玻璃钢管道在油气田的应用与发展

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(胜利新大实业集团公司科技中心 山东 东营 257055)

·综述·

玻璃钢管道在油气田的应用与发展

陶佳栋，卢明昌，曾万蓉

(胜利新大实业集团公司科技中心 山东 东营 257055)

国内各大油田先后经历了二次采油和三次采油阶段，石油开采陆续进入高含水或特高含水开发期。油田采出液含水率逐年增高，钢管道腐蚀、结垢严重，使用寿命短。不仅给油田生产和经济效益造成严重影响，同时也带来了严重的安全和环境隐患。随着以玻璃钢管道为主的非金属管道在油田的大量应用，所体现出的优势逐渐得到了石油行业的认可。与金属管道相比，玻璃钢管道具有耐腐蚀，使用寿命长；内壁光滑，不易结垢，输送阻力小；导热系数小，保温性能好，大大减少流体的热量损失；材质轻、安装方便、简单快捷, 工程费用低等特点。玻璃钢管道在油气田的大规模应用为油气田安全生产、降本增效和持续稳定发展提供了强有力的保障。

油田；采出液；腐蚀；玻璃钢；管道

0 引 言

随着科学技术的发展和不断创新，各个领域都在不断地更新换代。在管道应用领域，金属管材在使用中暴露出越来越多的缺陷，诸如抗腐蚀性能差、使用寿命短、施工缓慢、运行中后期维护成本高等。因此世界各国都在探索应用非金属管材替代金属管材。欧、美、德等国家早在20世纪40年代就开始进行非金属管道应用研究，并开始制造玻璃钢管道，距今已有 70 余年的历史[1]。目前，国际上非金属管道工业发展很快，年产量日趋增加。我国于20世纪80 年代末，首次引进玻璃钢管道缠绕设备，从此非金属管道工业开始了快速的发展。以玻璃钢管道为重点的非金属管道在油气田大规模的应用，对减轻腐蚀、延长管道寿命、提高输送能力、保障输送安全生产发挥了较大的作用。

1 油气田常用玻璃钢管道及主要性能特点

玻璃钢管道应金属管道严重的腐蚀损坏问题而生，且随着研究的深入和应用范围及规模的扩大，各种新型高性能复合材料不断涌现并应用于工程实际，由此不断丰富着玻璃钢管道大家族。玻璃钢其学名为玻璃纤维增强塑料(国际上通用的缩写符号为“GFRP或FRP”)，它是以玻璃纤维及其制品作为增强材料，以合成树脂作为基体材料的一种复合材料。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢管、玻璃钢夹砂管、环氧玻璃钢管、酚醛玻璃钢管之称。构成复合材料的各种原材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。因而使复合材料管道表现出了多方面优于金属管道的优良性能。其性能特点主要表现在以下几个方面。

1.1 玻璃钢管道的主要优点

1) 耐腐蚀，使用寿命长。玻璃钢管道具有优良的耐腐蚀性，能够抵抗酸、碱、盐、海水、含油污水、腐蚀性土壤、或地下水亦即众多化学物质的腐蚀，对强氧化物及卤素等介质具有良好的耐腐蚀性。因此，管道的寿命大大延长，一般在30 a以上。据实验室的模拟试验表明：玻璃钢管使用寿命可长达 50 a以上。而金属管道在低洼、盐碱等强腐蚀地区运行3～5 a就需要维修，使用寿命只有15～20 a左右，而且使用中后期维修成本较高。国内外的实践经验证明，玻璃钢管道使用15 a后的管道强度保留率为85%，使用25 a后强度保留率为75%，且维修成本低。这两个值都超过了对化学工业用玻璃钢制品使用一年后所要求的最小强度保留率。人们关心的玻璃钢管的使用寿命问题，已由实际应用中的试验数据所证明。美国60年代安装的玻璃钢管线使用期超过40 a，仍正常运行就是一例。

