纤维缠绕增强柔性复合管研究现状与发展趋势

闫治国，张骁勇，魏 斌，张 兆

(1.西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室，中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077)

1 概述及应用背景

在铁路、公路、水运、航空运输之后，管道运输作为第五大运输方式，凭借其经济、高效、安全可靠等优点迅速发展，是现代社会经济不可或缺的一部分。与传统的铁路等运输方式相比较，管道运输在节约土地资源以及环境保护方面具有其独特的优势[1]。

管道一般包括金属管道、非金属管道和复合管道。对于金属管道而言，其全部材料都是金属制成，如传统钢管，抗腐蚀能力差、使用寿命短，可能会造成管道输送介质的泄漏，造成不可挽回的损失[2]。非金属管道是由非金属材料制成，如聚烯烃管道，包括聚偏氟乙烯(PVDF)管、高密度聚乙稀(HDPE)管等。相对于金属管道而言，非金属管道由于其材料自身特性，质量轻、耐腐蚀性能好、在运输以及安装时可盘卷弯曲，因而在石油、天然气、水资源的输送中应用广泛。由于塑料材料耐高温与耐压能力差的特性，因而非金属管道很少应用于耐热、耐压等环境[3]。在很多应用领域中，往往需要能够承受较大压力以及负载的管道系统，如石油、天然气的输送等。一般而言，在运输高温高压液体时选用可以承受较大负载的金属管道，但是金属管道极易腐蚀的问题容易造成很大的经济损失以及安全事故，并且金属管是刚性管道，在运输安装时不可盘卷，施工难度较大，铺设费用也较高[4]。

近年来，伴随着管道行业的高速发展，在使用过程中对于管道的要求也越来越高，尤其是既耐高压又耐腐蚀的管道[5]。复合管道一般是由两种或两种以上的化学物质组合而成，通过合理的选择材料以及增强方法，解决了金属管腐蚀与塑料管耐压差的问题，性能更加优异，因而在油气输送等方面获得了广泛的应用[6]。

以高性能纤维作为增强层的复合管道开辟了另一种复合管道的可能性[7]，纤维增强层一般采用玻璃纤维、碳纤维和涤纶纤维等，这种新型管道通常被称为纤维缠绕增强柔性复合管(FRTP)。FRTP的应用，解决了金属管腐蚀以及塑料管承压低的问题[8]。FRTP不仅保留了非金属管高的柔韧性、耐腐蚀的特点，同时又保持了金属管道高的耐压性能。整管可进行盘卷运输，现场铺设方便、快速，所以FRTP成为了近年来管道研究的一个热门课题[9]。

与目前所使用的常规管道相对比，FRTP在性能以及价格方面具有很大的优势，其市场应用非常广泛[10]。其中，高压小口径FRTP在油田中应用比较广泛。低压大口径FRTP则主要用于城市供水、供气等[11]。

FRTP一般包括3层结构[12](如图1所示)，内层为聚合物内衬层，如高密度聚乙烯(PE-HD)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，在使用时根据要求选择合理的材料作为内衬层，以达到耐腐蚀的作用；中间层为增强层，增强层的种类比较多，常用的包括玻璃纤维、涤纶纤维、碳纤维带等，主要提高管道的抗内压能力。增强层是由偶数个纤维带通过正反螺旋缠绕而组成的，其缠绕方向与管道轴向之间的夹角约为 ±54.7°。纤维与基体之间可以是浸渍或者是非浸渍的，目前铺设的几乎都是浸渍的，即为粘结型结构形式；外层一般是由聚乙烯作为外保护层，主要作用是保护增强层，具有防止磨损和抗紫外线等作用。

