油气输送用非金属压力管道的应用分析

2021-05-12 12:02:15 作者：CPEC承压设备专委会来源：CPEC承压设备专委会分享至：

引言

管道运输一直是石油、化工、天然气等行业最常用、最经济、最安全的运输方式，钢质管道一直是首要和主要的选择。然而随着开发的深入，油田介质环境越来越严苛，腐蚀介质含量、含水量、介质温度越来越高，金属管道的腐蚀问题日益突出，经济损失、维修成本也迅速上升，已经成为影响工程安全运行和经济效益的重要因素之一。而非金属压力管道由于耐腐蚀、流体阻力小、寿命长、长期经济效益显著等优势，在油气输送中的应用越来越广泛。但非金属及复合管道种类繁多，可选择性大，材料的改性，新产品新工艺的开发、更新较快，因此了解各非金属管道的性能、特点、应用范围以及使用中暴露的问题和原因分析，对有针对性的合理选择管材，实现经济、性能最大化至关重要。

非金属压力管道的分类及特点

油气输送用非金属压力管道可大致分为塑料管、热固性增强复合管、热塑性增强复合管以及钢塑复合管四类。详细分类见图1。

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图1 非金属压力管道分类

2.1塑料管

2.1.1 聚乙烯管（PE）

聚乙烯树脂是由乙烯单体聚合而成，由于聚合反应的条件不同，可以得到不同密度的树脂，主要分为高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）。与普通聚乙烯相比，分子结构相同，但具有极高分子量的超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）具有更优异的性能，其比强度、耐磨性均为塑料之首。与普通高密度聚乙烯相比，超高分子量具有以下优势：

1）极高的耐磨性。UHMW-PE具有直链结构和良好的分子链柔顺性，使它具有极高的抗滑动摩擦能力，其耐磨性是钢管的4-7倍，聚丙烯管3倍。

2）抗冲击性强。抗冲击性、抗环境应力开裂能力、抗刻划能力均位于各类塑料前列，其冲击强度为聚乙烯的4倍，尼龙66的10倍，聚氯乙烯的20倍。

3）耐腐蚀性能。UHMW-PE管的化学性能非常稳定，能耐各种腐蚀性介质和有机溶剂的侵蚀。

4）流动性好。超高分子量聚乙烯管道具有自润滑和不粘着性，摩擦系数小，仅为聚丙烯的1/2，普通聚乙烯的1/5，钢管的1/6，橡胶的1/20。而且由于材料极性低，不易结垢，即使结垢也难以附着，使其保持内壁光滑，流动阻力非常小，可使流速长期不减，

5）耐低温性能。超高分子量聚乙烯管的适温性宽，可长期在-269~80℃下工作，而且其耐低温性能优异，抗冲击、耐磨性能在低温下基本不变，是目前唯一可以在接近绝对零度工作的一种工程塑料。

6）安装性能。UHMW-PE管密度小，易于运输，出厂可直接带法兰后翻边，安装、连接方便。

但由于UHMW-PE为线型分子链结构，且分子链较长，易缠结，流动性差，易受剪切力作用发生断裂，或受热发生降解，影响加工性能，弯曲性能和蠕变性能较差。目前可通过填充、共混、交联等方法进行改性。

2.1.2 尼龙管（PA）

在石油化工行业常用的为MC尼龙管、增强MC尼龙管。MC尼龙管又称单体铸型尼龙，它是在常压下，采用阴离子聚合反应技术，将熔融的原料已内酰胺单体用碱性的物质作催化剂，与活化剂等助剂一起制成待聚单体，直接注入预热到一定温度的模具中，使物料在模具内很快地进行聚合反应，凝结成坚韧的固体胚件，再经过有关工艺处理，得到预定的制品管。MC尼龙不仅生产工艺简单，结晶度高，而且具有耐磨、耐腐蚀、自润滑等优异的性能，但MC尼龙具有弹性模量较高、尺寸稳定性差以及低温韧性不好等不足，限制了它在石油化工等行业的应用，因此需要应对需求进行改性和增强。

增强MC尼龙管则是在MC尼龙的基础上添加了适量的玻璃纤维等增强剂，在常压下采用离心或静态浇铸工艺，使之改性增强。与纯MC尼龙相比，其机械强度、尺寸稳定性、耐疲劳强度等性能均大幅度提高。

