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油氣輸送用非金屬壓力管道的應用分析

2021-05-12 12:02:15 作者：CPEC承壓設備專委會來源：CPEC承壓設備專委會分享至：

引言

管道運輸一直是石油、化工、天然氣等行業最常用、最經濟、最安全的運輸方式，鋼質管道一直是首要和主要的選擇。然而隨著開發的深入，油田介質環境越來越嚴苛，腐蝕介質含量、含水量、介質溫度越來越高，金屬管道的腐蝕問題日益突出，經濟損失、維修成本也迅速上升，已經成為影響工程安全運行和經濟效益的重要因素之一。而非金屬壓力管道由于耐腐蝕、流體阻力小、壽命長、長期經濟效益顯著等優勢，在油氣輸送中的應用越來越廣泛。但非金屬及復合管道種類繁多，可選擇性大，材料的改性，新產品新工藝的開發、更新較快，因此了解各非金屬管道的性能、特點、應用范圍以及使用中暴露的問題和原因分析，對有針對性的合理選擇管材，實現經濟、性能最大化至關重要。

非金屬壓力管道的分類及特點

油氣輸送用非金屬壓力管道可大致分為塑料管、熱固性增強復合管、熱塑性增強復合管以及鋼塑復合管四類。詳細分類見圖1。

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圖1 非金屬壓力管道分類

2.1塑料管

2.1.1 聚乙烯管（PE）

聚乙烯樹脂是由乙烯單體聚合而成，由于聚合反應的條件不同，可以得到不同密度的樹脂，主要分為高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）。與普通聚乙烯相比，分子結構相同，但具有極高分子量的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）具有更優異的性能，其比強度、耐磨性均為塑料之首。與普通高密度聚乙烯相比，超高分子量具有以下優勢：

1）極高的耐磨性。UHMW-PE具有直鏈結構和良好的分子鏈柔順性，使它具有極高的抗滑動摩擦能力，其耐磨性是鋼管的4-7倍，聚丙烯管3倍。

2）抗沖擊性強。抗沖擊性、抗環境應力開裂能力、抗刻劃能力均位于各類塑料前列，其沖擊強度為聚乙烯的4倍，尼龍66的10倍，聚氯乙烯的20倍。

3）耐腐蝕性能。UHMW-PE管的化學性能非常穩定，能耐各種腐蝕性介質和有機溶劑的侵蝕。

4）流動性好。超高分子量聚乙烯管道具有自潤滑和不粘著性，摩擦系數小，僅為聚丙烯的1/2，普通聚乙烯的1/5，鋼管的1/6，橡膠的1/20。而且由于材料極性低，不易結垢，即使結垢也難以附著，使其保持內壁光滑，流動阻力非常小，可使流速長期不減，

5）耐低溫性能。超高分子量聚乙烯管的適溫性寬，可長期在-269~80℃下工作，而且其耐低溫性能優異，抗沖擊、耐磨性能在低溫下基本不變，是目前唯一可以在接近絕對零度工作的一種工程塑料。

6）安裝性能。UHMW-PE管密度小，易于運輸，出廠可直接帶法蘭后翻邊，安裝、連接方便。

但由于UHMW-PE為線型分子鏈結構，且分子鏈較長，易纏結，流動性差，易受剪切力作用發生斷裂，或受熱發生降解，影響加工性能，彎曲性能和蠕變性能較差。目前可通過填充、共混、交聯等方法進行改性。

2.1.2 尼龍管（PA）

在石油化工行業常用的為MC尼龍管、增強MC尼龍管。MC尼龍管又稱單體鑄型尼龍，它是在常壓下，采用陰離子聚合反應技術，將熔融的原料已內酰胺單體用堿性的物質作催化劑，與活化劑等助劑一起制成待聚單體，直接注入預熱到一定溫度的模具中，使物料在模具內很快地進行聚合反應，凝結成堅韌的固體胚件，再經過有關工藝處理，得到預定的制品管。MC尼龍不僅生產工藝簡單，結晶度高，而且具有耐磨、耐腐蝕、自潤滑等優異的性能，但MC尼龍具有彈性模量較高、尺寸穩定性差以及低溫韌性不好等不足，限制了它在石油化工等行業的應用，因此需要應對需求進行改性和增強。

增強MC尼龍管則是在MC尼龍的基礎上添加了適量的玻璃纖維等增強劑，在常壓下采用離心或靜態澆鑄工藝，使之改性增強。與純MC尼龍相比，其機械強度、尺寸穩定性、耐疲勞強度等性能均大幅度提高。

