1前言
近年來，我國東部油田多已進(jìn)入后期開發(fā)。為了穩(wěn)定原油生產(chǎn)，各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量，提高產(chǎn)液量，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。但是，由于我國淡水資源匱乏，所以在注水工藝中多采用污水回注，根據(jù)國內(nèi)某油田的調(diào)查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，這些物質(zhì)對(duì)金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外都在積極開展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過程中使用高壓玻璃鋼管作為地面油氣集積和輸送管線，以及井下油管、套管已是屢見不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管嚴(yán)重腐蝕問題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國外技術(shù)的現(xiàn)狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個(gè)系統(tǒng)工程，從材料選擇、管材（件）制造、質(zhì)量控制到安裝搶修以及售后服務(wù)，均制定了一整套完整的工藝。經(jīng)在油田實(shí)際運(yùn)行證明，我們研制的高壓玻璃鋼管道完全能夠滿足油田使用要求，主要性能指標(biāo)已超過國際先進(jìn)水平。
2 高壓玻璃鋼管的特點(diǎn)及重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域
采用纖維纏繞工藝制造的高壓玻璃鋼管與傳統(tǒng)的鋼管、混凝土管相比，除具備復(fù)合材料本身的一些優(yōu)異特性外，還具有以下特點(diǎn)：
（1） 使用壽命長(zhǎng)。其設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)到30年至50年；
（2） 性能可設(shè)計(jì)性、產(chǎn)品適用性強(qiáng)?？筛鶕?jù)使用工況設(shè)計(jì)成耐高溫（一般最高可達(dá)120℃，選擇合適的樹脂體系可達(dá)到160℃）、耐高壓（一般最高可達(dá)25MPa；經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，部分型號(hào)可達(dá)到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產(chǎn)品；
（3） 安裝、運(yùn)輸方便，免維護(hù)。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運(yùn)、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個(gè)人和一些必備的簡(jiǎn)單工具即可，工程費(fèi)用低；
（4） 內(nèi)壁光滑，介質(zhì)輸送阻力小。由于模具表面光潔度高，制成的管道內(nèi)壁哈森-威廉姆斯系數(shù)高達(dá)150，且其不結(jié)垢的特性使管內(nèi)壁的光潔度不會(huì)隨時(shí)間而改變；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有機(jī)物。這一點(diǎn)對(duì)于二次和三次采油過程中使用的聚合物和微生物驅(qū)油技術(shù)非常有利；
（6） 導(dǎo)熱系數(shù)小，不足鋼的百分之一，保溫性能好。
高壓玻璃鋼管在石油工業(yè)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
⑴ 原油或天然氣集積和輸送；
⑵ 化學(xué)處理及污水處理管線；
⑶ 高、中、低壓流體輸送管線；
⑷ 鹽水注入管線；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管線；
⑹ 罐進(jìn)、出液管及站內(nèi)管線。
⑺ 生產(chǎn)井，處理井（鹽水、化學(xué)流體或污水），注入井（鹽水、CO2、聚合物、熱等）。
其中⑴--⑹采用高壓玻璃鋼線管，⑺采用高壓玻璃鋼油管、套管。
3 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
3.1 物理機(jī)械性能
高壓玻璃鋼管（線管）與鋼管的性能比較如表1所示。
高壓玻璃鋼管與鋼管的流體性能對(duì)比見圖1。
高壓玻璃鋼管以高強(qiáng)度的連續(xù)無堿無捻粗紗浸漬環(huán)氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，主要制造工藝流程如下圖2所示。
5.1 增強(qiáng)材料
選擇增強(qiáng)材料時(shí)主要考慮如下幾個(gè)因素：
（1） 所用基體材料的類型；
（2） 浸潤劑的種類；
（3） 設(shè)計(jì)上的考慮；
（4） 纏繞設(shè)備；
（5） 制品工況；
（6） 成本因素。