2.2热固性增强复合管

2.2.1 玻璃钢管（FRP）

玻璃钢是一种以合成树脂为基体材料，以玻璃纤维及其制品作为增强材料的复合材料。玻璃钢管道以其轻质、高强、耐腐蚀的优异性能应用于石油、化工、海上石油平台、海水淡化厂等领域。其主要结构如图2所示，主要由内层的防腐层、防渗层，中间的结构层以及外保层组成。在实际应用过程中，为了提高环刚度，用于埋地管道，多采用夹砂或加筋结构，即在生产过程中，在纤维之间均匀的布上石英砂作为加砂层，既能提高管道环刚度又能降低用料成本。

图2 玻璃钢管结构示意图

玻璃钢管的主要优势为：

1）耐腐蚀能力强。玻璃钢管道在面对酸、碱、盐、强氧化物、卤素、腐蚀性土壤、地下水等均有优异的抗腐蚀性能。

2）不结垢。玻璃钢管与其他材质管道的粗糙度对比见表1。

3）热力损失小。玻璃钢管的导热系数0.40W/mK，仅为钢的九十分之一左右，是热的不良导体，具有良好的保温性能。

4）绝缘性能好。玻璃钢管道具有电绝缘性，电阻大于1012Ω，有利于在多雷雨地带及电路密集地域铺展。玻璃钢与其他材质的电、热学性能对比见表1。

表1玻璃钢与其他材质的性能对比

5）轻质高强。玻璃钢材质轻，密度、比重仅为钢材的四分之一，却具有中碳钢级别的强度，比强度是钢材的4倍。而且由于其材料内部的纤维的作用，可以阻止其裂纹扩展，具有优良的抗疲劳性能，不易发生爆裂现象，安全指数高。

6）经济性。玻璃钢管由于内壁光滑不结垢，即节省了后期清管维护费用，又降低了结垢结蜡所造成的能耗损失。同时由于寿命高等优势，使得玻璃钢管道相对于钢制管道综合成本要低得多，在非金属管道中也有较大的优势（见表2）。

表2非金属管道与钢质管道经济性对比（DN50）

但玻璃钢管道具有脆性大、单管长度有限、弹性模量低等缺陷，而且施工、修复有一定局限性，对室外施工温度要求高，需温度在6℃以上才能连接，冬季施工困难。

2.2.2 塑料合金复合管

塑料合金复合管就是用两种或多种不同结构单元的均聚物或共聚物的混合物拉制成塑料合金管作为内衬层，再以连续纤维缠绕形成的增强增作为结构层的复合管。其内衬层由聚氯乙烯树脂、氯化聚氯乙烯树脂、氯化聚乙烯树脂等材料构成，结构层多为无碱玻璃纤维或不饱和聚酯树脂等缠绕而成，三层结构的塑料合金复合管还具有外保护层（图3），也可根据实际实际应用条件增加聚氨酯泡沫保温层。

图3 塑料合金复合管结构示意图

塑料合金复合管将热固性材料和热塑性材料各自的优势充分的结合起来，其内衬层具有优良的防腐、防渗、性能，流体力学性能好，可以阻挡油、酸、碱等介质的腐蚀，内表面光滑，不易结垢，流体阻力小。结构层起增强作用，提高管道的强度和抗压、抗拉能力。外保护层则起到外防腐和保护管材的作用。

塑料合金复合管虽然承压能力强，但管径受限，一般只有DN40-DN200（表3）。而且塑料合金复合管的弹性模量低，在实际使用中，与其他金属管的连接处，由于二者的抗拉强度较大，在内压较大或出现压力波动时，容易产生边缘应力而破裂，或者发生疲劳破坏。另外，塑料合金复合管的耐温性能较差，其工作温度范围为-30~110℃，由于各层的热胀系数不同，长期在过高温度下运行时会发生分层、卷曲等损伤。

表3塑料合金复合管的适用条件

2.3热塑性增强复合管

2.3.1 钢骨架增强聚乙烯复合管

钢骨架增强聚乙烯复合管是以钢骨架作为增强相，以聚乙烯为基体，利用钢骨架孔隙将其内外层的聚乙烯基体连在一起的成型方式生产的复合管，充分结合了钢塑各自的优势。按照制造方法不同可分为钢板网骨架、钢丝焊接骨架、钢丝缠绕骨架增强聚乙烯复合管三种。主要结构由内外聚乙烯层、中间钢丝网骨架构成（图4）。