图1 纤维缠绕增强柔性复合管

2 FRTP失效形式及原因

2.1 压力

在FRTP中，纤维增强层起着主要的受力作用。由于增强层纤维具有较高的刚性，其断裂伸长率很低，因而，可将增强层近似看成刚性体[13]，当其形变量超过断裂伸长率时即失效；由于外保护层PE-HD主要起保护管道受到外部腐蚀以及抗紫外线的作用，因而内压对其影响可以忽略不计；而内衬层的PE-HD是直接接触输送介质的，因而其直接承受管道内部压力，但是增强层由于其低的断裂伸长率，对内衬层具有限制作用，使得内衬层的形变量不大于增强层断裂伸长率，在其材料弹性形变范围内，输送介质对内衬层的内压力相当于内衬层PE-HD拉伸时应变所对应的应力，其值比较小(小于PE-HD的设计应力)。此外，对于内衬层而言，管道内介质对其的压应力远远小于PE-HD的压缩强度，这意味着内衬层PE-HD在使用过程中不会产生压缩形变[14]。即如果纤维断裂时所承受的力大于实际应用中纤维所承受的力，那么FRTP就能在此载荷下安全有效的长期运行。因而，当其工作压力超过纤维带的断裂力时，FRTP的纤维层就会断裂，导致其整体失效。由于纤维的排布状态，决定着其性能[15]，因而在增强层缠绕时要注意均匀分布，把控好缠绕角度，一般以其缠绕方向与管道轴向之间的夹角大约±54.7°进行正反螺旋缠绕，纤维排布状态、缠绕角度这些因素同样会使得增强层承压性能下降。

2.2 输送介质

在FRTP使用过程中, 管道内壁会受到不同的油气耦合介质的化学侵蚀。在输送石油和天然气的过程中，尤其是H2S、CO2等酸性气体可能会引起内衬层聚烯烃管溶胀、鼓泡等现象。在内衬层的破坏过程中水和氧气也起着决定性的要素，一方面，氧气一般会引起热氧化降解，决定着内衬层塑料的破坏机理；另一方面，具有较高温度的水会使得内衬层中抗氧剂加速溶解和扩散。这些综合因素会降低塑料管的密闭性以及屈服强度等，最终使得FRTP服役性能下降[16]。

在管道输送流体介质的过程中，流体介质会与管道内衬层产生磨损，导致内衬层材料流失，使得内衬层性能下降，从而导致管道破损发生泄漏。此外，渗透作用同样会造成管材的失效，输送气体时，小分子物质会在内压的作用下穿过内衬层从而渗透到增强层以及外保护层，随着渗透气体的增多，一旦管道输送内压降低时，增强层中存在的气体可能会将内衬层挤扁，使得内衬层塌陷，从而使得管材失效。

2.3 寿命极限

光氧化、慢速裂纹增长和环境应力是长期影响管材的几大因素，会导致管材失效。聚烯烃在阳光照射下会发生氧化，导致其热氧化降解，从而造成管材失效。尽管大部分FRTP是埋地使用的，但随着时间的延长，各种因素对其会产生一定的影响。FRTP在输送介质时一般会受到长时间、小负荷的作用力，在这种长时间低应力作用下，管道会发生脆性缓慢开裂，随着裂纹的扩展， FRTP会发生脆性破坏，最终会导致输送介质的泄漏。在输送介质的过程中，会伴随着压力波动的情况。在压力波动时，FRTP会发生轻微变形-恢复-再变形的情况，这种情况会使得纤维带层与层、纤维带与内衬层和外保护层之间产生摩擦，导致纤维分布不均匀，受力不均匀，降低管道的承压能力，同时在摩擦过程中可能会导致纤维的断裂，从而导致FRTP失效。

3 FRTP的研究现状

3.1 制造工艺

FRTP一般是以高密度聚乙烯为内衬层，增强层采用纤维带，经过独特的工艺处理，从而形成的一种耐压耐腐蚀的新型复合管道。目前FRTP生产工艺主要包括一步法与二步法：一步法与二步法的主要区别在于增强层的编织方式上，一步法是将高强度纤维通过缠绕机正反缠绕在内衬层管体上形成增强层，再挤出包覆外层；二步法是先将高强度纤维制成纤维带，再通过缠绕机将纤维带正反缠绕在内衬层管体上，最后包覆外层。一步法与二步法的第二步相同，其一般生产工艺流程如图2所示。