玻璃纖維在選擇時(shí)工藝性能非常重要，因?yàn)楣に囆阅艿暮脡牟粌H影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響生產(chǎn)效率。
（1）樹脂體系的選擇
纖維的類型、品種及鋪層決定了復(fù)合材料的極限強(qiáng)度，而樹脂基體則通過與增強(qiáng)材料的有效匹配和應(yīng)力傳遞作用，使纖維的性能得以充分發(fā)揮，從而制造出高性能的復(fù)合材料制品。此外，高壓玻璃鋼管的有些性能如耐高溫性能、耐腐蝕性和耐老化性能等，主要由樹脂基體決定。
環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂是制造高壓玻璃鋼管時(shí)常用的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，在高溫下具有優(yōu)良的性能保持率。同時(shí)具有優(yōu)異的操作性能和加工性能，用它制成的復(fù)合材料性能優(yōu)良，成本低廉。因此，環(huán)氧樹脂是高壓玻璃鋼管中應(yīng)用得最廣泛的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂中通常含有多個(gè)環(huán)氧基，它可與多種類型的固化劑反應(yīng)，生成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。可按不同的工藝要求和性能要求選擇固化劑。例如，使用胺類固化劑（與液體環(huán)氧樹脂共用）可得到室溫下粘度中等、適用期適中、耐腐蝕性好、高溫性能尚可的基體體系。同時(shí)，為了達(dá)到最佳粘接性能，基體樹脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環(huán)氧樹脂的另一種常用固化劑。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。為了縮短固化時(shí)間，提高固化度，通常引入適當(dāng)比例的促進(jìn)劑。
針對(duì)不同的使用環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種耐溫等級(jí)，兩種輸送介質(zhì)的常規(guī)樹脂體系，見下表3。
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問題關(guān)鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過程。
高壓玻璃鋼管失效時(shí)的環(huán)向應(yīng)力受樹脂體系固化程度的影響較大。因?yàn)橐胩岣咂淠蜏氐燃?jí)，即要求有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，必然要求有較高的固化程度。但固化度越高，樹脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長(zhǎng)相匹配，在進(jìn)行水壓失效壓力試驗(yàn)時(shí)，樹脂基體首先開裂，樹脂與纖維逐漸脫開，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進(jìn)而降低其失效時(shí)的環(huán)向應(yīng)力，使纖維的性能得不到充分發(fā)揮，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的固化程度，以滿足其性能要求。
6 產(chǎn)品規(guī)格
高壓玻璃鋼管的基本參數(shù)見表4。
高壓玻璃鋼管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格的規(guī)范，在材料選擇上有較寬的范圍，對(duì)制造檢驗(yàn)過程要求均較高，我們研制的高壓玻璃鋼管道工藝技術(shù)和安裝技術(shù)已經(jīng)通過一系列試驗(yàn)與生產(chǎn)考核，目前相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)用于油田生產(chǎn)中，技術(shù)性能指標(biāo)滿足實(shí)際使用需求。API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100％的工廠內(nèi)水壓檢驗(yàn)，主要是因?yàn)閷?duì)于油田生產(chǎn)而言，管材的質(zhì)量和制造水平具有重大意義。高壓玻璃鋼管在解決鋼管線穿孔腐蝕、節(jié)能降耗等方面必將發(fā)揮重要作用。隨著各生產(chǎn)廠家的制造工藝水平和用戶認(rèn)知程度的提高，以及質(zhì)量保證體系的進(jìn)一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
