熱塑性復合材料正在為開采深海石油和天然氣所面臨的挑戰(zhàn)提供潛在的解決方案。

　　人類對石油和天然氣的需求沒有止境，這驅(qū)動了對近海資源的開采，近海資源蘊藏得更深， 也更加難以鉆探開發(fā)。受限于海底作業(yè)的立管、管線、管件和其他管道系統(tǒng)， 要應對的負載、壓力和環(huán)境所帶來的挑戰(zhàn)更大。而與此同時，為了保持在浮式鉆井平臺和儲存平臺的額定載重能力之內(nèi)，管道的重量還要盡可能輕。

　　總的來說，物質(zhì)需求已經(jīng)開始超出目前以金屬為主要材質(zhì)的管線技術(shù)所能實現(xiàn)的開采力。增強塑料，尤其是增強熱塑性復合材料將可能成為答案。

　　為何選擇熱塑性塑料？

　　據(jù)Element Hitchin 公司（MERL， 前Materials Engineering Laboratory公司） 的Rod Martin 博士和Morris Roseman 博士所說，目前國家面臨著能源安全挑戰(zhàn)， 復合材料是本行業(yè)得以應對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。復合材料能夠讓大孔徑管道按需結(jié)合強度、韌性、輕量、高耐熱耐壓性、最小流動阻力、高回彈性和耐久性，使之超越了目前主流的金屬管道所具備的性能——盡管它們經(jīng)常采用聚合物為管道內(nèi)襯。

　　試驗證明，傳統(tǒng)的熱固性復合材料不能較好地替代金屬材料（如19 世紀90 年代末在挪威誕生的Compipe 由增強環(huán)氧樹脂管道和非增強熱塑性塑料襯管組成），因為管道的制造工藝是一個連續(xù)的加工過程，而它的固化動力學特性是這種加工過程的一大障礙。與此相反，熱塑性塑料能夠適應連續(xù)性生產(chǎn)， 因為熱固性材料固結(jié)和硬化問題對熱塑性塑料而言卻并不是問題。

　　Element Hitchin 公司隸屬于一個合作組織，該組織致力于評估用于輸油管線的各種不同熱塑性復合材料的適用性。玻纖增強聚甲醛（POM）和聚丙烯（PP）在海水中表現(xiàn)良好，而碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）被證實非常適用于酸性的油氣環(huán)境。當環(huán)境溫度升高時，聚苯硫醚（PPS）中的碳纖維在酸性油氣環(huán)境及烴氣濃縮物中均有良好的表現(xiàn)。（注意：酸性油氣環(huán)境是指油與水、多種化學品、反應物、碳氫化合物及副產(chǎn)物，以及沙子混合，這些物質(zhì)會影響某些熱塑性塑料的抗?jié)B透性和使用壽命。）
            

熱塑性復合材料可以采用鋪帶或纏繞工藝生產(chǎn)出具有長度連續(xù)、可繞卷的管道，現(xiàn)在，許多公司正在針對石油和天然氣管道主結(jié)構(gòu)的加工工藝性能進行相關(guān)的研發(fā)工作。

例如， 位于荷蘭的Airborne International 有限公司開始采用其號稱世界首套的高端全熱塑性復合材料管件連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，前年已有兩條生產(chǎn)線在其9000 平方米的Ijmuiden 工廠投入運行。

Airborne 公司管道產(chǎn)品的特點是采用兩層玻璃纖維或碳纖維，在熔融狀態(tài)下與熱塑性聚合物結(jié)合，得到完全粘合的實壁管。這些產(chǎn)品比金屬管更輕更軟， 同時也更加易于卷繞和運輸，因此比傳統(tǒng)管道部署所需的船只更小。這種管道非常堅固，具有良好的抗內(nèi)壓強度。它們不會發(fā)生腐蝕，耐受許多不同的化學物質(zhì)，也不會在水中逐漸降解。這種管道的管孔平滑，能促進液體流動，此外， 它還具有高耐熱性、抗疲勞性和耐久性的特點。實際上，材料所表現(xiàn)出的延性（而非脆性）延長了其使用壽命。通過采用同一種熱塑性聚合物生產(chǎn)襯管、復合材料層，以及管道外套管，為重負荷管道提供一個單一材料解決方案。