2.2熱固性增強復合管

2.2.1 玻璃鋼管（FRP）

玻璃鋼是一種以合成樹脂為基體材料，以玻璃纖維及其制品作為增強材料的復合材料。玻璃鋼管道以其輕質、高強、耐腐蝕的優異性能應用于石油、化工、海上石油平臺、海水淡化廠等領域。其主要結構如圖2所示，主要由內層的防腐層、防滲層，中間的結構層以及外保層組成。在實際應用過程中，為了提高環剛度，用于埋地管道，多采用夾砂或加筋結構，即在生產過程中，在纖維之間均勻的布上石英砂作為加砂層，既能提高管道環剛度又能降低用料成本。

圖2 玻璃鋼管結構示意圖

玻璃鋼管的主要優勢為：

1）耐腐蝕能力強。玻璃鋼管道在面對酸、堿、鹽、強氧化物、鹵素、腐蝕性土壤、地下水等均有優異的抗腐蝕性能。

2）不結垢。玻璃鋼管與其他材質管道的粗糙度對比見表1。

3）熱力損失小。玻璃鋼管的導熱系數0.40W/mK，僅為鋼的九十分之一左右，是熱的不良導體，具有良好的保溫性能。

4）絕緣性能好。玻璃鋼管道具有電絕緣性，電阻大于1012Ω，有利于在多雷雨地帶及電路密集地域鋪展。玻璃鋼與其他材質的電、熱學性能對比見表1。

表1玻璃鋼與其他材質的性能對比

5）輕質高強。玻璃鋼材質輕，密度、比重僅為鋼材的四分之一，卻具有中碳鋼級別的強度，比強度是鋼材的4倍。而且由于其材料內部的纖維的作用，可以阻止其裂紋擴展，具有優良的抗疲勞性能，不易發生爆裂現象，安全指數高。

6）經濟性。玻璃鋼管由于內壁光滑不結垢，即節省了后期清管維護費用，又降低了結垢結蠟所造成的能耗損失。同時由于壽命高等優勢，使得玻璃鋼管道相對于鋼制管道綜合成本要低得多，在非金屬管道中也有較大的優勢（見表2）。

表2非金屬管道與鋼質管道經濟性對比（DN50）

但玻璃鋼管道具有脆性大、單管長度有限、彈性模量低等缺陷，而且施工、修復有一定局限性，對室外施工溫度要求高，需溫度在6℃以上才能連接，冬季施工困難。

2.2.2 塑料合金復合管

塑料合金復合管就是用兩種或多種不同結構單元的均聚物或共聚物的混合物拉制成塑料合金管作為內襯層，再以連續纖維纏繞形成的增強增作為結構層的復合管。其內襯層由聚氯乙烯樹脂、氯化聚氯乙烯樹脂、氯化聚乙烯樹脂等材料構成，結構層多為無堿玻璃纖維或不飽和聚酯樹脂等纏繞而成，三層結構的塑料合金復合管還具有外保護層（圖3），也可根據實際實際應用條件增加聚氨酯泡沫保溫層。

圖3 塑料合金復合管結構示意圖

塑料合金復合管將熱固性材料和熱塑性材料各自的優勢充分的結合起來，其內襯層具有優良的防腐、防滲、性能，流體力學性能好，可以阻擋油、酸、堿等介質的腐蝕，內表面光滑，不易結垢，流體阻力小。結構層起增強作用，提高管道的強度和抗壓、抗拉能力。外保護層則起到外防腐和保護管材的作用。

塑料合金復合管雖然承壓能力強，但管徑受限，一般只有DN40-DN200（表3）。而且塑料合金復合管的彈性模量低，在實際使用中，與其他金屬管的連接處，由于二者的抗拉強度較大，在內壓較大或出現壓力波動時，容易產生邊緣應力而破裂，或者發生疲勞破壞。另外，塑料合金復合管的耐溫性能較差，其工作溫度范圍為-30~110℃，由于各層的熱脹系數不同，長期在過高溫度下運行時會發生分層、卷曲等損傷。

表3塑料合金復合管的適用條件

2.3熱塑性增強復合管

2.3.1 鋼骨架增強聚乙烯復合管

鋼骨架增強聚乙烯復合管是以鋼骨架作為增強相，以聚乙烯為基體，利用鋼骨架孔隙將其內外層的聚乙烯基體連在一起的成型方式生產的復合管，充分結合了鋼塑各自的優勢。按照制造方法不同可分為鋼板網骨架、鋼絲焊接骨架、鋼絲纏繞骨架增強聚乙烯復合管三種。主要結構由內外聚乙烯層、中間鋼絲網骨架構成（圖4）。