近年來，我國東部油田多已進(jìn)入后期開發(fā)。為了穩(wěn)定原油生產(chǎn)，各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量，提高產(chǎn)液量，從而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目的。但是，由于我國淡水資源匱乏，所以在注水工藝中多采用污水回注，根據(jù)國內(nèi)某油田的調(diào)查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，這些物質(zhì)對(duì)金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外都在積極開展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過程中使用高壓玻璃鋼管作為地面油氣集積和輸送管線，以及井下油管、套管已是屢見不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管嚴(yán)重腐蝕問題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國外技術(shù)的現(xiàn)狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個(gè)系統(tǒng)工程，從材料選擇、管材（件）制造、質(zhì)量控制到安裝搶修以及售后服務(wù)，均制定了一整套完整的工藝。經(jīng)在油田實(shí)際運(yùn)行證明，我們研制的高壓玻璃鋼管道完全能夠滿足油田使用要求，主要性能指標(biāo)已超過國際先進(jìn)水平。
2 高壓玻璃鋼管的特點(diǎn)及重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域
采用纖維纏繞工藝制造的高壓玻璃鋼管與傳統(tǒng)的鋼管、混凝土管相比，除具備復(fù)合材料本身的一些優(yōu)異特性外，還具有以下特點(diǎn)：
（1） 使用壽命長(zhǎng)。其設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)到30年至50年；
（2） 性能可設(shè)計(jì)性、產(chǎn)品適用性強(qiáng)?？筛鶕?jù)使用工況設(shè)計(jì)成耐高溫（一般最高可達(dá)120℃，選擇合適的樹脂體系可達(dá)到160℃）、耐高壓（一般最高可達(dá)25MPa；經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，部分型號(hào)可達(dá)到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產(chǎn)品；
（3） 安裝、運(yùn)輸方便，免維護(hù)。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運(yùn)、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個(gè)人和一些必備的簡(jiǎn)單工具即可，工程費(fèi)用低；
（4） 內(nèi)壁光滑，介質(zhì)輸送阻力小。由于模具表面光潔度高，制成的管道內(nèi)壁哈森-威廉姆斯系數(shù)高達(dá)150，且其不結(jié)垢的特性使管內(nèi)壁的光潔度不會(huì)隨時(shí)間而改變；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有機(jī)物。這一點(diǎn)對(duì)于二次和三次采油過程中使用的聚合物和微生物驅(qū)油技術(shù)非常有利；
（6） 導(dǎo)熱系數(shù)小，不足鋼的百分之一，保溫性能好。
高壓玻璃鋼管在石油工業(yè)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：
⑴ 原油或天然氣集積和輸送；
⑵ 化學(xué)處理及污水處理管線；
⑶ 高、中、低壓流體輸送管線；
⑷ 鹽水注入管線；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管線；
⑹ 罐進(jìn)、出液管及站內(nèi)管線。
⑺ 生產(chǎn)井，處理井（鹽水、化學(xué)流體或污水），注入井（鹽水、CO2、聚合物、熱等）。
其中⑴--⑹采用高壓玻璃鋼線管，⑺采用高壓玻璃鋼油管、套管。
3 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
3.1 物理機(jī)械性能
高壓玻璃鋼管（線管）與鋼管的性能比較如表1所示。
高壓玻璃鋼管與鋼管的流體性能對(duì)比見圖1。
圖1 哈森-威廉姆斯系數(shù)（C值）對(duì)比
高壓玻璃鋼管以高強(qiáng)度的連續(xù)無堿無捻粗紗浸漬環(huán)氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，主要制造工藝流程如下圖2所示。
圖2 高壓玻璃鋼管制造工藝流程圖
5.1 增強(qiáng)材料
選擇增強(qiáng)材料時(shí)主要考慮如下幾個(gè)因素：
（1） 所用基體材料的類型；
（2） 浸潤劑的種類；
（3） 設(shè)計(jì)上的考慮；
（4） 纏繞設(shè)備；
（5） 制品工況；
（6） 成本因素。
玻璃纖維在選擇時(shí)工藝性能非常重要，因?yàn)楣に囆阅艿暮脡牟粌H影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接影響生產(chǎn)效率。
表2 常用玻璃纖維的物理—機(jī)械性能
（1）樹脂體系的選擇
纖維的類型、品種及鋪層決定了復(fù)合材料的極限強(qiáng)度，而樹脂基體則通過與增強(qiáng)材料的有效匹配和應(yīng)力傳遞作用，使纖維的性能得以充分發(fā)揮，從而制造出高性能的復(fù)合材料制品。此外，高壓玻璃鋼管的有些性能如耐高溫性能、耐腐蝕性和耐老化性能等，主要由樹脂基體決定。