2)水力特性好。内壁光滑、水力摩阻小、节约输送能耗，不易结垢、不生锈。由于金属管道内壁相对粗糙，摩阻系数大，并且随着腐蚀的加重快速递增，导致阻力损失将进一步增大，同时粗糙的表面为垢的沉积提供了条件。而玻璃钢管道粗糙度为0.005 3，是无缝钢管的2.65%，增强塑料复合管粗造度只有0.001，是无缝钢管的0.5%。因此由于内壁在整个寿命期始终保持光滑，阻力系数小，能够显著减少管道沿程流体压力损失，节约输送能耗，提高输送能力，可带来可观的经济效益。光滑的表面不利于菌类、垢和蜡等污染物的沉积，不污染输送介质玻璃钢管道与其他几种管道热导率及绝对粗糙度的比较见表1。

表1 管材热导率及绝对粗糙度

3) 抗老化性能和耐热、抗冻性能好。玻璃钢管可在-40～80℃温度范围内长期使用，采用特殊配方的耐高温树脂还可在200℃以上温度正常工作。长期露天使用的管道，其外表面添加有紫外线吸收剂，来消除紫外线对管道的辐射，可延缓玻璃钢管道的老化。

4) 热导率小，保温及电绝缘性能好。常用管材的热导率见表1。玻璃钢管道导热率为0.4 W/m·K，是钢的8‰左右，管道的保温性能优异；玻璃钢等非金属材料是非导体，绝缘电阻在1012～1015Ω·cm，管道的电绝缘性优异，最适应使用于输电、电信线路密集区和多雷区。

5) 质量轻、比强度高、抗疲劳性能好。玻璃钢的密度在1.6～2.0 g/cm3之间，即只有普通钢材的～，比铝还要轻约。因为玻璃钢中的连续纤维有较高的拉伸强度及弹性模量，其机械强度可以达到或超过普通碳钢的水平，比强度为钢材的4倍。玻璃钢与几种金属的密度、抗伸强度和比强度比较见表2所示。玻璃钢材料的抗疲劳性能好，金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆；而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从材料的薄弱环节开始，玻璃钢管道可按照环向与轴向受力的不同，通过改变结构纤维铺层，使管道具有不同的环向强度与轴向强度，从而与受力状态相匹配。

表2 玻璃钢与几种金属的密度、拉伸强度和比强度比较

6) 耐磨性好。经有关试验，在相同条件下经过250 000次负荷循环，钢管磨损约为8.4 mm，石棉水泥管磨损约5.5 mm，混凝土管磨损约2.6 mm(内表面结构与PCCP相同)，陶土管磨损约2.2 mm，高密度聚乙烯管磨损约0.9 mm，而玻璃钢管磨损仅为0.3 mm。玻璃钢管表面磨损极小，在大负荷作用的情况下，仅为0.3 mm，如果在正常压力情况下，介质对玻璃钢管道内衬的磨损可忽略不计[2]。由于玻璃钢管道的内衬层是由高含量树脂和短切玻璃纤维原丝毡构成，而内表面的树脂层有效地屏蔽了纤维裸露情况的发生。

7) 可设计性好。玻璃钢是一种可以改变其原材料种类、数量比例和排列方式，以适应各种不同工况条件要求的复合材料。玻璃钢管可根据用户的各种特定要求，诸如不同的温度、流量、压力，不同的埋深和载荷情况，设计制造成不同耐温、压力等级和刚度等级的管道。玻璃钢管采用特殊配方的耐高温树脂还可在200℃以上温度正常工作。玻璃钢管配件制作方便。玻璃钢管的法兰、弯头、三通、变径管等可任意制作，如法兰可与任意符合国家标准的同等压力同等管径的钢制法兰相连接，弯头可根据施工现场的需要制作成任意角度。而对于其他管材，弯头、三通等配件除规定规格的标准件外，非标准件难以制作。

8) 施工及维护费用低。玻璃钢管质量轻、强度高、可塑性强、运输方便，安装技术简单，无需动火，施工安全；单管长，工程接头少且不需要进行防锈、防污、绝缘、保温等措施，施工检修费用少。对地埋管无需作阴极保护，可节约工程维护费用达70%以上。

