復(fù)合材料在深海管道中的應(yīng)用

白冰，張曉健，王磊，姚鑫(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

隨著世界能源以及環(huán)境等問題變得更加嚴(yán)重，石油企業(yè)逐漸加大對(duì)海洋開發(fā)力度，并且向深海擴(kuò)展，對(duì)深海的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)下世界海洋科技、工程發(fā)展的重要場(chǎng)地。深海蘊(yùn)藏著比較豐富的礦產(chǎn)以及海洋資源，開發(fā)以及使用會(huì)給人類帶來可持續(xù)發(fā)展的空間。深海也會(huì)成為世界海洋科技強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)取的重要領(lǐng)域。

1 油氣資源在深海的發(fā)展情況

按照國(guó)際能源署對(duì)世界海洋油氣資源可以開采數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在國(guó)家對(duì)油氣資源的需求在持續(xù)上升，油氣資源在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還是承擔(dān)著重要的能源角色，但是油氣勘查在經(jīng)歷過上百年的發(fā)展之后，在陸地開采石油的高峰期已經(jīng)過去，逐漸向海洋區(qū)域進(jìn)展，深海油氣產(chǎn)量也在逐漸增加[1]。因?yàn)閷?duì)深海腐蝕有很大影響的因素有水流的速度、海洋中的微生物。但是當(dāng)前使用的油氣運(yùn)輸管道基本上都是鋼制材料的管道，鋼制材料管道的防腐層都是瀝青以及3 PE。鋼制管道的防腐層，在運(yùn)輸油氣的時(shí)候、安裝儀器設(shè)備時(shí)、檢查維修期間，都會(huì)因?yàn)槟Σ?、磕碰因素出現(xiàn)問題。傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)不能承受在海洋高壓負(fù)荷或者是安裝管道運(yùn)輸成本的增加，所以需要材質(zhì)比較輕的材料代替。

隨著石油的開采進(jìn)度，海洋會(huì)成為重要的能源場(chǎng)所，根據(jù)中國(guó)對(duì)海洋石油的測(cè)量數(shù)據(jù)(246億噸)，已經(jīng)占據(jù)全國(guó)石油資源的五分之一，且海洋還處于開發(fā)的初期，未來的產(chǎn)量是不可預(yù)估的。為了發(fā)展我國(guó)的油氣能源產(chǎn)業(yè)，國(guó)家發(fā)布了有關(guān)的規(guī)定，主要是提升海洋資源的開發(fā)力度，海上工作的儀器設(shè)備和技術(shù)也會(huì)得到一定程度的提升，但是在海洋開采石油基本上是在水下400米左右的區(qū)域，和其他在水下3公里水深的國(guó)家比較。中國(guó)有關(guān)企業(yè)對(duì)海洋資源的開發(fā)還稍顯不足，因?yàn)橹袊?guó)開采海洋石油起步較晚、在起步的時(shí)候還缺乏專業(yè)的儀器設(shè)備以及有關(guān)的知識(shí)，所以中國(guó)在深海領(lǐng)域開采石油作業(yè)還處于摸索前進(jìn)的狀態(tài)。

2 深海管道技術(shù)以及復(fù)合材料應(yīng)用的前景

在開發(fā)海洋油氣資源的工程中，連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)以及水上浮式平臺(tái)的是輸流管，需要重視輸流管的重要性，同時(shí)輸流管在開采系統(tǒng)中有重要的作用。根據(jù)其功能，輸流管道主要可以分成兩種類型，其一是給水下的生產(chǎn)系統(tǒng)提供工作中需要的化學(xué)劑以及液壓動(dòng)力，同時(shí)還能將控制數(shù)據(jù)資料的臍帶纜傳遞出去；第二主要是輸送海洋油氣資源的海洋立管。

相對(duì)于當(dāng)前常見的海洋管道，并且有完善平臺(tái)的系泊系統(tǒng)，盡量選擇金屬材料。根據(jù)測(cè)量取得的數(shù)據(jù)，需要適合在水深1 500米的海上平臺(tái)，加入只是考慮使用金屬立管，這個(gè)立管的重量需要超過六千噸的重量，這樣會(huì)給平臺(tái)增加一定的重量，另外重量比較中的立管在復(fù)雜的海洋情況中，更是比較容易出現(xiàn)功能失效以及破壞。伴隨著海洋儀器設(shè)備、技術(shù)的改革以及創(chuàng)新，海洋中的油氣資源逐漸向深?；蛘呤歉畹乃邪l(fā)展，但是需要隨之增加的有輸液管道的質(zhì)量，會(huì)導(dǎo)致立管以及平臺(tái)連接出頂張力變大，這樣對(duì)平臺(tái)的生產(chǎn)能力也是一種約束，更是影響向深海區(qū)域發(fā)展的速度[2]。另外，在海水長(zhǎng)期浸泡中金屬材料的管道也容易被腐蝕，然后影響使用管道的時(shí)間，甚至?xí)茐牧⒐?，?dǎo)致原油發(fā)生泄漏?；旧箱撝撇牧系牧⒐苁褂脮r(shí)間在10年左右，但是每隔兩三年還是需要有大規(guī)模的維修工作，這樣的保養(yǎng)周期就需要大量的維修費(fèi)用甚至需要很長(zhǎng)的維修時(shí)間，這樣無形中就會(huì)影響企業(yè)的生產(chǎn)效率以及利益。和傳統(tǒng)的海洋管道作比較，這些特點(diǎn)在深海領(lǐng)域有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)復(fù)合材料管道擁有更強(qiáng)的力學(xué)性能，并且還擁有著質(zhì)量輕、抗疲勞效果好、耐腐蝕性強(qiáng)以及柔韌性好等特征。在本文中使用的主要是由基體和纖維材料復(fù)合形成的纖維增強(qiáng)材料，因?yàn)榛w比較柔軟且擁有較強(qiáng)的可塑性，但是纖維材料的就是硬度比較大。