圖4 鋼骨架增強聚乙烯復合管結構示意圖

鋼骨架增強聚乙烯復合管具有以下優勢：

1）雙面防腐。具備PE管級別的防腐、流體阻力小等功能，且為雙面防腐。

2）抗蠕變性能好，金屬的蠕變溫度一般在其熔點的0.3倍左右，該管道的使用溫度下，鋼并不會發生蠕變，因此鋼骨架的存在也就限制了聚乙烯蠕變，提高了管道的抗蠕變性能。

3）中間層采用鋼網骨架，可以提高管道的耐壓性、抗沖擊性。內外層采用同種熱塑性塑料，透過鋼絲骨架的空隙熔接在一起，類似于鋼筋混凝土結構，不存在因為熱脹系數不同熱脹冷縮所導致的界面分層問題。

但鋼骨架增強聚乙烯復合管也具有一定的局限性，其輸送介質的溫度范圍較窄，用于輸送燃氣、液化石油氣時輸送介質溫度一般為-20~40℃，用于石油、化工等工業用鋼骨架聚乙烯復合管的使用溫度范圍為一般不能超過70℃。該管道的工作壓力也較低，介質為天然氣時最高不超過1.6MPa，工業用管道最高不超過4.0MPa。而且管材的施工難度大，尤其是冬季，表面溫度小于-3℃就需要根據溫度調整焊接參數，焊接時需要搭建臨時棚來提高焊接時溫度，焊接完成后還需要對焊口進行適當地保溫。

2.3.2 柔性復合管

柔性復合管是一種由改性高分子聚合物制成的具有多層結構的復合管道，其主要結構如圖5所示，內襯層通常由聚乙烯、尼龍、聚偏氟乙烯、耐熱聚乙烯、交聯高密度聚乙烯以及其他的改性高分子聚合物樹脂擠出成型，起防腐防滲作用。中間增強層是在聚合物內襯管上編織或纏繞滌綸、芳綸纖維或者鋼絲繩等，可為一層或多層，起承擔管道內壓強度的作用。最外層為外保護層，同樣由高分子聚合物擠出成型，外防腐、防磨損、抗紫外線老化。我國有些企業自主研制的柔性復合管油管還會在增強層之間纏繞高分子纖維帶來建立抗磨層，以減少增強層間摩擦力，得到更好的界面效果。

圖5 柔性復合管結構示意圖

柔性復合管面對管內介質的防腐、耐磨、防垢，耐溫等性能往往取決于其內襯層所用的高分子聚合物樹脂，幾種常用樹脂的相關性質見表4。纖維纏繞的增強層使其具有一定的抗壓、抗沖擊性能。

柔性復合管自身最大的優勢是：

1）柔韌性好，使用中可自由彎曲，有效地降低了地形復雜、地質起伏等環境因素對施工造成的干擾，在服役過程中也能更好地應對地震、滑坡、凍土融沉等自然災害。

2）單管線長可達千米，可盤管，易于存儲，運輸方便，也可根據實際使用情況定制管長，減少浪費。

3）施工不依賴動力電源，無需明火作業，極大地提高了油田施工的安全系數，降低了人員傷害的幾率。

表4幾種常用的高分子聚合物樹脂的性質

2.4鋼塑復合管

鋼塑復合管充分結合鋼管的機械性能和塑料管的防腐等性能，根據基材不同，可分為涂塑鋼管和襯塑鋼管兩種。涂塑復合管是指以鋼管為基材，內涂或內、外均涂聚乙烯、環氧樹脂等塑料粉末，經升溫熔融粘合而成。襯塑鋼管根據生產工藝的不同，可以分為松襯、緊襯、滾襯、模壓四種襯塑方式。

常見的襯塑層塑料聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚烯烴（PO）、聚四氟乙烯（PTFE）、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）等，由于鋼管基體在襯塑加工過程中性能幾乎保持不變，因此襯塑層塑料的質量和性能往往是襯塑鋼復合管性能的關鍵，在面對管內介質，襯塑層具備同型號的塑料管的防腐、防滲、抗垢等性能。

鋼塑復合管既能充分發揮各種高分子聚合物材料的耐腐蝕優勢，解決傳統金屬管道易腐蝕穿孔、壽命短的不足，又能避免非金屬管道強度低、剛度低、只能埋地使用難以支吊安裝等問題，還可以根據介質、環境的實際情況選擇最適合最經濟的高分子聚合物塑料作為內襯層。

