閆治國(guó)，張驍勇，魏 斌，張 兆

(1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077)

1 概述及應(yīng)用背景

在鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸之后，管道運(yùn)輸作為第五大運(yùn)輸方式，憑借其經(jīng)濟(jì)、高效、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展，是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)不可或缺的一部分。與傳統(tǒng)的鐵路等運(yùn)輸方式相比較，管道運(yùn)輸在節(jié)約土地資源以及環(huán)境保護(hù)方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。

管道一般包括金屬管道、非金屬管道和復(fù)合管道。對(duì)于金屬管道而言，其全部材料都是金屬制成，如傳統(tǒng)鋼管，抗腐蝕能力差、使用壽命短，可能會(huì)造成管道輸送介質(zhì)的泄漏，造成不可挽回的損失[2]。非金屬管道是由非金屬材料制成，如聚烯烴管道，包括聚偏氟乙烯(PVDF)管、高密度聚乙稀(HDPE)管等。相對(duì)于金屬管道而言，非金屬管道由于其材料自身特性，質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、在運(yùn)輸以及安裝時(shí)可盤卷彎曲，因而在石油、天然氣、水資源的輸送中應(yīng)用廣泛。由于塑料材料耐高溫與耐壓能力差的特性，因而非金屬管道很少應(yīng)用于耐熱、耐壓等環(huán)境[3]。在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，往往需要能夠承受較大壓力以及負(fù)載的管道系統(tǒng)，如石油、天然氣的輸送等。一般而言，在運(yùn)輸高溫高壓液體時(shí)選用可以承受較大負(fù)載的金屬管道，但是金屬管道極易腐蝕的問題容易造成很大的經(jīng)濟(jì)損失以及安全事故，并且金屬管是剛性管道，在運(yùn)輸安裝時(shí)不可盤卷，施工難度較大，鋪設(shè)費(fèi)用也較高[4]。

近年來，伴隨著管道行業(yè)的高速發(fā)展，在使用過程中對(duì)于管道的要求也越來越高，尤其是既耐高壓又耐腐蝕的管道[5]。復(fù)合管道一般是由兩種或兩種以上的化學(xué)物質(zhì)組合而成，通過合理的選擇材料以及增強(qiáng)方法，解決了金屬管腐蝕與塑料管耐壓差的問題，性能更加優(yōu)異，因而在油氣輸送等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[6]。

以高性能纖維作為增強(qiáng)層的復(fù)合管道開辟了另一種復(fù)合管道的可能性[7]，纖維增強(qiáng)層一般采用玻璃纖維、碳纖維和滌綸纖維等，這種新型管道通常被稱為纖維纏繞增強(qiáng)柔性復(fù)合管(FRTP)。FRTP的應(yīng)用，解決了金屬管腐蝕以及塑料管承壓低的問題[8]。FRTP不僅保留了非金屬管高的柔韌性、耐腐蝕的特點(diǎn)，同時(shí)又保持了金屬管道高的耐壓性能。整管可進(jìn)行盤卷運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)方便、快速，所以FRTP成為了近年來管道研究的一個(gè)熱門課題[9]。

與目前所使用的常規(guī)管道相對(duì)比，F(xiàn)RTP在性能以及價(jià)格方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)應(yīng)用非常廣泛[10]。其中，高壓小口徑FRTP在油田中應(yīng)用比較廣泛。低壓大口徑FRTP則主要用于城市供水、供氣等[11]。

FRTP一般包括3層結(jié)構(gòu)[12](如圖1所示)，內(nèi)層為聚合物內(nèi)襯層，如高密度聚乙烯(PE-HD)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，在使用時(shí)根據(jù)要求選擇合理的材料作為內(nèi)襯層，以達(dá)到耐腐蝕的作用；中間層為增強(qiáng)層，增強(qiáng)層的種類比較多，常用的包括玻璃纖維、滌綸纖維、碳纖維帶等，主要提高管道的抗內(nèi)壓能力。增強(qiáng)層是由偶數(shù)個(gè)纖維帶通過正反螺旋纏繞而組成的，其纏繞方向與管道軸向之間的夾角約為 ±54.7°。纖維與基體之間可以是浸漬或者是非浸漬的，目前鋪設(shè)的幾乎都是浸漬的，即為粘結(jié)型結(jié)構(gòu)形式；外層一般是由聚乙烯作為外保護(hù)層，主要作用是保護(hù)增強(qiáng)層，具有防止磨損和抗紫外線等作用。

