孙久亮 肖道荣

(北京博凯恒大休闲设备有限公司100086 北京玻璃钢研究设计院 102101)

  

摘要：本文重点介绍了制造高压玻璃钢管的制造工艺过程，并简要介绍了应用高压玻璃钢管的必要性和在油田推广使用中的意义。
关键词：高压 玻璃钢 管道
Research of High Pressure FRP Pipe Manufacture Process and Technology
Sun Jiuliang Xiao Daorong
(Beijing Glory(china)Sci-Tech Corporation 100086 Beijing FRP Research & Design Institute 102101)
ABSTRACT ：The process of high-pressure FRP pipe manufacture are mainly introduced in this paper; the significance and necessary of spread application in oilfield are also summarized.
KEYWORDS： High Pressure FRP Pipe
1 引言
近年来，我国东部油田多已进入后期开发。为了稳定原油生产，各油田普遍采用注水工艺来增加地层能量，提高产液量，从而达到稳产增产的目的。但是，由于我国淡水资源匮乏，所以在注水工艺中多采用污水回注，根据国内某油田的调查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蚀性物质，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，这些物质对金属的平均腐蚀速度为每年1～1.7mm。长期以来，国内外都在积极开展新材料、新工艺的研究，在二次采油和三次采油过程中使用高压玻璃钢管作为地面油气集积和输送管线，以及井下油管、套管已是屡见不鲜。
为了解决目前各大油田存在的钢管严重腐蚀问题，打破高压玻璃钢管单纯依赖国外技术的现状，我们把高压玻璃钢管道作为一个系统工程，从材料选择、管材（件）制造、质量控制到安装抢修以及售后服务，均制定了一整套完整的工艺。经在油田实际运行证明，我们研制的高压玻璃钢管道完全能够满足油田使用要求，主要性能指标已超过国际先进水平。
2 高压玻璃钢管的特点及重点应用领域
采用纤维缠绕工艺制造的高压玻璃钢管与传统的钢管、混凝土管相比，除具备复合材料本身的一些优异特性外，还具有以下特点：
（1） 使用寿命长。其设计使用寿命可达到30年至50年；
（2） 性能可设计性、产品适用性强。可根据使用工况设计成耐高温（一般最高可达120℃，选择合适的树脂体系可达到160℃）、耐高压（一般最高可达25MPa；经过特殊设计，部分型号可达到30MPa），满足一定腐蚀性能要求的产品；
（3） 安装、运输方便，免维护。玻璃钢的密度不足钢的1/4，搬运、安装都非常方便，DN100以下的管线只需3个人和一些必备的简单工具即可，工程费用低；
（4） 内壁光滑，介质输送阻力小。由于模具表面光洁度高，制成的管道内壁哈森-威廉姆斯系数高达150，且其不结垢的特性使管内壁的光洁度不会随时间而改变；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有机物。这一点对于二次和三次采油过程中使用的聚合物和微生物驱油技术非常有利；
（6） 导热系数小，不足钢的百分之一，保温性能好。
高压玻璃钢管在石油工业主要应用于以下领域：
⑴ 原油或天然气集积和输送；
⑵ 化学处理及污水处理管线；
⑶ 高、中、低压流体输送管线；
⑷ 盐水注入管线；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管线；
⑹ 罐进、出液管及站内管线。
⑺ 生产井，处理井（盐水、化学流体或污水），注入井（盐水、CO2、聚合物、热等）。
其中⑴–⑹采用高压玻璃钢线管，⑺采用高压玻璃钢油管、套管。
3 高压玻璃钢管与钢管的性能比较
3.1 物理机械性能
高压玻璃钢管（线管）与钢管的性能比较如表1所示。
表1 高压玻璃钢管与钢管的性能比较

名称

玻璃钢管

钢管

比强度（MPa） 

100~168 

49 

拉伸强度（MPa） 

环向

320

380 

轴向

160

冲击强度（t/m2） 

1.5×105  

2.3×105 

密度（g/cm3）

1.8~2.1

7.84 

弹性模量（GPa）

环向

25.2

210×103

轴向

17.6

导热系数（W/m℃)

0.23~0.45

54

热膨胀系数（m/m/℃）

1.12×10-5

1.23×10-5 

绝对粗糙度（mm）

0.0053

0.046 

摩阻系数

0.016

0.035

Hazen-Willians系数C

150

120
3.2 流体性能
高压玻璃钢管与钢管的流体性能对比见图1。
           
图1 哈森-威廉姆斯系数（C值）对比
4 高压玻璃钢管制造工艺流程
高压玻璃钢管以高强度的连续无碱无捻粗纱浸渍环氧树脂，采用纤维缠绕工艺制造，主要制造工艺流程如下图2所示。
               
                                       图2 高压玻璃钢管制造工艺流程图
5 材料选择
5.1 增强材料
选择增强材料时主要考虑如下几个因素：
（1） 所用基体材料的类型；
（2） 浸润剂的种类；
（3） 设计上的考虑；
（4） 缠绕设备；
（5） 制品工况；
（6） 成本因素。
玻璃纤维在选择时工艺性能非常重要，因为工艺性能的好坏不仅影响产品质量，而且直接影响生产效率，
表2 常用玻璃纤维的物理—机械性能
　

