熱塑性復(fù)合材料正在為開采深海石油和天然氣所面臨的挑戰(zhàn)提供潛在的解決方案鹦筹。 

人類對石油和天然氣的需求沒有止境，這驅(qū)動(dòng)了對近海資源的開采以睦，近海資源蘊(yùn)藏得更深泌醋， 也更加難以鉆探開發(fā)。受限于海底作業(yè)的立管滤钠、管線赌拒、管件和其他管道系統(tǒng)， 要應(yīng)對的負(fù)載、壓力和環(huán)境所帶來的挑戰(zhàn)更大贵郎。而與此同時(shí)职靴，為了保持在浮式鉆井平臺和儲(chǔ)存平臺的額定載重能力之內(nèi)，管道的重量還要盡可能輕蒂轨。 

總的來說欲广，物質(zhì)需求已經(jīng)開始超出目前以金屬為主要材質(zhì)的管線技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的開采力。增強(qiáng)塑料檩榕，尤其是增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（PEEK+碳纖維）將可能成為答案繁触。 

為何選擇熱塑性塑料？ 

據(jù)Element Hitchin 公司（MERL捐憔， 前Materials Engineering Laboratory公司） 的Rod Martin 博士和Morris Roseman 博士所說篙耗，目前國家面臨著能源安全挑戰(zhàn)， 復(fù)合材料是本行業(yè)得以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵所在宪赶。復(fù)合材料能夠讓大孔徑管道按需結(jié)合強(qiáng)度宗弯、韌性、輕量搂妻、高耐熱耐壓性蒙保、低流動(dòng)阻力、高回彈性和耐久性欲主，使之超越了目前主流的金屬管道所具備的性能——盡管它們經(jīng)常采用聚合物為管道內(nèi)襯邓厕。 

試驗(yàn)證明，傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料不能較好地替代金屬材料（如19 世紀(jì)90 年代末在挪威誕生的Compipe 由增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管道和非增強(qiáng)熱塑性塑料襯管組成）扁瓢，因?yàn)楣艿赖闹圃旃に囀且粋€(gè)連續(xù)的加工過程详恼，而它的固化動(dòng)力學(xué)特性是這種加工過程的一大障礙。與此相反引几，熱塑性塑料能夠適應(yīng)連續(xù)性生產(chǎn)昧互， 因?yàn)闊峁绦圆牧瞎探Y(jié)和硬化問題對熱塑性塑料而言卻并不是問題。 

Element Hitchin 公司隸屬于一個(gè)合作組織伟桅，該組織致力于評估用于輸油管線的各種不同熱塑性復(fù)合材料的適用性机凭。玻纖增強(qiáng)聚甲醛（POM）和聚丙烯（PP）在海水中表現(xiàn)良好，而碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）被證實(shí)非常適用于酸性的油氣環(huán)境窖升。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)级衅，聚苯硫醚（PPS）中的碳纖維在酸性油氣環(huán)境及烴氣濃縮物中均有良好的表現(xiàn)。（注意：酸性油氣環(huán)境是指油與水呕瞎、多種化學(xué)品笑诫、反應(yīng)物、碳?xì)浠衔锛案碑a(chǎn)物婉肆，以及沙子混合锰胀，這些物質(zhì)會(huì)影響某些熱塑性塑料的抗?jié)B透性和使用壽命猩吕。）

熱塑性復(fù)合材料可以采用鋪帶或纏繞工藝生產(chǎn)出具有長度連續(xù)、可繞卷的管道涣疑，現(xiàn)在脸掘，許多公司正在針對石油和天然氣管道主結(jié)構(gòu)的加工工藝性能進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)工作。 

例如诞嗦， 位于荷蘭的Airborne International 有限公司開始采用其號稱世界首套的高端全熱塑性復(fù)合材料管件連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備纷臊，前年已有兩條生產(chǎn)線在其9000 平方米的Ijmuiden 工廠投入運(yùn)行。 

