复合材料在深海管道中的应用

2021-12-23白冰张晓健王磊姚鑫海洋石油工程股份有限公司天津300461

化工管理 2021年33期

白冰，张晓健，王磊，姚鑫(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

随着世界能源以及环境等问题变得更加严重，石油企业逐渐加大对海洋开发力度，并且向深海扩展，对深海的开发已经成为当下世界海洋科技、工程发展的重要场地。深海蕴藏着比较丰富的矿产以及海洋资源，开发以及使用会给人类带来可持续发展的空间。深海也会成为世界海洋科技强国争取的重要领域。

1 油气资源在深海的发展情况

按照国际能源署对世界海洋油气资源可以开采数量的统计数据，现在国家对油气资源的需求在持续上升，油气资源在很长一段时间内还是承担着重要的能源角色，但是油气勘查在经历过上百年的发展之后，在陆地开采石油的高峰期已经过去，逐渐向海洋区域进展，深海油气产量也在逐渐增加[1]。因为对深海腐蚀有很大影响的因素有水流的速度、海洋中的微生物。但是当前使用的油气运输管道基本上都是钢制材料的管道，钢制材料管道的防腐层都是沥青以及3 PE。钢制管道的防腐层，在运输油气的时候、安装仪器设备时、检查维修期间，都会因为摩擦、磕碰因素出现问题。传统的金属材料已经不能承受在海洋高压负荷或者是安装管道运输成本的增加，所以需要材质比较轻的材料代替。

随着石油的开采进度，海洋会成为重要的能源场所，根据中国对海洋石油的测量数据(246亿吨)，已经占据全国石油资源的五分之一，且海洋还处于开发的初期，未来的产量是不可预估的。为了发展我国的油气能源产业，国家发布了有关的规定，主要是提升海洋资源的开发力度，海上工作的仪器设备和技术也会得到一定程度的提升，但是在海洋开采石油基本上是在水下400米左右的区域，和其他在水下3公里水深的国家比较。中国有关企业对海洋资源的开发还稍显不足，因为中国开采海洋石油起步较晚、在起步的时候还缺乏专业的仪器设备以及有关的知识，所以中国在深海领域开采石油作业还处于摸索前进的状态。

2 深海管道技术以及复合材料应用的前景

在开发海洋油气资源的工程中，连接水下生产系统以及水上浮式平台的是输流管，需要重视输流管的重要性，同时输流管在开采系统中有重要的作用。根据其功能，输流管道主要可以分成两种类型，其一是给水下的生产系统提供工作中需要的化学剂以及液压动力，同时还能将控制数据资料的脐带缆传递出去；第二主要是输送海洋油气资源的海洋立管。

相对于当前常见的海洋管道，并且有完善平台的系泊系统，尽量选择金属材料。根据测量取得的数据，需要适合在水深1 500米的海上平台，加入只是考虑使用金属立管，这个立管的重量需要超过六千吨的重量，这样会给平台增加一定的重量，另外重量比较中的立管在复杂的海洋情况中，更是比较容易出现功能失效以及破坏。伴随着海洋仪器设备、技术的改革以及创新，海洋中的油气资源逐渐向深海或者是更深的水中发展，但是需要随之增加的有输液管道的质量，会导致立管以及平台连接出顶张力变大，这样对平台的生产能力也是一种约束，更是影响向深海区域发展的速度[2]。另外，在海水长期浸泡中金属材料的管道也容易被腐蚀，然后影响使用管道的时间，甚至会破坏立管，导致原油发生泄漏。基本上钢制材料的立管使用时间在10年左右，但是每隔两三年还是需要有大规模的维修工作，这样的保养周期就需要大量的维修费用甚至需要很长的维修时间，这样无形中就会影响企业的生产效率以及利益。和传统的海洋管道作比较，这些特点在深海领域有非常明显的优点复合材料管道拥有更强的力学性能，并且还拥有着质量轻、抗疲劳效果好、耐腐蚀性强以及柔韧性好等特征。在本文中使用的主要是由基体和纤维材料复合形成的纤维增强材料，因为基体比较柔软且拥有较强的可塑性，但是纤维材料的就是硬度比较大。