图4 钢骨架增强聚乙烯复合管结构示意图

钢骨架增强聚乙烯复合管具有以下优势：

1）双面防腐。具备PE管级别的防腐、流体阻力小等功能，且为双面防腐。

2）抗蠕变性能好，金属的蠕变温度一般在其熔点的0.3倍左右，该管道的使用温度下，钢并不会发生蠕变，因此钢骨架的存在也就限制了聚乙烯蠕变，提高了管道的抗蠕变性能。

3）中间层采用钢网骨架，可以提高管道的耐压性、抗冲击性。内外层采用同种热塑性塑料，透过钢丝骨架的空隙熔接在一起，类似于钢筋混凝土结构，不存在因为热胀系数不同热胀冷缩所导致的界面分层问题。

但钢骨架增强聚乙烯复合管也具有一定的局限性，其输送介质的温度范围较窄，用于输送燃气、液化石油气时输送介质温度一般为-20~40℃，用于石油、化工等工业用钢骨架聚乙烯复合管的使用温度范围为一般不能超过70℃。该管道的工作压力也较低，介质为天然气时最高不超过1.6MPa，工业用管道最高不超过4.0MPa。而且管材的施工难度大，尤其是冬季，表面温度小于-3℃就需要根据温度调整焊接参数，焊接时需要搭建临时棚来提高焊接时温度，焊接完成后还需要对焊口进行适当地保温。

2.3.2 柔性复合管

柔性复合管是一种由改性高分子聚合物制成的具有多层结构的复合管道，其主要结构如图5所示，内衬层通常由聚乙烯、尼龙、聚偏氟乙烯、耐热聚乙烯、交联高密度聚乙烯以及其他的改性高分子聚合物树脂挤出成型，起防腐防渗作用。中间增强层是在聚合物内衬管上编织或缠绕涤纶、芳纶纤维或者钢丝绳等，可为一层或多层，起承担管道内压强度的作用。最外层为外保护层，同样由高分子聚合物挤出成型，外防腐、防磨损、抗紫外线老化。我国有些企业自主研制的柔性复合管油管还会在增强层之间缠绕高分子纤维带来建立抗磨层，以减少增强层间摩擦力，得到更好的界面效果。

图5 柔性复合管结构示意图

柔性复合管面对管内介质的防腐、耐磨、防垢，耐温等性能往往取决于其内衬层所用的高分子聚合物树脂，几种常用树脂的相关性质见表4。纤维缠绕的增强层使其具有一定的抗压、抗冲击性能。

柔性复合管自身最大的优势是：

1）柔韧性好，使用中可自由弯曲，有效地降低了地形复杂、地质起伏等环境因素对施工造成的干扰，在服役过程中也能更好地应对地震、滑坡、冻土融沉等自然灾害。

2）单管线长可达千米，可盘管，易于存储，运输方便，也可根据实际使用情况定制管长，减少浪费。

3）施工不依赖动力电源，无需明火作业，极大地提高了油田施工的安全系数，降低了人员伤害的几率。

表4几种常用的高分子聚合物树脂的性质

2.4钢塑复合管

钢塑复合管充分结合钢管的机械性能和塑料管的防腐等性能，根据基材不同，可分为涂塑钢管和衬塑钢管两种。涂塑复合管是指以钢管为基材，内涂或内、外均涂聚乙烯、环氧树脂等塑料粉末，经升温熔融粘合而成。衬塑钢管根据生产工艺的不同，可以分为松衬、紧衬、滚衬、模压四种衬塑方式。

常见的衬塑层塑料聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚烯烃（PO）、聚四氟乙烯（PTFE）、超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）等，由于钢管基体在衬塑加工过程中性能几乎保持不变，因此衬塑层塑料的质量和性能往往是衬塑钢复合管性能的关键，在面对管内介质，衬塑层具备同型号的塑料管的防腐、防渗、抗垢等性能。

钢塑复合管既能充分发挥各种高分子聚合物材料的耐腐蚀优势，解决传统金属管道易腐蚀穿孔、寿命短的不足，又能避免非金属管道强度低、刚度低、只能埋地使用难以支吊安装等问题，还可以根据介质、环境的实际情况选择最适合最经济的高分子聚合物塑料作为内衬层。