玻璃钢管道与其他部分管道性能比较见表3。

表3 玻璃钢管道与其他部分管道性能比较

1.2 玻璃钢管道的缺点

1)力学性能。玻璃钢管道抗机械损伤能力较金属差，破损后的堵漏方式存在一定局限性[3]。特别是在岩石山区和特殊地形的地段，运输安装必须严格按照其标准执行，否则容易出现断裂、破坏现象，造成不必要的经济损失。

2)耐老化性。玻璃钢管道露天敷设时外表面在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致出现色变、微裂纹等老化现象。任何材料都存在老化问题，玻璃钢也不例外，玻璃钢在曝晒、湿热、水浸泡及腐蚀介质等作用下，性能有所下降，在长期使用过程中会使光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等现象。地面管道需采取外表面加防老化剂或外涂隔紫外线涂料等措施。

3)弹性模量低。比钢(E=2.1×106)小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。

4) 埋地管道探测问题。现有地下管线探测设备主要以探测金属管线为主，而非金属管道探测仪器价格昂贵，因此玻璃钢管埋地后无法探测，其它后续施工单位施工中易挖伤、损坏管道。

5) 标准规范不完善，材质检测评估难。玻璃钢油气管道还没有形成完善的工程设计方法和规范，管道技术规定和要求不统一，我国玻璃钢管材生产厂家多且良莠不齐，材质检测评估难，低劣产品恶意竞争扰乱市场情况的存在，难以实现产品的优胜劣汰和公平竞争，对玻璃钢管道行业的发展和推广应用造成一定影响。

2 玻璃钢管道在油气田的应用

2.1 油气田腐蚀特点

自20世纪90年代以来，国内各大油田先后经历了二次采油和三次采油阶段，大规模采用了水驱、聚驱及三元复合驱，石油开采陆续进入高含水或特高含水开发期。油田采出的原油含水率逐年提高，采出水量急剧增长，钢管道的腐蚀、结垢问题日益突出。根据胜利油田的调查研究，目前各大油田采出液含水率已达90%以上。油田采出液为油气水砂混合物，采出水矿化度大多在1×104mm/L以上，有的油田高达2×105mg/L以上，且含有溶解O2、CO2、H2S、SRB等有害成分，对钢制油气集输及污水输送管道的平均腐蚀速率为1～1.7 mm/a，局部腐蚀率高达4 mm/a[4]。未做内防腐的污水回注系统，在污水总矿化度1×104mg/L以上的腐蚀介质作用下，注水干线的使用寿命是4～7 a，单井注水管线使用寿命4～6 a。另外，井下油管每年更换油管的数量几乎占全年新投入井下油管总量的。如胜利油田某油藏采出液矿化度达7×104mg/L，氯离子含量可达3×104mg/L，含有溶解氧、CO2、硫化物等腐蚀性物质和硫酸盐还原菌。因而，对金属管道的腐蚀相当严重。选用钢制管道最快在投产后3个月就开始穿孔，一年报废。虽然曾采用过多种金属管道内涂、内衬等防腐措施，但因施工技术要求高、焊接口防腐效果难保证、涂层使用寿命短等不能根本解决问题。由于腐蚀泄漏还造成土壤与环境污染。尽管腐蚀程度不同，但各油田都普遍存在。单就腐蚀而言，每年给世界油田与国民经济造成的损失达亿万美元。

2.2 玻璃钢管道在油气田的应用

各油田生产过程使用的大量管道中，80%用于油气混输、高含水原油输送及油田采出水处理、回注。油田采出液介质成分复杂，含有多种可对金属管道造成腐蚀、磨蚀等损坏的有害物质，为解决金属管道的腐蚀损坏问题，1983年胜利油田开始尝试使用具有良好耐腐蚀性能的玻璃钢管道。经过多年的试验探索，经历了玻璃钢管道由手糊到机械缠绕、由常温到百度高温、由低压到中高压的试验发展阶段。20世纪90年代初，玻璃钢管道首先在油田污水处理及输送系统试验并推广应用，随后逐步试验推广到油气集输、油田注水及聚合物驱注采系统。如某采油厂采出液矿化度多在3×104mg/L以上，且含有CO2、H2S等成分，属于强腐蚀性介质。油气混输管道、油水井井下油管、采出水处理、输送管道及高压注水管道平均腐蚀速率为1.4 mm/a，局部腐蚀率高达4 mm/a。为解决严重影响开发生产的腐蚀问题，胜利新大实业集团有限公司(简称“胜利新大集团”)面向油田经过多项试验，研发制造出适合油田采出液特点的耐腐蚀、耐磨、耐高温的各种规格系列玻璃钢管道。80年代末开始进行玻璃钢管道现场应用试验，首先在联合站污水处理、外输系统应用成功，陆续试验推广到油气混输、高压注水系统及油、水井井下油管、套管，较好地解决了胜利油田油气水管道腐蚀问题。之后逐步推广到国内外其他油田，均获得预期的效果。