環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂是制造高壓玻璃鋼管時(shí)常用的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能，在高溫下具有優(yōu)良的性能保持率。同時(shí)具有優(yōu)異的操作性能和加工性能，用它制成的復(fù)合材料性能優(yōu)良，成本低廉。因此，環(huán)氧樹脂是高壓玻璃鋼管中應(yīng)用得最廣泛的樹脂基體。
環(huán)氧樹脂中通常含有多個(gè)環(huán)氧基，它可與多種類型的固化劑反應(yīng)，生成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。可按不同的工藝要求和性能要求選擇固化劑。例如，使用胺類固化劑（與液體環(huán)氧樹脂共用）可得到室溫下粘度中等、適用期適中、耐腐蝕性好、高溫性能尚可的基體體系。同時(shí)，為了達(dá)到最佳粘接性能，基體樹脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環(huán)氧樹脂的另一種常用固化劑。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。為了縮短固化時(shí)間，提高固化度，通常引入適當(dāng)比例的促進(jìn)劑。
針對(duì)不同的使用環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種耐溫等級(jí)，兩種輸送介質(zhì)的常規(guī)樹脂體系，見下表3。
表3 高壓玻璃鋼管的樹脂體系與耐溫等級(jí)
注：1.耐溫等級(jí)為長(zhǎng)期使用溫度上限；
2.根據(jù)輸送介質(zhì)濃度、溫度選擇相應(yīng)的樹脂體系。表中所列數(shù)值只針對(duì)某一特定樹脂體系。
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問題關(guān)鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過程。
高壓玻璃鋼管失效時(shí)的環(huán)向應(yīng)力受樹脂體系固化程度的影響較大。因?yàn)橐胩岣咂淠蜏氐燃?jí)，即要求有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，必然要求有較高的固化程度。但固化度越高，樹脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長(zhǎng)相匹配，在進(jìn)行水壓失效壓力試驗(yàn)時(shí)，樹脂基體首先開裂，樹脂與纖維逐漸脫開，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進(jìn)而降低其失效時(shí)的環(huán)向應(yīng)力，使纖維的性能得不到充分發(fā)揮，因此，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的固化程度，以滿足其性能要求。
6 產(chǎn)品規(guī)格
高壓玻璃鋼管的基本參數(shù)見表4。
表4 高壓玻璃鋼線管的基本參數(shù)
| 項(xiàng) 目 | 數(shù) 值 | ||||||
| 公稱規(guī)格（mm） | DN40 | DN50 | DN65 | DN80 | DN100 | DN150 | DN200 |
| 螺紋尺寸（in） | 1.900 | 23/8 | 27/8 | 31/2 | 41/2 | 7 | 85/8 |
| 公稱長(zhǎng)度（m） | 9.144 | ||||||
| 公稱壓力等級(jí)（MPa） | PN3.5～PN25 | ||||||
| 耐溫等級(jí)（℃） | ～120 | ||||||
高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)見表5。
表5 高壓玻璃鋼管件的基本參數(shù)
高壓玻璃鋼管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格的規(guī)范，在材料選擇上有較寬的范圍，對(duì)制造檢驗(yàn)過程要求均較高，我們研制的高壓玻璃鋼管道工藝技術(shù)和安裝技術(shù)已經(jīng)通過一系列試驗(yàn)與生產(chǎn)考核，目前相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)用于油田生產(chǎn)中，技術(shù)性能指標(biāo)滿足實(shí)際使用需求。API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100％的工廠內(nèi)水壓檢驗(yàn)，主要是因?yàn)閷?duì)于油田生產(chǎn)而言，管材的質(zhì)量和制造水平具有重大意義。高壓玻璃鋼管在解決鋼管線穿孔腐蝕、節(jié)能降耗等方面必將發(fā)揮重要作用。隨著各生產(chǎn)廠家的制造工藝水平和用戶認(rèn)知程度的提高，以及質(zhì)量保證體系的進(jìn)一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
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