Airborne 公司石油和天然氣部門的商務(wù)總監(jiān)Martin van Onna 斷言：“總的來說，對于工作在最深的水域中的高溫高壓立管，這就是答案。”

Airborne 公司的獲獎技術(shù)贏得了巴西國家石油公司（Petrobras）的青睞， 后者為其近海石油管線選擇了這家公司。Petrobras 公司正與Saipem SA 公司合作一個位于巴西的認證項目，包括Guara 和Lula Northeast 地區(qū)油氣田輸氣項目一條長2.5 公里的海底管道。

在近處的美國，Oceaneering 公司為Petrobras 生產(chǎn)了數(shù)公里的熱塑性塑料生產(chǎn)控制管纜，用于其圣埃斯皮里圖盆地（Espirito Santo Basin） 深海油氣田的開采。Oceaneering 公司生產(chǎn)的軟管孔徑范圍為3 ～ 16 英寸，適用于3000 ～ 15,000psi 的壓力環(huán)境。具有高抗塌陷強度（HCR）的熱塑性塑料可用于深海中低分子量化學物質(zhì)的注塑。

英國的解決方案

與此同時，在英國的樸茨茅斯， Magma Global 有限公司即將試行新的產(chǎn)能，并在新條件下生產(chǎn)碳纖維增強PEEK 熱塑性復合材料管。到目前為止， 該公司已經(jīng)為測試及研發(fā)生產(chǎn)了長達25 米的管道，但是在其樸茨茅斯工廠即將投入試行的新生產(chǎn)線則將開始生產(chǎn)具有連續(xù)長度的管道，以便繞卷運輸及隨后在油氣田現(xiàn)場進行部署工作。

該公司由Martin Jones 和Damon Roberts 創(chuàng)建于2010 年， 兩人分別是公司的CEO 及技術(shù)總監(jiān)。當他們在其前任職公司Insensys（ 該公司后為Schlumberger 公司所收購）開發(fā)靈敏的光纖設(shè)備來測試船桅及其他結(jié)構(gòu)的應變情況時，就已經(jīng)涉足于石油及天然氣領(lǐng)域。這對搭檔在油氣行業(yè)富有經(jīng)驗，他們了解管道的載荷工況，也知道管道技術(shù)的重要改進對未來的油氣田開發(fā)來說將是必要的。他們在Insensys 的經(jīng)歷使他們獲得了專業(yè)的復合材料知識，主要來源于設(shè)計和生產(chǎn)先進的復合桅桿，通常帶有嵌入式光纖應變傳感，用于高性能的超級游艇。在Magma 的保護傘下， 此項業(yè)務(wù)仍在持續(xù)。

從Magma 公司一開始，他們就認定基于碳纖維-PEEK 復合材料的高端產(chǎn)品將成為最佳解決方案，盡管這兩種原料的成本都非常高昂。

正如Roberts 告訴《增強塑料》雜志（Reinforced Plastics）時所說：“我們注意到，市場對適用于深海應用的管道產(chǎn)品有著明確的需求，現(xiàn)有材料不足以滿足高壓及有時出現(xiàn)的高溫應用。因此，低成本原料和低成本制造不是我們的追求。我們需要一種高規(guī)格的解決方案，它具有制造的精密性、可重復性和一致性。碳纖維-PEEK 復合材料不僅能夠滿足這些要求，而且極其堅固和有韌性，我們認為它是最佳的選擇。”

PEEK 材料的玻璃化溫度Tg 是143℃，且能在200℃保持很好的結(jié)構(gòu)特性。Magma 公司很典型地采用了一種復合材料，它以威格斯公司的PEEK 樹脂為基材，加入高性能碳纖維（來自東麗公司，拉伸強度4.9 兆帕）來增強。雖然高強度中模量碳纖維是主要的增強材料，但在需要最高強度和韌性的場合， 可選用另外一些中模量甚至是高模量等級的碳纖維。