Airborne 公司管道產(chǎn)品的特點(diǎn)是采用兩層玻璃纖維或碳纖維乌企，在熔融狀態(tài)下與熱塑性聚合物結(jié)合虑润，得到完全粘合的實(shí)壁管。這些產(chǎn)品比金屬管更輕更軟加酵， 同時(shí)也更加易于卷繞和運(yùn)輸拳喻，因此比傳統(tǒng)管道部署所需的船只更小。這種管道非常堅(jiān)固猪腕，具有良好的抗內(nèi)壓強(qiáng)度冗澈。它們不會(huì)發(fā)生腐蝕，耐受許多不同的化學(xué)物質(zhì)陋葡，也不會(huì)在水中逐漸降解亚亲。這種管道的管孔平滑，能促進(jìn)液體流動(dòng)腐缤，此外捌归， 它還具有高耐熱性、抗疲勞性和耐久性的特點(diǎn)岭粤。實(shí)際上惜索，材料所表現(xiàn)出的延性（而非脆性）延長了其使用壽命。通過采用同一種熱塑性聚合物生產(chǎn)襯管惰衬、復(fù)合材料層铡碧，以及管道外套管，為重負(fù)荷管道提供一個(gè)單一材料解決方案瘟百。 

Airborne 公司石油和天然氣部門的商務(wù)總監(jiān)Martin van Onna 斷言：“總的來說织娶，對于工作在深水域中的高溫高壓立管霹糜，這就是答案掺变。” 

Airborne 公司的獲獎(jiǎng)技術(shù)贏得了巴西國家石油公司（Petrobras）的青睞淳篡， 后者為其近海石油管線選擇了這家公司帆骗。Petrobras 公司正與Saipem SA 公司合作一個(gè)位于巴西的認(rèn)證項(xiàng)目，包括Guara 和Lula Northeast 地區(qū)油氣田輸氣項(xiàng)目一條長2.5 公里的海底管道些援。 

在近處的美國的席，Oceaneering 公司為Petrobras 生產(chǎn)了數(shù)公里的熱塑性塑料生產(chǎn)控制管纜捧擂，用于其圣埃斯皮里圖盆地（Espirito Santo Basin） 深海油氣田的開采。Oceaneering 公司生產(chǎn)的軟管孔徑范圍為3 ～ 16 英寸赁至，適用于3000 ～ 15,000psi 的壓力環(huán)境艾遗。具有高抗塌陷強(qiáng)度（HCR）的熱塑性塑料可用于深海中低分子量化學(xué)物質(zhì)的注塑。 

英國的解決方案 

與此同時(shí)瓣俯，在英國的樸茨茅斯杰标， Magma Global 有限公司即將試行新的產(chǎn)能，并在新條件下生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)PEEK 熱塑性復(fù)合材料管彩匕。到目前為止腔剂， 該公司已經(jīng)為測試及研發(fā)生產(chǎn)了長達(dá)25 米的管道，但是在其樸茨茅斯工廠即將投入試行的新生產(chǎn)線則將開始生產(chǎn)具有連續(xù)長度的管道驼仪，以便繞卷運(yùn)輸及隨后在油氣田現(xiàn)場進(jìn)行部署工作掸犬。 

該公司由Martin Jones 和Damon Roberts 創(chuàng)建于2010 年， 兩人分別是公司的CEO 及技術(shù)總監(jiān)绪爸。當(dāng)他們在其前任職公司Insensys（ 該公司后為Schlumberger 公司所收購）開發(fā)靈敏的光纖設(shè)備來測試船桅及其他結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況時(shí)湾碎，就已經(jīng)涉足于石油及天然氣領(lǐng)域。這對搭檔在油氣行業(yè)富有經(jīng)驗(yàn)毡泻，他們了解管道的載荷工況胜茧，也知道管道技術(shù)的重要改進(jìn)對未來的油氣田開發(fā)來說將是必要的。他們在Insensys 的經(jīng)歷使他們獲得了專業(yè)的復(fù)合材料知識仇味，主要來源于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)先進(jìn)的復(fù)合桅桿呻顽，通常帶有嵌入式光纖應(yīng)變傳感，用于高性能的超級游艇区为。在Magma 的保護(hù)傘下喇纬， 此項(xiàng)業(yè)務(wù)仍在持續(xù)。 

