王大鵬，劉美苓，姜煥英，孫 巖，王慶昭＊

（1．山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東青島266590；2．青島市RTP工程技術中心，山東青島266300）

油氣產(chǎn)業(yè)用增強熱塑性復合管研究進展

王大鵬1，2，劉美苓1，姜煥英1，孫 巖1，王慶昭1，2＊

（1．山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東青島266590；2．青島市RTP工程技術中心，山東青島266300）

綜述了國內(nèi)外油氣產(chǎn)業(yè)用增強熱塑性復合管（RTP）的產(chǎn)品、規(guī)格、生產(chǎn)企業(yè)及不同類型的性能指標，概括了國內(nèi)外現(xiàn)行標準情況，重點介紹了RTP成型工藝等關鍵技術，模擬出最佳纏繞角度，最后對油氣產(chǎn)業(yè)用RTP廣闊的發(fā)展前景進行了展望。

熱塑性；復合管；壓力；纏繞角；成型工藝；研究進展

0 前言

RTP結(jié)構(gòu)特征為管壁一般由3層組成，內(nèi)層是具有耐腐蝕、耐磨等功能的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、耐熱聚乙烯（PE－RT）、聚酰胺（PA）等熱塑性塑料［1－3］；中間層為鋼絲、鋼帶、玻璃纖維、碳纖維等多層纏繞形成的的增強層；外層一般采用抗刮傷、耐老化的聚烯烴作為保護層。RTP的主要特點是既能承受較高的工作壓力，同時還保持了塑料管道質(zhì)量輕、耐腐蝕及一定柔韌性的優(yōu)點，可以盤卷，每盤長度可以從幾十米到上千米，既方便快速安裝，又大幅降低了接頭的數(shù)量。本文從國內(nèi)外RTP的產(chǎn)品、規(guī)格、生產(chǎn)企業(yè)及不同類型的性能指標及現(xiàn)行標準方面對油氣產(chǎn)業(yè)用RTP管的發(fā)展趨勢進行了介紹。

1 RTP研究現(xiàn)狀

1．1 RTP產(chǎn)品、規(guī)格及生產(chǎn)企業(yè)

早在20世紀70年代，歐美等發(fā)達國家就開發(fā)了RTP產(chǎn)品并在油氣田領域開始應用［4］，經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，其適用于不同領域、結(jié)構(gòu)迥異的各類功能性RTP產(chǎn)品與技術已比較成熟，最高耐壓等級已達到137MPa，耐熱最高可達160℃。國內(nèi)外RTP產(chǎn)品主要生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品名稱及規(guī)格情況如表1［5－7］所示。

表1 國內(nèi)外RTP產(chǎn)品主要生產(chǎn)廠家及規(guī)格情況Tab．1 RTP specifications and main manufacturers at home and abroad

1．2 RTP性能指標及標準

增強熱塑性復合管除了滿足常規(guī)的油氣產(chǎn)業(yè)用管道的要求外，根據(jù)增強材料以及加工工藝的不同，其性能指標存在差別，主要表現(xiàn)在溫度修正系數(shù)及爆破壓力、靜液壓試驗條件上。對于鋼骨架增強復合管［8］，20～30℃，溫度修正系數(shù)為0．95；30～40℃，溫度修正系數(shù)為0．90；40～50℃，溫度修正系數(shù)為0．86。對于鋼絲纏繞增強復合管［9］，20～30℃，溫度修正系數(shù)為0．87；30～40℃，溫度修正系數(shù)為0．74。因鋼絲纏繞復合管中有大量熱熔膠存在，所以鋼絲纏繞復合管不可在較高溫度條件下使用。對于玻纖帶增強復合管［10］，20～30℃，溫度修正系數(shù)為1．0；30～40℃，溫度修正系數(shù)為0．95。

因增強材料的性能及加工工藝不同，使得RTP的受力情況不同，在壓力試驗時，條件存在差異，壓力測試條件如表2所示。國內(nèi)外根據(jù)需求制定出國際標準、國家標準和行業(yè)標準等，油氣產(chǎn)業(yè)用RTP的現(xiàn)行主要標準［11－26］如表3所示。

表2 壓力測試條件Tab．2 Conditions for stress testing

1．3 RTP產(chǎn)品應用情況

總之，調(diào)皮兒童心理健康教育作為兒童素質(zhì)教育這個系統(tǒng)工程中的一個有機組成部分，需要解決的問題還有很多。在這里，作為一名小學教師我們僅僅是對調(diào)皮兒童心理健康教育中的一些重要問題進行了分析和探討。而調(diào)皮兒童心理健康問題的解決方法，一方面有賴于心理健康教育模式的加強與完善；另一方面，則需要學校、家庭、社會諸方面共同努力幫助這些孩子克服不良行為和心理個性，讓所有的調(diào)皮兒童和其他兒童一樣身心健康和諧地發(fā)展。