圖1 纖維纏繞增強(qiáng)柔性復(fù)合管

2 FRTP失效形式及原因

2.1 壓力

在FRTP中，纖維增強(qiáng)層起著主要的受力作用。由于增強(qiáng)層纖維具有較高的剛性，其斷裂伸長(zhǎng)率很低，因而，可將增強(qiáng)層近似看成剛性體[13]，當(dāng)其形變量超過斷裂伸長(zhǎng)率時(shí)即失效；由于外保護(hù)層PE-HD主要起保護(hù)管道受到外部腐蝕以及抗紫外線的作用，因而內(nèi)壓對(duì)其影響可以忽略不計(jì)；而內(nèi)襯層的PE-HD是直接接觸輸送介質(zhì)的，因而其直接承受管道內(nèi)部壓力，但是增強(qiáng)層由于其低的斷裂伸長(zhǎng)率，對(duì)內(nèi)襯層具有限制作用，使得內(nèi)襯層的形變量不大于增強(qiáng)層斷裂伸長(zhǎng)率，在其材料彈性形變范圍內(nèi)，輸送介質(zhì)對(duì)內(nèi)襯層的內(nèi)壓力相當(dāng)于內(nèi)襯層PE-HD拉伸時(shí)應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，其值比較小(小于PE-HD的設(shè)計(jì)應(yīng)力)。此外，對(duì)于內(nèi)襯層而言，管道內(nèi)介質(zhì)對(duì)其的壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PE-HD的壓縮強(qiáng)度，這意味著內(nèi)襯層PE-HD在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生壓縮形變[14]。即如果纖維斷裂時(shí)所承受的力大于實(shí)際應(yīng)用中纖維所承受的力，那么FRTP就能在此載荷下安全有效的長(zhǎng)期運(yùn)行。因而，當(dāng)其工作壓力超過纖維帶的斷裂力時(shí)，F(xiàn)RTP的纖維層就會(huì)斷裂，導(dǎo)致其整體失效。由于纖維的排布狀態(tài)，決定著其性能[15]，因而在增強(qiáng)層纏繞時(shí)要注意均勻分布，把控好纏繞角度，一般以其纏繞方向與管道軸向之間的夾角大約±54.7°進(jìn)行正反螺旋纏繞，纖維排布狀態(tài)、纏繞角度這些因素同樣會(huì)使得增強(qiáng)層承壓性能下降。

2.2 輸送介質(zhì)

在FRTP使用過程中, 管道內(nèi)壁會(huì)受到不同的油氣耦合介質(zhì)的化學(xué)侵蝕。在輸送石油和天然氣的過程中，尤其是H2S、CO2等酸性氣體可能會(huì)引起內(nèi)襯層聚烯烴管溶脹、鼓泡等現(xiàn)象。在內(nèi)襯層的破壞過程中水和氧氣也起著決定性的要素，一方面，氧氣一般會(huì)引起熱氧化降解，決定著內(nèi)襯層塑料的破壞機(jī)理；另一方面，具有較高溫度的水會(huì)使得內(nèi)襯層中抗氧劑加速溶解和擴(kuò)散。這些綜合因素會(huì)降低塑料管的密閉性以及屈服強(qiáng)度等，最終使得FRTP服役性能下降[16]。

在管道輸送流體介質(zhì)的過程中，流體介質(zhì)會(huì)與管道內(nèi)襯層產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致內(nèi)襯層材料流失，使得內(nèi)襯層性能下降，從而導(dǎo)致管道破損發(fā)生泄漏。此外，滲透作用同樣會(huì)造成管材的失效，輸送氣體時(shí)，小分子物質(zhì)會(huì)在內(nèi)壓的作用下穿過內(nèi)襯層從而滲透到增強(qiáng)層以及外保護(hù)層，隨著滲透氣體的增多，一旦管道輸送內(nèi)壓降低時(shí)，增強(qiáng)層中存在的氣體可能會(huì)將內(nèi)襯層擠扁，使得內(nèi)襯層塌陷，從而使得管材失效。