從Magma 公司一開始嫂衅，他們就認(rèn)定基于碳纖維-PEEK 復(fù)合材料的高端產(chǎn)品將成為較好的解決方案凯书，盡管這兩種原料的成本都非常高昂。 

正如Roberts 告訴《增強(qiáng)塑料》雜志（Reinforced Plastics）時(shí)所說：“我們注意到灌龄，市場對適用于深海應(yīng)用的管道產(chǎn)品有著明確的需求咬恨，現(xiàn)有材料不足以滿足高壓及有時(shí)出現(xiàn)的高溫應(yīng)用。因此文鸽，低成本原料和低成本制造不是我們的追求邀漩。我們需要一種高規(guī)格的解決方案，它具有制造的精密性纹词、可重復(fù)性和一致性绿踱。碳纖維-PEEK 復(fù)合材料不僅能夠滿足這些要求，而且極其堅(jiān)固和有韌性残匈，我們認(rèn)為它是較好的選擇菲藏∈邮拢” 

PEEK 材料的玻璃化溫度Tg 是143℃，且能在200℃保持很好的結(jié)構(gòu)特性庆揩。Magma 公司很典型地采用了一種復(fù)合材料俐东，它以威格斯公司的PEEK 樹脂為基材，加入高性能碳纖維（來自東麗公司订晌，拉伸強(qiáng)度4.9 兆帕）來增強(qiáng)犬性。雖然高強(qiáng)度中模量碳纖維是主要的增強(qiáng)材料，但在需要高強(qiáng)度和韌性的場合腾仅， 可選用另外一些中模量甚至是高模量等級的碳纖維乒裆。 

Roberts 及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種專利的制造工藝，能夠結(jié)合這兩種材料推励，生產(chǎn)連續(xù)長度超過2 公里的管道鹤耍。這種工藝被描述為：自動(dòng)化的、機(jī)器人操作的验辞、可擴(kuò)展并且可監(jiān)控的稿黄。該連續(xù)生產(chǎn)過程能夠獲得很高的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)一致性。 

雖然基礎(chǔ)材料成本很高跌造，但Roberts 主張睡谒，與其他技術(shù)尤其是與以鋼材為原料的管道相比較，其管道部署成本正越來越具有競爭力尾丑。 

正如他所指出的：“我們的管道比鋼材更加柔軟榆墅、更易卷繞，也更輕熔淘。這表示榨未，此類管道可以使用更小的船只來運(yùn)輸部署，管道的管理也更加容易饼痘。在水中收谭，這種管道的重量只有鋼制管道的十分之一。此外全僧，現(xiàn)有技術(shù)存在的可靠性問題意味著鋼制管道的裝配和調(diào)試成本總是超過預(yù)算旧败。所有這些因素影響了相對成本。此外公杰，管道的部署成本只是一回事暮孕，如果你考慮到生命周期成本， 我們的勝負(fù)比數(shù)將進(jìn)一步增加钻哩，因?yàn)槲覀兊牟牧先犴g而耐用屹堰「匾保” 

一些具體的管道產(chǎn)品街氢， 包括m-pipe ?和s-pipe ?扯键，都能以連續(xù)可卷繞或者不連續(xù)的長度進(jìn)行加工。每段長度都裝配有管道接頭珊肃，并在需要的地方安裝上法蘭和螺紋接口荣刑。m-pipe 提供直徑范圍2 英寸至2 英尺的產(chǎn)品，適用于各種立管伦乔、管線和臍帶纜厉亏。其在重量輕的同時(shí)還具有高強(qiáng)度和高應(yīng)變特性，有助于管道的安裝烈和。