例如某区块采出液矿化度7×104mg/L，含水率91%，含砂量0.03%，气油比25，输送温度62℃，原油气混输干线为Φ325 mm×3 km钢管内涂H87，投产不到半年开始穿孔，之后在频繁的维修、堵漏中勉强维持使用，有时每天需堵漏维修3～5处，不到2 a就要报废更换。经对旧管线检查分析，确定该管道穿孔损坏的主要原因是介质成分复杂、混合不均，腐蚀性强，管顶气含量大，底部以水、砂为主，易造成管底部电化学腐蚀加冲刷磨蚀，因此管道底部腐蚀最严重，底部呈深坑或沟槽状腐蚀。于1994年10月将该管道更换为胜利新大集团生产的DN250 mm×3 km机械缠绕玻璃钢埋地管道，试压投产一次成功，投产后干线压力不仅没有增加，反而稍有下降，由原来的1.1 MPa降为1.0 MPa以下，沿程温降减小，输送能耗降低。该玻璃钢管道连续正常运行13年，除发生过几次施工机械误伤事故外，没有发生自然穿孔事故。直到该集输流程调整停运。

又如胜利油田孤东采油厂采用19队82-1油气混输支干线，采用胜利新大集团制造的DN 200 mm，PN 2.5 MPa玻璃钢管道1 200 m，介质为高含水原油，投产时含砂量0.042%，温度50～65℃，于1997年初建成投产，投产后不仅解决了腐蚀问题，而且集输压力降低17%，2016年因主干线报废而停运，连续正常运行19 a，仍可正常使用。原来采用钢管道作油气混输管道时使用寿命不足3 a，有的投产3个月即磨蚀穿孔，不足一年就报废。腐蚀损坏特点为管道底部电化学腐蚀加砂磨冲刷，呈深坑或沟槽状腐蚀。

油田目前使用的中低压玻璃钢管道其选用的管径大多介于DN50～700 mm之间，输送介质温度最高达78℃左右，压力一般为0．1～2.5 MPa。高压管道管径介于50～300 mm，压力可高达20 MPa以上。管道连接方式主要有对接胶合连接；单“O”型圈承插式连接；双“O”型圈承插式连接；承插胶接；承插内外胶接；法兰连接(分为玻璃钢法兰及玻璃钢-钢活套法兰)；螺纹连接；哈夫连接等。

纤维缠绕玻璃钢管道在我国批量生产，已受到了油田的普遍欢迎，在油气集输、污水处理和油田注水系统，玻璃钢管道已经成为理想的钢制管道的替代品，并见到了显著的生产效益和经济效益。近年来，胜利新大集团公司所研发生产的玻璃钢井下油管、套管和碳纤维连续抽油杆得以在胜利、延长、大港、辽河、华北等油田推广应用，使井下油管和抽油杆的使用寿命及油水井的免修期比钢制产品延长1～2倍以上，成为玻璃钢复合材料在油田应用的又一新亮点。

3 玻璃钢管道发展展望

复合材料科学技术的发展，推动了材料工业的巨大革命。玻璃钢管道(简称FRP管)的诞生，标志着非金属管材在材料工业中的崛起，也预示着非金属管材在国民经济建设中的应用领域和市场规模将不断扩大。经过几十年的应用和发展，玻璃钢管道在原材料、制造设备、工艺技术、结构设计、施工以及质量管理等方面取得了长足的进步，在管道市场的占有率不断取得新的突破，新产品新技术不断涌现。在一定范围内已经成为金属管道的替代品。随着科学技术的不断进步和现代工业的发展，玻璃钢管道的用途会越来越广，对管道性能和功能的要求会越来越高。