2.3 壽命極限

光氧化、慢速裂紋增長(zhǎng)和環(huán)境應(yīng)力是長(zhǎng)期影響管材的幾大因素，會(huì)導(dǎo)致管材失效。聚烯烴在陽光照射下會(huì)發(fā)生氧化，導(dǎo)致其熱氧化降解，從而造成管材失效。盡管大部分FRTP是埋地使用的，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各種因素對(duì)其會(huì)產(chǎn)生一定的影響。FRTP在輸送介質(zhì)時(shí)一般會(huì)受到長(zhǎng)時(shí)間、小負(fù)荷的作用力，在這種長(zhǎng)時(shí)間低應(yīng)力作用下，管道會(huì)發(fā)生脆性緩慢開裂，隨著裂紋的擴(kuò)展， FRTP會(huì)發(fā)生脆性破壞，最終會(huì)導(dǎo)致輸送介質(zhì)的泄漏。在輸送介質(zhì)的過程中，會(huì)伴隨著壓力波動(dòng)的情況。在壓力波動(dòng)時(shí)，F(xiàn)RTP會(huì)發(fā)生輕微變形-恢復(fù)-再變形的情況，這種情況會(huì)使得纖維帶層與層、纖維帶與內(nèi)襯層和外保護(hù)層之間產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致纖維分布不均勻，受力不均勻，降低管道的承壓能力，同時(shí)在摩擦過程中可能會(huì)導(dǎo)致纖維的斷裂，從而導(dǎo)致FRTP失效。

3 FRTP的研究現(xiàn)狀

3.1 制造工藝

FRTP一般是以高密度聚乙烯為內(nèi)襯層，增強(qiáng)層采用纖維帶，經(jīng)過獨(dú)特的工藝處理，從而形成的一種耐壓耐腐蝕的新型復(fù)合管道。目前FRTP生產(chǎn)工藝主要包括一步法與二步法：一步法與二步法的主要區(qū)別在于增強(qiáng)層的編織方式上，一步法是將高強(qiáng)度纖維通過纏繞機(jī)正反纏繞在內(nèi)襯層管體上形成增強(qiáng)層，再擠出包覆外層；二步法是先將高強(qiáng)度纖維制成纖維帶，再通過纏繞機(jī)將纖維帶正反纏繞在內(nèi)襯層管體上，最后包覆外層。一步法與二步法的第二步相同，其一般生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 FRTP生產(chǎn)工藝流程圖

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

FRTP是一種新型的耐壓耐腐蝕的柔性復(fù)合管道，其發(fā)展較晚，20世紀(jì)90年代芳綸纏繞增強(qiáng)柔性復(fù)合管在歐洲開始被投入使用。目前主要在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是油氣運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[17]。由于FRTP外保護(hù)層可以防止磨損和抗紫外線，因而可直接鋪設(shè)在沙漠地區(qū)，同時(shí)，由于其耐腐蝕和耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，也在其他領(lǐng)域迅速推廣[18]。FRTP可制成小口徑中高壓或者大中口徑低壓管道，廣泛應(yīng)用于油田、市政等領(lǐng)域。近些年，國(guó)產(chǎn)小直徑FRTP在大慶、長(zhǎng)慶、塔里木等油田開始大范圍使用，主要用于輸水管線、注醇管線以及油氣的集輸管線。國(guó)外目前應(yīng)用較為廣泛的是芳綸纖維增強(qiáng)柔性復(fù)合管。

耐高壓且柔韌性好，易于盤卷、便于鋪設(shè)和運(yùn)輸是FRTP最顯著的優(yōu)點(diǎn)[19]，目前FRTP主要在以下3個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[20]：

1)陸上油氣輸送

FRTP由于其安全高效、柔韌性好、可盤卷、便于在陸地上鋪設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，因而在陸上油氣輸送過程中廣泛應(yīng)用。同時(shí)其外保護(hù)層起到防止磨損以及抗紫外線作用，使其在沙漠等嚴(yán)酷環(huán)境能夠更好的使用。

2)海上油氣輸送

由于其優(yōu)異的性能，近年來，F(xiàn)RTP管在海洋油氣輸送方面也開始了大量的應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于油氣輸送管道以及注水管[21]。