Roberts 及其團隊研發(fā)了一種專利的制造工藝，能夠結(jié)合這兩種材料，生產(chǎn)連續(xù)長度超過2 公里的管道。這種工藝被描述為：自動化的、機器人操作的、可擴展并且可監(jiān)控的。該連續(xù)生產(chǎn)過程能夠獲得很高的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)一致性。
雖然基礎(chǔ)材料成本很高，但Roberts 主張，與其他技術(shù)尤其是與以鋼材為原料的管道相比較，其管道部署成本正越來越具有競爭力。

正如他所指出的：“我們的管道比鋼材更加柔軟、更易卷繞，也更輕。這表示，此類管道可以使用更小的船只來運輸部署，管道的管理也更加容易。在水中，這種管道的重量只有鋼制管道的十分之一。此外，現(xiàn)有技術(shù)存在的可靠性問題意味著鋼制管道的裝配和調(diào)試成本總是超過預算。所有這些因素影響了相對成本。此外，管道的部署成本只是一回事，如果你考慮到生命周期成本， 我們的勝負比數(shù)將進一步增加，因為我們的材料柔韌而耐用。”

一些具體的管道產(chǎn)品， 包括m-pipe ™和s-pipe ™，都能以連續(xù)可卷繞或者不連續(xù)的長度進行加工。每段長度都裝配有管道接頭，并在需要的地方安裝上法蘭和螺紋接口。m-pipe 提供直徑范圍2 英寸至2 英尺的產(chǎn)品，適用于各種立管、管線和臍帶纜。其在重量輕的同時還具有高強度和高應變特性，有助于管道的安裝。
            
       盡管s-pipe 的材料與m-pipe 相似， 但其定位于小孔徑管道和管道干預，通常應用的最大直徑為3 英寸。據(jù)介紹，這種管道是具有挑戰(zhàn)性的管道干預和管道翻新應用的理想之選，可以5、10、15 及20ksi 強度的規(guī)格購買。這款產(chǎn)品前年在德克薩斯州休斯敦舉辦的近海技術(shù)研討會（Off shore Technology Conference，簡寫為OTC）上推出，引起了極大的關(guān)注。
                     
      （管道）終端解決方案

Magma 公司的一個特殊優(yōu)勢是能夠解決這個二十年來阻礙了復合材料管道應用的問題，那就是設(shè)計制造持久有效的管道接頭。為了配合油氣行業(yè)的標準金屬接口，需要使用混合的金屬/ 復合材料終端，而一直以來的難題是開發(fā)一種能夠適應材料間基本差異的產(chǎn)品設(shè)計，比如硬度和熱力性能，同時要能夠在正常的生命周期內(nèi)提供足夠的結(jié)構(gòu)強度和密封完整性。復合材料管道若想在這個嚴峻的近海市場中立于不敗之地， 這種可靠性是必須條件。

近些年來已經(jīng)提出并嘗試了很多種解決方案。在Traplock 法中，管道末端的復合材料通過纏繞法加工到內(nèi)襯金屬芯軸表面的溝槽上，即traplock。軸向負載通過纏繞及溝槽得到轉(zhuǎn)移。在加工期間，纖維在張力作用下纏繞得到預加載荷，以便應對復合材料在張力作用下隨時間推移而可能產(chǎn)生的蠕變。然而， 預加的載荷往往會逐漸減少并最終導致失效，在溫度提高時尤其如此。

另一個缺點是，終端接頭與管道襯管的粘結(jié)力可能不夠可靠，甚至彈性體密封件也可能失效。

另一種設(shè)計通過將復合材料管道末端夾緊在金屬芯軸和外部元件之間來實現(xiàn)。內(nèi)襯芯軸具有鋸齒狀剖面，與管孔存在過盈配合，而與外部套筒則是緊密滑動配合。同時配合使用一個O 型密封圈使接頭密封住。這種方法的難點在于，管孔受限于內(nèi)襯芯軸以及堅硬的金屬部件與復合材料在彎曲負載下產(chǎn)生的壓力。增厚管道末端有助于減輕這種壓力。