目前RTP產(chǎn)品在油氣開采領域的主要應用市場包括：（1）陸地油氣田管道系統(tǒng)，主要用于注水、注醇、油氣集輸、污水輸送等；（2）海上油氣管道系統(tǒng)，主要用于海上油氣集輸?shù)?；?）非常規(guī)油氣資源開采，主要用于頁巖氣、煤層氣開采、輸送管道。

歐美發(fā)達國家的RTP產(chǎn)品在油氣開采領域的應用得已經(jīng)非常普遍，比如，法國Technip公司的RTP產(chǎn)品遍及40多個國家，僅在陸地油氣田管道市場就已累計應用達25000km，在深海領域應用超過18000km；加拿大Flexpipe公司［27］的玻纖紗增強RTP產(chǎn)品在油氣田領域應用總長度超過18000km，遍及北美、拉丁美洲及澳大利亞；Flexsteel公司生產(chǎn)的可盤卷鋼帶增強PE，在賓夕法尼亞州的頁巖氣開采中應用4．8km，直徑203mm，工作壓力10．5MPa，每卷183m，減少了接頭數(shù)量，3周內(nèi)鋪成4．8km，效率極快。2010年Flexsteel用6英寸鋼帶增強RTP修復了一條從海上平臺到岸上的7．25km 12英寸的報廢鋼管。

國內(nèi)企業(yè)江蘇聯(lián)冠高新技術有限公司為俄羅斯油田生產(chǎn)的6km RTP輸油管，結(jié)構(gòu)為聚酯纖維增強RTP，內(nèi)徑102mm，壓力5．5MPa。2010年中海油湛江分公司在南海海底成功應用11．5km直徑3英寸國產(chǎn)鋼帶增強RTP輸氣管，設計壓力13MPa，水深35m。2013年中海油湛江分公司南海文昌油田鋪設10英寸保溫混用RTP 55km，水深150m。

1．4 RTP成型工藝技術

目前，RTP的成型工藝按照生產(chǎn)方式有一步法和二步法2種分類方法：一步法是使用纏繞機或編織機將高強度纖維直接纏繞或編制在內(nèi)管上形成增強層再包覆外層，如圖1（a）所示將玻璃纖維直接纏繞在內(nèi)管上；二步法是用高強度纖維或鋼絲先制成增強帶或者繩，纏繞在內(nèi)管上再包覆外層；如圖1（b）所示將玻璃纖維制成繩纏繞在內(nèi)管上；如圖1（c）將玻璃纖維制成復合帶纏繞在內(nèi)管上。二步法的第二步與一步法相同，其一般工藝流程如圖2所示。

圖2 RTP成型工藝流程圖Fig．2 Diagram of RTP molding process

另一種分類方法是間斷法與連續(xù)法。間斷法現(xiàn)在比較普遍，但是受到工藝條件及設備的影響，無法實現(xiàn)連續(xù)在線生產(chǎn)，連續(xù)法生產(chǎn)線現(xiàn)已投入生產(chǎn)，連續(xù)法一直是RTP行業(yè)追求的方法。常見的間斷法及連續(xù)法有：（1）大口徑間斷法生產(chǎn)法。對于大口徑的增強復合管，先生產(chǎn)出一定長度的內(nèi)管，將內(nèi)管放在旋轉(zhuǎn)架上，內(nèi)管旋轉(zhuǎn)并向前移動，增強材料以一定的角度鋪放在內(nèi)管上，通過加熱，外層涂覆等過程完成生產(chǎn)，如圖3所示。這種方法可以將管端的翻邊或擴口直接增強，但是這種方式?jīng)Q定了只能進行定長生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低。（2）小口徑間斷法生產(chǎn)法。小口徑可盤卷的RTP可將內(nèi)管生產(chǎn)出來盤卷成卷，通過纏繞機將增強帶等增強材料纏繞在內(nèi)管上，通過加熱冷卻等過程盤卷成卷［28］，如圖4所示。這種生產(chǎn)方法效率比較低，適合內(nèi)管生產(chǎn)速度較慢的RTP，如內(nèi)襯管為PE－UHMW。因PE－UHMW擠出速度較慢，內(nèi)管擠出速度為RTP生產(chǎn)速度的決定因素，可將內(nèi)管生產(chǎn)盤卷成卷，再纏繞增強層。

圖3 大口徑間斷法生產(chǎn)線Fig．3 Large diameter intermittent production line

圖4 小口徑間斷法生產(chǎn)線Fig．4 Small diameter intermittent production line

現(xiàn)在常用的生產(chǎn)方式為內(nèi)管擠出與增強層纏繞同時進行，英國Ridgway公司及國內(nèi)大部分的連續(xù)纖維增強熱塑性復合管生產(chǎn)線即采用該工藝，如圖5所示。但受限于纏繞機結(jié)構(gòu)，復合管的長度受增強材料長度的影響，無法實現(xiàn)在線更換，一卷增強材料用完即停機，沒有實現(xiàn)真正意義的連續(xù)生產(chǎn)。