3)對(duì)受損鋼管進(jìn)行修復(fù)

由于FRTP具有高的抗腐蝕性、良好的柔韌性，因此可以用其對(duì)受損的鋼管進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)鋼管的使用壽命。

4 發(fā)展趨勢(shì)

FRTP自第一次在歐洲使用以來，已將近30年的歷史，但其發(fā)展得比較緩慢，高端新技術(shù)一般對(duì)外封鎖且處在嚴(yán)格保密下，因而，我國(guó)發(fā)展 FRTP不可能依靠全套引進(jìn)設(shè)計(jì)制造等技術(shù)，只能在參考國(guó)外技術(shù)成果的同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)已有技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，更多的依靠自主研發(fā)，不斷推進(jìn)我國(guó)FRTP的發(fā)展[22]。在后續(xù)FRTP的研發(fā)過程中，可能需要對(duì)材料選擇、連接技術(shù)、壽命預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行更深層次的研究[23]。

王慶昭等[24]在傳統(tǒng)聚乙烯作為內(nèi)襯層的基礎(chǔ)上，將內(nèi)襯層材料改為柔性超高分子量聚乙烯，增強(qiáng)層采用正反纏繞的玻璃纖維帶、外保護(hù)層為聚乙烯，由此開發(fā)了柔性超高分子量聚乙烯復(fù)合管，其內(nèi)襯層性能優(yōu)異、密封性能好、不開裂，增強(qiáng)層不易剝離，整管柔韌性好、可盤卷、成本低、耐壓耐腐蝕性優(yōu)異。因而在未來的研究過程中需要選用合理的材料進(jìn)行復(fù)合，做到低成本、高性能。

在管道服役過程中，連接技術(shù)對(duì)管道的安全運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用，管道連接的可靠性與管道安全運(yùn)輸以及管道腐蝕有很大的關(guān)系。目前，管道的連接技術(shù)主要包括電熔管件連接與金屬扣壓管件連接這兩大類。較為常用的是金屬扣壓管件連接，該類連接是用機(jī)械方法將金屬套-插入管體的金屬插口端-FRTP管端壓緊成密封并且可以承受軸向載荷的接頭，金屬接頭之間再通過法蘭或螺紋進(jìn)行連接。這種連接方法較為方便快捷，但是一方面金屬接頭鍛造成本較高，另一方面在使用機(jī)械方法壓緊時(shí)，對(duì)FRTP管體與接頭處造成不可避免的變形與應(yīng)力集中，使得管壁減薄易發(fā)生破損。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)FRTP的連接技術(shù)比較成熟，但是相關(guān)高端技術(shù)幾乎都對(duì)外封鎖。因而在接下來的研究中在考慮成本與安裝便捷的前提下開發(fā)出對(duì)FRTP幾乎無損傷并且接頭性能同等或優(yōu)于FRTP本身的連接方法。

在使用壽命的預(yù)測(cè)方面，一般使用建立在高分子材料“時(shí)溫等效原理”經(jīng)典理論基礎(chǔ)上的“外推法”(ISO 9080標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行聚烯烴管道壽命預(yù)測(cè)評(píng)估，但對(duì)于 FRTP 而言，由于其復(fù)雜的組合構(gòu)成，目前尚未有比較成熟的理論及檢測(cè)評(píng)估方法，需不斷完善FRTP的壽命預(yù)測(cè)理論，對(duì)其進(jìn)行比較準(zhǔn)確的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)分析。

同時(shí)在陸地用FRTP的基礎(chǔ)上，積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行分析研究，不斷完善海洋FRTP的發(fā)展，改進(jìn)其力學(xué)性能。

5 結(jié)語

FRTP自問世以來，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能得到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注，近幾年的發(fā)展速度較快。同時(shí)其失效帶來的問題也越來越嚴(yán)重，在復(fù)合工藝、高效生產(chǎn)、連接技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)方面需要更進(jìn)一步的研究，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)分析以及準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)顯得尤為重要。行業(yè)部門也應(yīng)加強(qiáng)更深層次的交流合作，爭(zhēng)取早日將我國(guó)FRTP的各項(xiàng)理論及應(yīng)用技術(shù)步入世界前列。