盡管s-pipe 的材料與m-pipe 相似爱只， 但其定位于小孔徑管道和管道干預(yù)，通常應(yīng)用的大直徑為3 英寸招刹。據(jù)介紹恬试，這種管道是具有挑戰(zhàn)性的管道干預(yù)和管道翻新應(yīng)用的理想之選，可以5疯暑、10牧稳、15 及20ksi 強(qiáng)度的規(guī)格購買。這款產(chǎn)品前年在德克薩斯州休斯敦舉辦的近海技術(shù)研討會(huì)（Off shore Technology Conference盅格，簡寫為OTC）上推出闰袒，引起了極大的關(guān)注。

（管道）終端解決方案 

Magma 公司的一個(gè)特殊優(yōu)勢是能夠解決這個(gè)二十年來阻礙了復(fù)合材料管道應(yīng)用的問題鞭碳，那就是設(shè)計(jì)制造持久有效的管道接頭悴觅。為了配合油氣行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)金屬接口，需要使用混合的金屬/ 復(fù)合材料終端山滔，而一直以來的難題是開發(fā)一種能夠適應(yīng)材料間基本差異的產(chǎn)品設(shè)計(jì)樊颁，比如硬度和熱力性能，同時(shí)要能夠在正常的生命周期內(nèi)提供足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封完整性呀逃。復(fù)合材料管道若想在這個(gè)嚴(yán)峻的近海市場中立于不敗之地澳银， 這種可靠性是必須條件。 

近些年來已經(jīng)提出并嘗試了很多種解決方案钾植。在Traplock 法中慨即，管道末端的復(fù)合材料通過纏繞法加工到內(nèi)襯金屬芯軸表面的溝槽上，即traplock泛鸟。軸向負(fù)載通過纏繞及溝槽得到轉(zhuǎn)移蝠咆。在加工期間，纖維在張力作用下纏繞得到預(yù)加載荷北滥，以便應(yīng)對復(fù)合材料在張力作用下隨時(shí)間推移而可能產(chǎn)生的蠕變刚操。然而， 預(yù)加的載荷往往會(huì)逐漸減少并導(dǎo)致失效再芋，在溫度提高時(shí)尤其如此菊霜。 

另一個(gè)缺點(diǎn)是坚冀，終端接頭與管道襯管的粘結(jié)力可能不夠可靠，甚至彈性體密封件也可能失效鉴逞。 

另一種設(shè)計(jì)通過將復(fù)合材料管道末端夾緊在金屬芯軸和外部元件之間來實(shí)現(xiàn)记某。內(nèi)襯芯軸具有鋸齒狀剖面，與管孔存在過盈配合构捡，而與外部套筒則是緊密滑動(dòng)配合液南。同時(shí)配合使用一個(gè)O 型密封圈使接頭密封住。這種方法的難點(diǎn)在于勾徽，管孔受限于內(nèi)襯芯軸以及堅(jiān)硬的金屬部件與復(fù)合材料在彎曲負(fù)載下產(chǎn)生的壓力滑凉。增厚管道末端有助于減輕這種壓力。 

比起大孔徑高壓和動(dòng)態(tài)的應(yīng)用斗黍，這種“異徑終端（swaged end）”的方法被認(rèn)為對小孔徑軟管產(chǎn)品更具吸引力贤丐。對后者而言，異徑接頭所需的載荷會(huì)變得大一些坦浦。 

由于設(shè)計(jì)可行的管道終端存在這些難點(diǎn)辙求，一些設(shè)計(jì)者提倡使用混合材料解決方案，整條管道由復(fù)合材料套筒和金屬襯管組成怔赤。鋼制或鈦制的薄型襯管與金屬接頭焊接起來弟诲，與襯管保持連續(xù)， 無需使用密封組件分较。軸向負(fù)載由金屬襯管來承擔(dān)徘伯，環(huán)向（突發(fā)性）負(fù)載由外部復(fù)合材料套筒的纖維來承受。這種折中方法的缺點(diǎn)包括增加的金屬的重量和成本南垦，以及對彎曲半徑的限制就考，此外，這個(gè)解決方法依賴于接頭處焊接點(diǎn)的完整性跛鸵。金屬襯管所必須采用的腐蝕余量令管道變得更厚贯卦，減少了這種方案原本可能具有的重量優(yōu)勢。