非金属压力管道的应用及遇到的问题

3.1玻璃钢管的应用及遇到的问题

玻璃钢管最早应用在城市给排水管线，后期随着制造工艺越来越成熟，性能日益提高，也广泛应用于石油、化工等工业领域，以大庆油田为例，应用的所有非金属管道中，玻璃钢管道的比例最高，高达65%以上。由于玻璃钢管自身存在局限性，在使用过程中会出现渗漏、破损，缺陷位置主要在螺纹接头处、玻璃钢管道与钢质管道的连接处、穿越公路处等，其原因可能为以下几个方面：

1）玻璃钢管本身质量问题。在管材制备过程中由于浸胶工艺控制不当导致增强剂不能完全与树脂浸润，形成干斑缺陷。还可能存在层合板破裂、夹杂，树脂凸出以及不合理装卸造成的划痕等缺陷。

2）连接处薄弱。由于玻璃钢管弹性模量及热胀系数均与金属管道有较大差异，因此在玻璃钢管与金属管螺纹连接处，在内压以及穿越公路处震动较大的区域，由于两种管线振幅、频率的不相同，容易造成螺纹接头破坏渗漏。

3）安装施工问题。玻璃钢管脆性大，当变形率达到2%~3%时就会发生破坏，因此在运输、施工过程中容易造成机械损伤。另外，玻璃钢管道韧性差，单根长度有限，接头多，在管道敷设过程中如果弯度过大，容易在弯曲处形成微观裂纹，在长期使用过程中，裂纹尖端应力集中，造成裂纹扩展，当达到材料强度极限时便会发生脆性断裂。

4）使用环境问题。玻璃钢管由于接头性能和抗冲击性能较差，不适宜在沙漠、戈壁、泥摊等土质松软、地质起伏大的区域。

3.2塑料合金复合管的应用及遇到的问题

塑料合金复合管与玻璃钢管同为热固性增强复合管，应用范围及出现的问题有诸多类似之处。塑料合金复合管的耐温性能差，当运行时间较长或介质温度较高时，各层之前由于热膨胀系数不同导致膨胀程度不同，进而出现收缩、分层、卷曲等缺陷，堵塞管道。同时由于胶粘剂的玻璃转化温度偏低，此种条件下也容易导致塑料合金复合管的钢制接头脱粘。

某油田的塑料合金复合管集油管线，在投入使用六年后发生爆裂事故，该管道的内衬层由聚乙烯树脂、氯化聚乙烯树脂、氯化聚氯乙烯树脂组成，分析表明该内衬塑料中添加了过量的添加剂，破坏了塑料分子结构，降低了管材的力学性能，也降低了内衬层树脂的玻璃化转变温度，影响了管道热特性，长期服役过程中最终发生爆裂。

3.3钢骨架增强聚乙烯复合管的应用及遇到的问题

钢骨架增强聚乙烯复合管广泛应用于输油管线、含油污水外输管线。吐哈油田某输油管线采用钢骨架增强超高分子量聚乙烯复合管，埋地敷设，全长22km，设计压力3.0MPa，回填完成后六次试压试验全部失败，只能放弃使用。某石化公司化工厂含盐污水处理系统的地下管道采用钢骨架增强高密度聚乙烯复合管道，服役两个月后便出现多次严重爆裂跑水事故。经分析，原因可能为以下几个方面：

1）原材料的质量问题。有些管道内层聚乙烯树脂选材不合格，OIT低于标准值，耐热氧化稳定性差，在介质温度较高时，容易发生氧化降解，出现沿轴向的环境应力开裂。

2）管材设计缺陷。有的钢骨架增强聚乙烯复合管过分追求管道径向承压能力，采用垂直于轴向的钢骨架的缠绕方式，但这种缠绕方式无法承受足够的轴向力，在管道经过长时间轴向力的拉伸后，钢骨架的缠绕密度就会变小，也就变相的减弱了径向承压能力，减小管道的整体耐压强度。

3）安装施工问题。埋地管道敷设时，一般采用电熔连接，套筒内并没有钢骨架增强层，耐压强度薄弱。管端焊接裸露增强钢丝容易腐蚀，发生接头连接失效。另外钢骨架增强聚乙烯复合管刚性较差，如果施工管线过长，连接后会导致刚度不足，在管沟中呈现S型排列，会使局部管线应承受过大冲击力而破裂。