非金屬壓力管道的應用及遇到的問題

3.1玻璃鋼管的應用及遇到的問題

玻璃鋼管最早應用在城市給排水管線，后期隨著制造工藝越來越成熟，性能日益提高，也廣泛應用于石油、化工等工業領域，以大慶油田為例，應用的所有非金屬管道中，玻璃鋼管道的比例最高，高達65%以上。由于玻璃鋼管自身存在局限性，在使用過程中會出現滲漏、破損，缺陷位置主要在螺紋接頭處、玻璃鋼管道與鋼質管道的連接處、穿越公路處等，其原因可能為以下幾個方面：

1）玻璃鋼管本身質量問題。在管材制備過程中由于浸膠工藝控制不當導致增強劑不能完全與樹脂浸潤，形成干斑缺陷。還可能存在層合板破裂、夾雜，樹脂凸出以及不合理裝卸造成的劃痕等缺陷。

2）連接處薄弱。由于玻璃鋼管彈性模量及熱脹系數均與金屬管道有較大差異，因此在玻璃鋼管與金屬管螺紋連接處，在內壓以及穿越公路處震動較大的區域，由于兩種管線振幅、頻率的不相同，容易造成螺紋接頭破壞滲漏。

3）安裝施工問題。玻璃鋼管脆性大，當變形率達到2%~3%時就會發生破壞，因此在運輸、施工過程中容易造成機械損傷。另外，玻璃鋼管道韌性差，單根長度有限，接頭多，在管道敷設過程中如果彎度過大，容易在彎曲處形成微觀裂紋，在長期使用過程中，裂紋尖端應力集中，造成裂紋擴展，當達到材料強度極限時便會發生脆性斷裂。

4）使用環境問題。玻璃鋼管由于接頭性能和抗沖擊性能較差，不適宜在沙漠、戈壁、泥攤等土質松軟、地質起伏大的區域。

3.2塑料合金復合管的應用及遇到的問題

塑料合金復合管與玻璃鋼管同為熱固性增強復合管，應用范圍及出現的問題有諸多類似之處。塑料合金復合管的耐溫性能差，當運行時間較長或介質溫度較高時，各層之前由于熱膨脹系數不同導致膨脹程度不同，進而出現收縮、分層、卷曲等缺陷，堵塞管道。同時由于膠粘劑的玻璃轉化溫度偏低，此種條件下也容易導致塑料合金復合管的鋼制接頭脫粘。

某油田的塑料合金復合管集油管線，在投入使用六年后發生爆裂事故，該管道的內襯層由聚乙烯樹脂、氯化聚乙烯樹脂、氯化聚氯乙烯樹脂組成，分析表明該內襯塑料中添加了過量的添加劑，破壞了塑料分子結構，降低了管材的力學性能，也降低了內襯層樹脂的玻璃化轉變溫度，影響了管道熱特性，長期服役過程中最終發生爆裂。

3.3鋼骨架增強聚乙烯復合管的應用及遇到的問題

鋼骨架增強聚乙烯復合管廣泛應用于輸油管線、含油污水外輸管線。吐哈油田某輸油管線采用鋼骨架增強超高分子量聚乙烯復合管，埋地敷設，全長22km，設計壓力3.0MPa，回填完成后六次試壓試驗全部失敗，只能放棄使用。某石化公司化工廠含鹽污水處理系統的地下管道采用鋼骨架增強高密度聚乙烯復合管道，服役兩個月后便出現多次嚴重爆裂跑水事故。經分析，原因可能為以下幾個方面：

1）原材料的質量問題。有些管道內層聚乙烯樹脂選材不合格，OIT低于標準值，耐熱氧化穩定性差，在介質溫度較高時，容易發生氧化降解，出現沿軸向的環境應力開裂。

2）管材設計缺陷。有的鋼骨架增強聚乙烯復合管過分追求管道徑向承壓能力，采用垂直于軸向的鋼骨架的纏繞方式，但這種纏繞方式無法承受足夠的軸向力，在管道經過長時間軸向力的拉伸后，鋼骨架的纏繞密度就會變小，也就變相的減弱了徑向承壓能力，減小管道的整體耐壓強度。

3）安裝施工問題。埋地管道敷設時，一般采用電熔連接，套筒內并沒有鋼骨架增強層，耐壓強度薄弱。管端焊接裸露增強鋼絲容易腐蝕，發生接頭連接失效。另外鋼骨架增強聚乙烯復合管剛性較差，如果施工管線過長，連接后會導致剛度不足，在管溝中呈現S型排列，會使局部管線應承受過大沖擊力而破裂。