Magma Global 公司的解決方案與以上諸多方法不同焙贷。它的設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)和密封功能分開撵割，開發(fā)了熱塑性塑料的獨(dú)特優(yōu)勢。然而已經(jīng)提出的解決方案大多采用熱固性材料辙芍， 結(jié)合碳纖維-PEEK 復(fù)合材料及Magma 公司為這種材料所研發(fā)的制造技術(shù)啡彬，局部增厚了管道的末端部分。該工藝既可用于開始的制造階段故硅，也可用于二次加工過程庶灿。增厚的末端加工成錐形，這種設(shè)計(jì)用于與一個(gè)由液壓工具繞管道末端夾緊的金屬圈的內(nèi)剖面相配合。該結(jié)構(gòu)通過一個(gè)鋼鐵接頭鎖緊管道往踢，該接頭可與準(zhǔn)備采用的油氣管道接頭緊密配合腾誉。 

工程師們仔細(xì)計(jì)算了錐度角，以便較好地分散較大負(fù)載菲语，使軸向運(yùn)動(dòng)減小化，形成徑向預(yù)加載荷惑灵，盡量減少復(fù)合材料的層間剪切應(yīng)力山上。交界面的表面是為實(shí)現(xiàn)較佳夾緊度而設(shè)計(jì)的，經(jīng)過精確的加工私舱，可以避免出現(xiàn)過高的局部壓力畦肉。置于管道內(nèi)表面和鋼制接頭之間的PEEK 或不銹鋼管孔密封件，確保了密封的完整性菊舅。 

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢包括平滑連續(xù)的管孔礁姿、高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐疲勞度和密封完整性舆滞。增厚的管道末端能承受住大的彎曲載荷菱区。由于該設(shè)計(jì)并不依靠粘結(jié)表面， 它可以適應(yīng)鋼圈與復(fù)合材料管道之間一些較小的相對運(yùn)動(dòng)服讯，即使接頭變熱的時(shí)候也是如此绎瓣。 

Magma 公司的終端系統(tǒng)相對較輕， 價(jià)格實(shí)惠授灵。當(dāng)有必要替換部件時(shí)堵忌，終端接頭較為容易拆開、檢查和組裝藏亲。蠕變問題是張力作用下的復(fù)合材料關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題杯道，這個(gè)問題因復(fù)合材料- 金屬交界面的特性而減小，該界面能夠通過較大的表面區(qū)域來分散壓力责蝠。無論如何党巾，即使在高溫下，PEEK 都擁有高抗蠕變性能霜医。碳纖維增強(qiáng)材料的蠕變特性微不足道昧港，這進(jìn)一步穩(wěn)定了聚合物。 

大量的物理和有限元分析實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Magma 公司管道/ 終端組合產(chǎn)品的有效性支子。選擇不同尺寸的管道创肥，并配上Magma 公司的終端接頭以及PEEK 管孔密封，這受到一系列載荷工況的影響值朋， 也需要對熱度叹侄、壓力、彎曲度以及耐疲勞度進(jìn)行評估。在油氣安裝過程中趾代，評估樣品在操作條件下處于使用狀態(tài)贯底。 

Magma 公司確信自己已經(jīng)解決了終端接頭的問題，這個(gè)問題一直以來與復(fù)合材料管道解決方案如影隨形撒强。該公司相信挽后，其碳纖維-PEEK 熱塑性塑料管可以成為未來油氣行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)者，在本行業(yè)內(nèi)鸠头，金屬管道技術(shù)正掙扎著滿足項(xiàng)目的要求镇盛。從2013 年晚些時(shí)候起，其樸茨茅斯工廠已經(jīng)準(zhǔn)備就緒诱价， 以滿足市場的需求卜锡。