4）使用环境问题。钢骨架增强聚乙烯复合管刚度低，不适于架空使用，长期使用会导致管道变形造成强度下降，而且露天使用尤其在昼夜温差大的地区，容易加速聚乙烯层的老化，影响管道任性和强度。

3.4柔性复合管的应用及遇到的问题

柔性复合管主要应用于油气田集输、注水、污水处理、三次采油、高压注醇等领域。大庆油田截至2010年投用注醇柔性复合管线近200公里，输油、注水管线800公里。塔中油气田在处于沙漠腹地的高压、高H2S区域使用柔性复合输送管代替了同等规格的抗硫碳钢管线，共计使用13条，长度超过50公里。但柔性复合管应用于沙漠特殊环境中，在风沙季节里，沙堆的迁移容易造成管线悬空、裸露，由于柔性复合管抗紫外线性能较弱，不宜在阳光下暴晒，容易出现损伤及降低使用寿命，因此设计施工时应避开风口位置。另外，柔性复合管虽然接头较少，但接头处往往为管线的薄弱环节，容易出现渗漏现象，主要是因为接头处的钢制法兰或丝扣选材不当，施工不规范造成的。

3.5钢塑复合管的应用及遇到的问题

钢塑复合管可应用于化工行业输送腐蚀性气体、液体、固体粉末的工艺管道，油气田采油、集输、含油污水管道以及电力、冶金、采矿等领域，根据实际环境条件，如需外防腐还可以在钢管外涂敷3PE结构。影响钢塑复合管质量的最大因素就是复合程度，即内衬管与钢管“粘接”的是否牢靠，如果出现管端缩口、内衬管内缩与钢管内壁脱粘分离，则会严重影响管道的使用寿命，甚至造成管道堵塞。造成这一破坏现象的原因可能是热熔胶等原材料选择不当；生产过程中未能释放内衬塑料管残余应力；由于塑料内衬管与金属管的热胀系数相差交大，在高温差环境下服役造成的钢、塑管热胀冷缩不均等。在施工现场安装过程中，为防止焊接过程中破坏内衬层，往往采用法兰连接，但在管道变径、变向时，主管与支管，直管与弯头的法兰容易出现螺栓孔对位困难，应采用一端平焊法兰一端松套法兰的形式连接。

3.6非金属压力管道存在的共性问题

1）应用范围受限。目前非金属管道在油气领域的应用仅限于短距离输送，无法应用于大型长输管道。能接受的介质温度普遍低于90℃，很难达达到高温输送的使用要求。

2）检测与维修问题。目前尚缺乏像金属管道一样有效地探测、探伤手段。在维修问题上，需要专业的维修队伍、技术手段、维修工具以及材料，目前大多数使用单位尚不具备，往往需要联系专业厂家维修，周期长，进度慢，且室外条件下维修无法保证修复质量。

3）市场准入机制不健全。非金属管市场监管不足，产品质量参差不齐，生产商对产品检验不规范，不全面。

4）标准、规范不够完善。非金属管道受原材料、配方、工艺等影响大，目前还没有完善的设计和选材标准。且非金属管道新产品开发较快，相应产品标准的修订跟进不够及时。也缺乏相应的施工和施工质量验收规范。目前现有标准也存在重复制定，同类技术条款规定不一致，产品名称范围界定不当等问题。

5）运行中的其他问题。液体流过管道或多孔介质时，容易在界面处形成偶电子层，造成液体静电起电问题，而非金属材料的高绝缘性，无法将静电导出，容易引发安全问题。且由于塑料的特殊性质，容易跟石油中某些成分相容，造成管道失效、堵塞等问题。

结束语

非金属及复合管道具备金属管道无法比拟的优势，面对日益严苛的介质环境，应用舞台越来越广阔，在新建管段、维修更换管段中应用的比例逐年升高。但非金属管道种类繁多，性能各异，新型产品层出不穷，在油气输送领域应用经验不足，对管材材质与介质的兼容性认识不够，标准规范不完善等给实际应用造成了不少困难。因此除保障产品质量，加强质检力度，完善设计标准、安装规范之外，使用单位还应了解各非金属管道的性能、特点、应用经验，结合介质自身特点及敷设运行环境，有针对性的合理选择管材，实现经济、性能最大化。随着广泛的应用实践，探索优化，不断突破暴露的应用短板和技术瓶颈，非金属管道在油气输送中的应用将会有更广阔的前景。

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