比起大孔徑高壓和動態(tài)的應用，這種“異徑終端（swaged end）”的方法被認為對小孔徑軟管產(chǎn)品更具吸引力。對后者而言，異徑接頭所需的載荷會變得大一些。

由于設(shè)計可行的管道終端存在這些難點，一些設(shè)計者提倡使用混合材料解決方案，整條管道由復合材料套筒和金屬襯管組成。鋼制或鈦制的薄型襯管與金屬接頭焊接起來，與襯管保持連續(xù)， 無需使用密封組件。軸向負載由金屬襯管來承擔，環(huán)向（突發(fā)性）負載由外部復合材料套筒的纖維來承受。這種折中方法的缺點包括增加的金屬的重量和成本，以及對彎曲半徑的限制，此外，這個解決方法絕對地依賴于接頭處焊接點的完整性。金屬襯管所必須采用的腐蝕余量令管道變得更厚，減少了這種方案原本可能具有的重量優(yōu)勢。
                        

Magma Global 公司的解決方案與以上諸多方法不同。它的設(shè)計將結(jié)構(gòu)和密封功能分開，開發(fā)了熱塑性塑料的獨特優(yōu)勢。然而已經(jīng)提出的解決方案大多采用熱固性材料， 結(jié)合碳纖維-PEEK 復合材料及Magma 公司為這種材料所研發(fā)的制造技術(shù)，局部增厚了管道的末端部分。該工藝既可用于最初的制造階段，也可用于二次加工過程。增厚的末端加工成錐形，這種設(shè)計用于與一個由液壓工具繞管道末端夾緊的金屬圈的內(nèi)剖面相配合。該結(jié)構(gòu)通過一個鋼鐵接頭鎖緊管道，該接頭可與準備采用的油氣管道接頭緊密配合。

工程師們仔細計算了錐度角，以便最好地分散最大負載，使軸向運動最小化，形成徑向預加載荷，最小化復合材料的層間剪切應力。交界面的表面是為實現(xiàn)最佳夾緊度而設(shè)計的，經(jīng)過精確的加工，可以避免出現(xiàn)過高的局部壓力。置于管道內(nèi)表面和鋼制接頭之間的PEEK 或不銹鋼管孔密封件，確保了密封的完整性。

這種設(shè)計的優(yōu)勢包括平滑連續(xù)的管孔、高的結(jié)構(gòu)強度、耐疲勞度和密封完整性。增厚的管道末端能承受住大的彎曲載荷。由于該設(shè)計并不依靠粘結(jié)表面， 它可以適應鋼圈與復合材料管道之間一些較小的相對運動，即使接頭變熱的時候也是如此。

Magma 公司的終端系統(tǒng)相對較輕， 價格實惠。當有必要替換部件時，終端接頭較為容易拆開、檢查和組裝。蠕變問題是張力作用下的復合材料最為關(guān)鍵的設(shè)計問題，這個問題因復合材料- 金屬交界面的特性而減至最小，該界面能夠通過較大的表面區(qū)域來分散壓力。無論如何，即使在高溫下，PEEK 都擁有高抗蠕變性能。碳纖維增強材料的蠕變特性微不足道，這進一步穩(wěn)定了聚合物。

大量的物理和有限元分析實驗證實了Magma 公司管道/ 終端組合產(chǎn)品的有效性。選擇不同尺寸的管道，并配上Magma 公司的終端接頭以及PEEK 管孔密封，這受到一系列載荷工況的影響， 也需要對熱度、壓力、彎曲度以及耐疲勞度進行評估。在油氣安裝過程中，評估樣品在操作條件下處于使用狀態(tài)。

Magma 公司確信自己已經(jīng)解決了終端接頭的問題，這個問題一直以來與復合材料管道解決方案如影隨形。該公司相信，其碳纖維-PEEK 熱塑性塑料管可以成為未來油氣行業(yè)發(fā)展的重要推動者，在本行業(yè)內(nèi)，金屬管道技術(shù)正掙扎著滿足項目的要求。從2013 年晚些時候起，其樸茨茅斯工廠已經(jīng)準備就緒， 以滿足市場的需求。