4）使用環境問題。鋼骨架增強聚乙烯復合管剛度低，不適于架空使用，長期使用會導致管道變形造成強度下降，而且露天使用尤其在晝夜溫差大的地區，容易加速聚乙烯層的老化，影響管道任性和強度。

3.4柔性復合管的應用及遇到的問題

柔性復合管主要應用于油氣田集輸、注水、污水處理、三次采油、高壓注醇等領域。大慶油田截至2010年投用注醇柔性復合管線近200公里，輸油、注水管線800公里。塔中油氣田在處于沙漠腹地的高壓、高H2S區域使用柔性復合輸送管代替了同等規格的抗硫碳鋼管線，共計使用13條，長度超過50公里。但柔性復合管應用于沙漠特殊環境中，在風沙季節里，沙堆的遷移容易造成管線懸空、裸露，由于柔性復合管抗紫外線性能較弱，不宜在陽光下暴曬，容易出現損傷及降低使用壽命，因此設計施工時應避開風口位置。另外，柔性復合管雖然接頭較少，但接頭處往往為管線的薄弱環節，容易出現滲漏現象，主要是因為接頭處的鋼制法蘭或絲扣選材不當，施工不規范造成的。

3.5鋼塑復合管的應用及遇到的問題

鋼塑復合管可應用于化工行業輸送腐蝕性氣體、液體、固體粉末的工藝管道，油氣田采油、集輸、含油污水管道以及電力、冶金、采礦等領域，根據實際環境條件，如需外防腐還可以在鋼管外涂敷3PE結構。影響鋼塑復合管質量的最大因素就是復合程度，即內襯管與鋼管“粘接”的是否牢靠，如果出現管端縮口、內襯管內縮與鋼管內壁脫粘分離，則會嚴重影響管道的使用壽命，甚至造成管道堵塞。造成這一破壞現象的原因可能是熱熔膠等原材料選擇不當；生產過程中未能釋放內襯塑料管殘余應力；由于塑料內襯管與金屬管的熱脹系數相差交大，在高溫差環境下服役造成的鋼、塑管熱脹冷縮不均等。在施工現場安裝過程中，為防止焊接過程中破壞內襯層，往往采用法蘭連接，但在管道變徑、變向時，主管與支管，直管與彎頭的法蘭容易出現螺栓孔對位困難，應采用一端平焊法蘭一端松套法蘭的形式連接。

3.6非金屬壓力管道存在的共性問題

1）應用范圍受限。目前非金屬管道在油氣領域的應用僅限于短距離輸送，無法應用于大型長輸管道。能接受的介質溫度普遍低于90℃，很難達達到高溫輸送的使用要求。

2）檢測與維修問題。目前尚缺乏像金屬管道一樣有效地探測、探傷手段。在維修問題上，需要專業的維修隊伍、技術手段、維修工具以及材料，目前大多數使用單位尚不具備，往往需要聯系專業廠家維修，周期長，進度慢，且室外條件下維修無法保證修復質量。

3）市場準入機制不健全。非金屬管市場監管不足，產品質量參差不齊，生產商對產品檢驗不規范，不全面。

4）標準、規范不夠完善。非金屬管道受原材料、配方、工藝等影響大，目前還沒有完善的設計和選材標準。且非金屬管道新產品開發較快，相應產品標準的修訂跟進不夠及時。也缺乏相應的施工和施工質量驗收規范。目前現有標準也存在重復制定，同類技術條款規定不一致，產品名稱范圍界定不當等問題。

5）運行中的其他問題。液體流過管道或多孔介質時，容易在界面處形成偶電子層，造成液體靜電起電問題，而非金屬材料的高絕緣性，無法將靜電導出，容易引發安全問題。且由于塑料的特殊性質，容易跟石油中某些成分相容，造成管道失效、堵塞等問題。

結束語

非金屬及復合管道具備金屬管道無法比擬的優勢，面對日益嚴苛的介質環境，應用舞臺越來越廣闊，在新建管段、維修更換管段中應用的比例逐年升高。但非金屬管道種類繁多，性能各異，新型產品層出不窮，在油氣輸送領域應用經驗不足，對管材材質與介質的兼容性認識不夠，標準規范不完善等給實際應用造成了不少困難。因此除保障產品質量，加強質檢力度，完善設計標準、安裝規范之外，使用單位還應了解各非金屬管道的性能、特點、應用經驗，結合介質自身特點及敷設運行環境，有針對性的合理選擇管材，實現經濟、性能最大化。隨著廣泛的應用實踐，探索優化，不斷突破暴露的應用短板和技術瓶頸，非金屬管道在油氣輸送中的應用將會有更廣闊的前景。

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