2.1 脐带缆技术

脐带缆是由管道、填充物以及电缆旋转缠绕组成的，在脐带缆中的单元基本上可以分成两种，功能单元以及加强单元，其中加强单元有聚合物护套、螺旋铠装层面以及填充物；功能单元包含有电缆单元以及光缆单元。使用脐带缆技术的时候面临的环境更加复杂，脐带缆容易受到海浪、狂风、水流等因素影响。脐带缆想要使用时间更长，应该拥有很好的耐腐蚀以及抗疲劳的性能。

自从开采石油向深海区域发展，就开始从软管脐带缆向金属铠装脐带缆转变，有效提升了质量[3]。因为铠装钢丝除了要承担自身的重量，还会降低抗拉的轻度，所以将主要的承载结构换成钢管材料。但是需要向海洋区域发展，钢管材料不能提供足够的抗拉能力，因此想要保证结构强度还需要更高性能的复合材料。碳纤维可以增加脐带缆，和含有钢制材料的脐带缆比较，碳纤维拥有：量轻、抗疲劳效果好、耐腐蚀性强以及柔韧性好等特点，对环境的变化不敏感，可以在达到和钢管脐带缆同样的时候减少自身重量的4/5。当前关于碳纤维增强脐带缆的报道不多，其分析理论部分还是比较薄弱，基础的就是碳纤维螺旋增强技术[4]。将碳纤维杆束设置在脐带缆的结构中被称为碳纤维螺旋增强技术，就是将能量守恒以及有限元融合在一起，将研究出来的方法和螺旋增强杆数值模型做比较。ABAQUS软件可以详细分析碳纤维增强脐带缆的力学性能，甚至是借助OrcaFlex软件对脐带缆的整体性能进行分析。但是在这个模型中，模型含有的功能都已经变成圆柱体模型，这样就不能计算缠绕的影响，所以碳纤维脐带缆的结构性质不能体现出来，并且存在着缺陷。

2.2 复合材料在海洋立管技术中的应用

海洋立管作为深海油田开发系统结构的重要因素，海洋立管技术用新的形式取得社会各界人士的关注，浅水立管形式不能应用于深水区域，使立管技术更有挑战性，海洋立管是连接水上浮式和水下生产系统的唯一关键系统，所以在深海中也更有挑战性[5]。在海洋立管中最有特色的就是柔性立管，其按照工艺可以分成粘结柔性管和非粘结柔性管。但是结构比较复杂的就是非粘结柔性管，国外有很多公司制造非粘结柔性管。

非粘结柔性管的截面结构比较复杂，如图1所示，从骨架层到内衬层到抗压层到耐磨层到抗拉层、外部保护层，经过钢带根据不同的设计角度缠绕成的就是骨架层、抗拉层以及抗压层，其都拥有着比较强的抗拉性能以及很强的抗压性能。在具体使用的时候，因为容易受外部海洋负荷的影响，海洋立管需要一直保持工作的状态，所以就会影响非粘结柔性管的结构层出现移动的情况，所以会出现严重的磨损，严重的会出现结构层之间脱离以及功能结构失效的情况，减少立管使用的时间。

图1 非粘结柔性管截面图

粘性柔性管结构类似于非粘结柔性管，粘结柔性管的工艺比较复杂。在纤维增加层在热粘度缠绕的基础上借助纤维带不同角度的缠绕形成的就是粘结性柔性管。但是粘结性柔性管中各个层面不会出现粘结的情况，更不会有类似粘结柔性管的移动，由此可以，非粘结柔性管有更强的抗疲劳性能，更容易适应在较深的水域中开采石油，因此，粘结柔性管一定会成为未来深海柔性管道中的发展方向。

在立管中经常使用的就是复合材料，因为在深海环境中立管会存在较强的内外压，有关的工作人员需要认真考虑在深海环境中会产生怎样的影响。复合材料立管也容易受疲劳损伤和破坏的影响，这些可以直接决定立管使用的时间[6]。尤其是在海浪比较复杂的情况，立管是更加容易出现疲劳损伤。当前，石油行业内部都会以为柔性立管整体损伤最严重的区域基本上都在触地点处。

处于海洋比较复杂的环境中，立管还是会受到水流冲击的影响。需要充分考虑顶部张力以及水流冲击的作用，站在动力学的角度上，充分分析立管挠度、立管张力、弯矩分布状况。但是经过有关的数据显示，处于相同的环境中，复合材料立管比传统钢制立管的安全性能更高。