介质中是否存在明显的化学侵蚀或物理退化，为最终选材提供试验数据支撑。第三阶段——长期老化验证：对于短期试验结果存在不确定性，或服役工况较为苛刻（高温、高压、强腐蚀介质组合）的情况，标准要求开展长期老化试验，试验周期通常为6个月至24个月不等。长期试验应在接近实际服役条件的温度、压力和介质浓度下进行，以获得材料性能随时间的退化规律。试验结束后应对样品进行力学性能测定、微观结构分析（如SEM观察纤维/基体界面状态）以及玻璃化转变温度变化分析等综合评价。4.4性能测试与评价方法标准第7章对复合材料的各项性能测试方法进行了系统规定，主要参照ISO527（塑料拉伸性能测定）、ISO178（塑料弯曲性能测定）、ISO604（塑料压缩性能测定）等通用测试标准，结合油气工业的特殊要求对试验条件进行了针对性调整。（1）力学性能测试：涵盖拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、层间剪切强度、短期静水压强度等力学性能参数的测试方法。标准要求测试试样应取自实际制品或按照与实际制品相同工艺制备的平板，以保证测试结果能反映实际产品的性能水平。力学性能测试的结果应满足标准规定的性能指标要求，或达到制造商声明的性能等级。（2）物理性能测试：包括密度、玻璃化转变温度（T_g，采用DSC或DMA方法测定）、热膨胀系数、导热系数等。其中T_g是评价复合材料耐温性能的重要指标，标准要求在选材评价中对材料的T_g与设计温度进行比较分析，并考虑介质浸泡后T_g的变化情况。（3）渗透性能评价：复合材料的渗透性直接影响其在承压工况下的密封性能和长期耐久性能。标准要求对制品进行渗透性测试，包括气体渗透性、液体渗透性和水蒸气渗透性等，测试方法和评价指标依据应用场景的不同而有所区分。4.5长期性能退化评估复合材料在油气介质环境中的长期性能退化规律是选材评价中最关键的环节，也是标准第8章的重点内容。（1）化学老化机理：标准系统阐述了复合材料在油气介质中的主要化学老化机理，包括：树脂基体的水解降解、纤维/基体界面的化学侵蚀、玻璃纤维在酸性介质中的应力腐蚀开裂、介质吸收引起的塑化和膨胀、溶出引起的质量损失等。了解老化机理有助于针对性地选择试验方法和设计加速因子。（2）加速老化试验方法：基于时间-温度等效原理和Arrhenius方程，提出了加速老化试验的设计原则和方法。标准要求通过不同温度下的浸泡试验数据外推材料在服役温度下的长期性能，外推过程应明确说明所用模型和假设条件，并对外推结果的可靠性进行讨论。对于在高温下老化机理发生改变的材料体系，应谨慎采用简单的外推方法，必要时需增设中间温度试验点以验证外推的有效性。（3）性能保持率评价：规定了材料经介质老化后的性能保持率要求。一般以拉伸强度保持率、弯曲强度保持率、质量变化率等作为量化评价指标，推荐性能保持率不应低于原始性能的70%（具体指标可根据应用场景和风险评估结果确定）。同时，标准引入了性能退化达到临界值的时间作为材料使用寿命的判据，为工程设计提供数据支撑。4.6质量控制与文件要求标准第9章对纤维增强复合材料制品的质量控制文件和可追溯性要求进行了规定。在技术文件方面，标准要求制造商提供完整的材料技术文件包（MaterialTechnicalDataPackage），内容包括：材料组成与配方、制造工艺说明、性能测试报告、长期老化试验数据、应用经验与案例等。该文件包应作为选材评价和工程设计的重要技术依据，随产品交付用户并归档保存。4.7失效模式与风险评估标准第10章引入了失效模式与影响分析（FMEA）的方法论框架，对纤维增强复合材料在油气介质环境中的潜在失效模式进行了系统梳理和分析，明确了主要失效情景和对应防控策略。标准识别的主要失效模式如下：（1）纤维/基体界面脱粘：界面是复合材料中最为薄弱的环节。在介质渗透和应力协同作用下，界面结合强度逐渐退化，导致载荷传递效率下降，最终表现为宏观力学性能的降低。此失效模式多发生于长期浸泡后，防控策略包括优化纤维表面处理工艺（如上浆剂选择）、添加界面改性剂等。（2）基体微裂纹与裂纹扩展：树脂基体在固化收缩、热循环应力和介质吸收膨胀的共同作用下易产生微裂纹，微裂纹的萌生和扩展为介质渗透提供了快速通道，加速材料性能退化。控制策略包括增韧改性基体、优化固化制度、合理设计铺层结构等。（3）玻璃纤维应力腐蚀开裂：在酸性介质和拉应力协同作用下，E-glass纤维会发生应力腐蚀开裂（StaticFatigue），这是玻璃纤维增强复合材料在酸性油气介质中最典型的失效模式之一。E-glass纤维在pH＜4的酸性环境中，硅氧键网络结构受到氢离子的侵蚀破坏，在应力作用下加速裂纹扩展，往往导致材料在远低于短期强度的应力水平下发生脆性断裂。为此，标准特别强调了在酸性