性    能

玻璃纤维规格（Tex）

735

1100

2000

偶联剂

硅烷型

单丝直径（μm）

13.4

16.4

15.6

固含量（％）

0.55

0.67

0.74

拉伸强度(MPa)

2350～2790

2200～2700

2210～2700

拉伸模量(GPa)

72.4

5.2 基体材料
（1）树脂体系的选择
纤维的类型、品种及铺层决定了复合材料的极限强度，而树脂基体则通过与增强材料的有效匹配和应力传递作用，使纤维的性能得以充分发挥，从而制造出高性能的复合材料制品。此外，高压玻璃钢管的有些性能如耐高温性能、耐腐蚀性和耐老化性能等，主要由树脂基体决定。
环氧树脂和乙烯基酯树脂是制造高压玻璃钢管时常用的树脂基体。
环氧树脂具有优异的物理机械性能，在高温下具有优良的性能保持率。同时具有优异的操作性能和加工性能，用它制成的复合材料性能优良，成本低廉。因此，环氧树脂是高压玻璃钢管中应用得最广泛的树脂基体。
环氧树脂中通常含有多个环氧基，它可与多种类型的固化剂反应，生成三维交联结构。可按不同的工艺要求和性能要求选择固化剂。例如，使用胺类固化剂（与液体环氧树脂共用）可得到室温下粘度中等、适用期适中、耐腐蚀性好、高温性能尚可的基体体系。同时，为了达到最佳粘接性能，基体树脂必须在特定的固化制度下固化。酸酐是环氧树脂的另一种常用固化剂。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。为了缩短固化时间，提高固化度，通常引入适当比例的促进剂。
针对不同的使用环境，我们设计了三种耐温等级，两种输送介质的常规树脂体系，见下表3。
表3 高压玻璃钢管的树脂体系与耐温等级

树脂体系 环氧/酸酐 环氧/脂环胺 环氧/芳香胺
耐温等级（℃） 80 95 120
输送介质 酸性

碱性
注：1.耐温等级为长期使用温度上限；
2.根据输送介质浓度、温度选择相应的树脂体系。表中所列数值只针对某一特定树脂体系。
（2）环氧树脂的固化
解决高压玻璃钢管耐渗漏问题关键在于选择合适的材料和制造工艺过程。
高压玻璃钢管失效时的环向应力受树脂体系固化程度的影响较大。因为要想提高其耐温等级，即要求有较高的玻璃化转变温度，必然要求有较高的固化程度。但固化度越高，树脂基体的断裂延伸率越低，越难与纤维的断裂伸长相匹配，在进行水压失效压力试验时，树脂基体首先开裂，树脂与纤维逐渐脱开，裂纹进一步扩展，导致管体渗漏，降低了管材的失效压力，进而降低其失效时的环向应力，使纤维的性能得不到充分发挥，因此，应根据设计要求选择合适的固化程度，以满足其性能要求。
6 产品规格
高压玻璃钢管的基本参数见表4。
表4 高压玻璃钢线管的基本参数
　

项  目 数  值
公称规格（mm）

DN40

 DN50 DN65 DN80 DN100 DN150 DN200
螺纹尺寸（in） 1.900 23/8 27/8 31/2 41/2 7 85/8
公称长度（m） 9.144
公称压力等级（MPa） PN3.5～PN25
耐温等级（℃） ～120

高压玻璃钢管件的基本参数见表5。
                                         表5 高压玻璃钢管件的基本参数

项  目

参  数  值

公称规格（mm）

DN40～DN200

曲率半径

≥1DN

公称压力等级（Mpa）

PN7～PN26
耐温等级（℃）

～120

7 结语
高压玻璃钢管在结构设计上有严格的规范，在材料选择上有较宽的范围，对制造检验过程要求均较高，我们研制的高压玻璃钢管道工艺技术和安装技术已经通过一系列试验与生产考核，目前相关产品已经用于油田生产中，技术性能指标满足实际使用需求。API标准规定进行100％的工厂内水压检验，主要是因为对于油田生产而言，管材的质量和制造水平具有重大意义。高压玻璃钢管在解决钢管线穿孔腐蚀、节能降耗等方面必将发挥重要作用。随着各生产厂家的制造工艺水平和用户认知程度的提高，以及质量保证体系的进一步完善，高压玻璃钢管必将在油田得到大力推广和使用。

注：文中的数据部分是我们实际测试所得，同时我们还参照了国内外相关厂家的试验报告和产品说明书的有些数据，在此表示感谢。读者若对相关事宜感兴趣，欢迎来信来电共同探讨，以期推动我国高压玻璃钢管道的健康快速发展，使之更好地服务于国民经济发展需要。联系人：孙久亮 电话：13911692162 E-mail:sjl5218@sohu.com
参考文献：（略）