图2 FRTP生产工艺流程图

3.2 应用现状

FRTP是一种新型的耐压耐腐蚀的柔性复合管道，其发展较晚，20世纪90年代芳纶缠绕增强柔性复合管在欧洲开始被投入使用。目前主要在工业领域，尤其是油气运输领域应用广泛[17]。由于FRTP外保护层可以防止磨损和抗紫外线，因而可直接铺设在沙漠地区，同时，由于其耐腐蚀和耐高压的优点，也在其他领域迅速推广[18]。FRTP可制成小口径中高压或者大中口径低压管道，广泛应用于油田、市政等领域。近些年，国产小直径FRTP在大庆、长庆、塔里木等油田开始大范围使用，主要用于输水管线、注醇管线以及油气的集输管线。国外目前应用较为广泛的是芳纶纤维增强柔性复合管。

耐高压且柔韧性好，易于盘卷、便于铺设和运输是FRTP最显著的优点[19]，目前FRTP主要在以下3个领域广泛应用[20]：

1)陆上油气输送

FRTP由于其安全高效、柔韧性好、可盘卷、便于在陆地上铺设等优点，因而在陆上油气输送过程中广泛应用。同时其外保护层起到防止磨损以及抗紫外线作用，使其在沙漠等严酷环境能够更好的使用。

2)海上油气输送

由于其优异的性能，近年来，FRTP管在海洋油气输送方面也开始了大量的应用，目前主要应用于油气输送管道以及注水管[21]。

3)对受损钢管进行修复

由于FRTP具有高的抗腐蚀性、良好的柔韧性，因此可以用其对受损的钢管进行修复，延长钢管的使用寿命。

4 发展趋势

FRTP自第一次在欧洲使用以来，已将近30年的历史，但其发展得比较缓慢，高端新技术一般对外封锁且处在严格保密下，因而，我国发展 FRTP不可能依靠全套引进设计制造等技术，只能在参考国外技术成果的同时，根据国内已有技术对其进行优化，更多的依靠自主研发，不断推进我国FRTP的发展[22]。在后续FRTP的研发过程中，可能需要对材料选择、连接技术、寿命预测等方面进行更深层次的研究[23]。

王庆昭等[24]在传统聚乙烯作为内衬层的基础上，将内衬层材料改为柔性超高分子量聚乙烯，增强层采用正反缠绕的玻璃纤维带、外保护层为聚乙烯，由此开发了柔性超高分子量聚乙烯复合管，其内衬层性能优异、密封性能好、不开裂，增强层不易剥离，整管柔韧性好、可盘卷、成本低、耐压耐腐蚀性优异。因而在未来的研究过程中需要选用合理的材料进行复合，做到低成本、高性能。

在管道服役过程中，连接技术对管道的安全运输起着至关重要的作用，管道连接的可靠性与管道安全运输以及管道腐蚀有很大的关系。目前，管道的连接技术主要包括电熔管件连接与金属扣压管件连接这两大类。较为常用的是金属扣压管件连接，该类连接是用机械方法将金属套-插入管体的金属插口端-FRTP管端压紧成密封并且可以承受轴向载荷的接头，金属接头之间再通过法兰或螺纹进行连接。这种连接方法较为方便快捷，但是一方面金属接头锻造成本较高，另一方面在使用机械方法压紧时，对FRTP管体与接头处造成不可避免的变形与应力集中，使得管壁减薄易发生破损。欧美发达国家对FRTP的连接技术比较成熟，但是相关高端技术几乎都对外封锁。因而在接下来的研究中在考虑成本与安装便捷的前提下开发出对FRTP几乎无损伤并且接头性能同等或优于FRTP本身的连接方法。

在使用寿命的预测方面，一般使用建立在高分子材料“时温等效原理”经典理论基础上的“外推法”(ISO 9080标准)进行聚烯烃管道寿命预测评估，但对于 FRTP 而言，由于其复杂的组合构成，目前尚未有比较成熟的理论及检测评估方法，需不断完善FRTP的寿命预测理论，对其进行比较准确的系统性评价分析。

同时在陆地用FRTP的基础上，积累经验，进行分析研究，不断完善海洋FRTP的发展，改进其力学性能。

5 结语

FRTP自问世以来，以其独特的结构及优异的性能得到了全社会的广泛关注，近几年的发展速度较快。同时其失效带来的问题也越来越严重，在复合工艺、高效生产、连接技术和检测技术方面需要更进一步的研究，对其进行系统性的评价分析以及准确的寿命预测显得尤为重要。行业部门也应加强更深层次的交流合作，争取早日将我国FRTP的各项理论及应用技术步入世界前列。