材料科技的进步和迫切的市场需求将推动玻璃钢管道不断向着性能更完善、应用领域更广阔的方向发展。管道的规模化、系列化、输送介质多元化以及大口径、高强度、高刚度新型纤维增强复合管道将成为今后一个时期的发展趋势。

我国管道运输事业的迅猛发展，给玻璃钢管道行业带来了前所未有的发展机遇，复合管道不仅可以应用在油气田、矿区、海工、引水调水、城市给排水、城市燃气等方面，还应更上一层楼，成为油气长输管道及高压输气管道建设中的重要管材。目前急需解决高含H2S天然气集输，长距离、大口径油气输送管道腐蚀严重、使用寿命短等难题[5]，以降低管道工程投资及维护成本、延长管道使用寿命，为低油价下的油气田降本增效战略再做贡献。面对新的市场、新的机遇、新的挑战，需要国内管道界共同努力，在积极跟踪、引进、吸收国外先进技术的同时，充分发挥创造力，融合塑料管道与金属管道的特点，取长补短，早日攻克复合材料高压、长输油气管道工业性应用难题。

今后的研究中需要充分发挥复合材料的优势，切实研究解决构成复合材料的两种或两种以上单体材料之间的物理、力学及化学性能匹配、界面结合强度、抗冲击性、复杂地形环境的适应性、快速施工与抢修、标准规范完善统一、废旧管道的回收再利用等问题，提高管道的综合性能，为玻璃钢复合材料管道更广泛、更大规模的发展应用创造条件。

[1] 石仁委，龙媛媛. 油气管道防腐蚀工程[M]. 中国石化出版社，2008：139-147.

[2] 孙惠兰. 玻璃钢管的性能分析[J]. 水利水电技术，2007，38(5)：34-36.

[3] 康 勇. 现代油气管道工程设计、施工技术与实例[M]. 化学工业出版社，2014：25-37.

[4] 王玉江，孙兆厚，杨永军. 玻璃钢管道在胜利油田地面工程中的应用[J]. 玻璃钢/复合材料,1996,(4)：38-41.

[5] 张 昆. 玻璃钢管道在四川气田的应用[J]. 石油工程建设，2006：32(3)59-61.

ApplicationandDevelopmentofFiberReinforcedPlasticPipeinOil&GasField

TAOJiadong,LUMingchang,ZENGWanrong

(ResearchCenter,ShengliXindaIndustrialGroupCo.Ltd.,Dongying，Shandong257055,China)

The major oil fields in China have experienced the second and third oil recovery stage, mean while, the oil recovery has been entering into high water-cut even extra high water-cut development stage. At the moment, the rate of water content of the produced fluid from oil field is keeping rising, as the result, the normal steel pipe is suffering from the serious corrosion, deposit and short service life span. All of this brings not only the bad affect on the oil production and economic benefits, but also serious safety and environmental hazards. With the main extensive application of fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as FRP) pipeline as the non metallic pipeline in the oil field, the advantage of it has been recognized by the oil industry. Compared with the metal pipe, FRP pipe has the advantages of anti-corrosion, long service life, smooth inner wall, anti-deposit, less conveying resistance, less thermal conductivity, good thermal insulation performance, significant reducing fluid heat losing, light weight, easy simple and quick installation and low project cost, etc. The large-scale application of FRP pipes in oil & gas fields provides a strong guarantee for the safe production, cost reduction and sustainable development in oil & gas fields.

oil field; produced fluid; corrosion; FRP; pipe

陶佳栋，男，1987年生，工程师，2010年毕业于威海技术学院模具设计与制造专业，目前主要从事油气输送用玻璃钢管道的应用技术研究。E-mail: taojiadong00@163.com

TE83

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2096-0077(2017)05-0001-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.001

2017-03-15编辑屈忆欣)