王慶昭等［29－32］自主研發(fā)的玻纖復合帶增強聚乙烯復合管（CFT－RTP）及其連續(xù)生產(chǎn)方法與設備。復合管以PE－HD為內(nèi)管，高強度的連續(xù)玻璃纖維復合帶為增強層，外層包覆PE－HD層復合形成的管材［33－34］。生產(chǎn)方法與設備簡單實用，實現(xiàn)了內(nèi)管擠出、纖維增強帶連續(xù)纏繞、纖維增強帶在線更換、外層包覆的連續(xù)在線生產(chǎn)。提高復合管的耐壓強度，降低管壁厚度，節(jié)約原料，降低成本，并且復合管可回收制備長玻纖增強聚乙烯材料。設計出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的纏繞機，解決了連續(xù)玻纖增強復合帶在線更換的難題，是RTP領域重大技術突破。

圖5 Ridgway公司的RTP生產(chǎn)工藝Fig．5 Ridgway's RTP production process

1．5 纏繞角對復合管的影響

RTP的生產(chǎn)過程中，增強層的纏繞是關鍵步驟，現(xiàn)在通常采用傳統(tǒng)復合層理論模型［35］，假設增強層中的環(huán)向應力與軸向應力為2∶1，得到理想的纏繞角度約為54（°）。在現(xiàn)實中RTP結(jié)構(gòu)的破壞與斷裂機制不同于金屬材料，RTP的受力情況并不完全符合傳統(tǒng)復合層理論模型。

結(jié)合有限元技術及Ansys軟件，利用復合材料的失效準則設計RTP的合理纏繞角度。利用Tsai－Hill提出的適用于各向異性單向板屈服準則［36］，如式（1）所示：

式中 F、G、H、L、M、N——各向異性材料的破壞強度參數(shù)

σ1～σ3——各向主應力

τ12、τ23、τ31——各向剪應力

根據(jù)RTP復合管的幾何特性，玻纖在y和z方向的分布情況相同，由此得到Tsai－Hill強度理論如式（2）所示：

式中 X——單層板的縱向（軸向）強度

Y——單層板平面橫向強度

S——單層板平面剪切強度

RTP復合管主要由增強層承壓，所以當增強層發(fā)生破壞時，復合管就會發(fā)生損壞，進而導致復合管失效。將Ansys軟件模擬分析所得的有關數(shù)據(jù)和增強層縱向強度、橫向強度及剪切強度，代入公式計算出等式左邊的數(shù)值即為失效系數(shù)，將該數(shù)值與1相比較。失效系數(shù)≤1時，復合管未失效；失效系數(shù)＞1時，復合管失效。

在相同的內(nèi)壓條件下，對公稱外徑為110mm、壁厚相同的RTP復合管，僅改變纏繞角后進行有限元模擬，同時以二分法為依據(jù)進行了角度的選取，分析結(jié)果如表4、圖6所示。

表4 不同纏繞角的復合管的分析結(jié)果Tab．4 Analysis results of composite pipes under different layer angles

圖6 失效因子隨纏繞角變化曲線Fig．6 Failure factor against winding angle

由圖6可知，對于公稱外徑110mm、壁厚相同的RTP復合管在內(nèi)壓相同情況下，耐壓能力隨著角度的增大而變大，到65°之后耐壓能力增加十分緩慢，66°左右時達到最佳耐壓狀態(tài)，67．5°之后耐壓能力開始下降。故公稱外徑為110mm的RTP復合管最佳纏繞角約為66°，鋪層角的合理范圍為：56°～68（°）。以66°為纏繞角生產(chǎn)出的RTP復合管進行爆破壓力實驗，其實驗值與理論值非常接近，從而驗證了模擬結(jié)果的正確性。

2 結(jié)語

RTP具有耐腐蝕、耐熱、耐高壓、質(zhì)輕、運輸安裝便捷、維護成本低等顯著優(yōu)勢，在油氣田、礦山、化工等工業(yè)領域廣泛應用。鋼絲、鋼帶增強復合管等因鋼材本身易腐蝕及質(zhì)量大的特點，限制了其發(fā)展。連續(xù)法生產(chǎn)是效率較高的生產(chǎn)方法，所以連續(xù)法生產(chǎn)非金屬材料增強RTP是一種必然趨勢，其應用前景十分廣闊。

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Research Progresses of Reinforced Thermoplastic Composite Pipes Used for Oil and Gas Industry

WANG Dapeng1，2，LIU Meiling1，JIANG Huanying1，SUN Yan1，WANG Qingzhao1，2＊
（1．College of Chemical ＆Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2．RTP Engineering and Technology Center of Qingdao，Qingdao 266300，China）

This paper reviewed the commercial products，specifications and manufacturers of reinforced thermoplastic composite pipes（RTP）as well as properties of different types RTP products．The current international and domestic standards for RTP were summarized，their molding processes were introduced，and the best winding angle for the processing of RTP was simulated．Finally，the future development of RTP used for oil and gas industry was prospected．

thermoplastic；composite pipe；pressure；winding angle；molding process；research progress

TQ327．1

A

1001－9278（2017）07－0016－07

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．003

2017－04－28

山東科技大學研究生科技創(chuàng)新基金（SDKDYC170363）

＊聯(lián)系人，qzhwang001＠126．com