2.1 臍帶纜技術(shù)

臍帶纜是由管道、填充物以及電纜旋轉(zhuǎn)纏繞組成的，在臍帶纜中的單元基本上可以分成兩種，功能單元以及加強(qiáng)單元，其中加強(qiáng)單元有聚合物護(hù)套、螺旋鎧裝層面以及填充物；功能單元包含有電纜單元以及光纜單元。使用臍帶纜技術(shù)的時(shí)候面臨的環(huán)境更加復(fù)雜，臍帶纜容易受到海浪、狂風(fēng)、水流等因素影響。臍帶纜想要使用時(shí)間更長(zhǎng)，應(yīng)該擁有很好的耐腐蝕以及抗疲勞的性能。

自從開采石油向深海區(qū)域發(fā)展，就開始從軟管臍帶纜向金屬鎧裝臍帶纜轉(zhuǎn)變，有效提升了質(zhì)量[3]。因?yàn)殒z裝鋼絲除了要承擔(dān)自身的重量，還會(huì)降低抗拉的輕度，所以將主要的承載結(jié)構(gòu)換成鋼管材料。但是需要向海洋區(qū)域發(fā)展，鋼管材料不能提供足夠的抗拉能力，因此想要保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還需要更高性能的復(fù)合材料。碳纖維可以增加臍帶纜，和含有鋼制材料的臍帶纜比較，碳纖維擁有：量輕、抗疲勞效果好、耐腐蝕性強(qiáng)以及柔韌性好等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境的變化不敏感，可以在達(dá)到和鋼管臍帶纜同樣的時(shí)候減少自身重量的4/5。當(dāng)前關(guān)于碳纖維增強(qiáng)臍帶纜的報(bào)道不多，其分析理論部分還是比較薄弱，基礎(chǔ)的就是碳纖維螺旋增強(qiáng)技術(shù)[4]。將碳纖維桿束設(shè)置在臍帶纜的結(jié)構(gòu)中被稱為碳纖維螺旋增強(qiáng)技術(shù)，就是將能量守恒以及有限元融合在一起，將研究出來的方法和螺旋增強(qiáng)桿數(shù)值模型做比較。ABAQUS軟件可以詳細(xì)分析碳纖維增強(qiáng)臍帶纜的力學(xué)性能，甚至是借助OrcaFlex軟件對(duì)臍帶纜的整體性能進(jìn)行分析。但是在這個(gè)模型中，模型含有的功能都已經(jīng)變成圓柱體模型，這樣就不能計(jì)算纏繞的影響，所以碳纖維臍帶纜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不能體現(xiàn)出來，并且存在著缺陷。

2.2 復(fù)合材料在海洋立管技術(shù)中的應(yīng)用

海洋立管作為深海油田開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要因素，海洋立管技術(shù)用新的形式取得社會(huì)各界人士的關(guān)注，淺水立管形式不能應(yīng)用于深水區(qū)域，使立管技術(shù)更有挑戰(zhàn)性，海洋立管是連接水上浮式和水下生產(chǎn)系統(tǒng)的唯一關(guān)鍵系統(tǒng)，所以在深海中也更有挑戰(zhàn)性[5]。在海洋立管中最有特色的就是柔性立管，其按照工藝可以分成粘結(jié)柔性管和非粘結(jié)柔性管。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的就是非粘結(jié)柔性管，國(guó)外有很多公司制造非粘結(jié)柔性管。

非粘結(jié)柔性管的截面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖1所示，從骨架層到內(nèi)襯層到抗壓層到耐磨層到抗拉層、外部保護(hù)層，經(jīng)過鋼帶根據(jù)不同的設(shè)計(jì)角度纏繞成的就是骨架層、抗拉層以及抗壓層，其都擁有著比較強(qiáng)的抗拉性能以及很強(qiáng)的抗壓性能。在具體使用的時(shí)候，因?yàn)槿菀资芡獠亢Ｑ筘?fù)荷的影響，海洋立管需要一直保持工作的狀態(tài)，所以就會(huì)影響非粘結(jié)柔性管的結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)移動(dòng)的情況，所以會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層之間脫離以及功能結(jié)構(gòu)失效的情況，減少立管使用的時(shí)間。

圖1 非粘結(jié)柔性管截面圖

粘性柔性管結(jié)構(gòu)類似于非粘結(jié)柔性管，粘結(jié)柔性管的工藝比較復(fù)雜。在纖維增加層在熱粘度纏繞的基礎(chǔ)上借助纖維帶不同角度的纏繞形成的就是粘結(jié)性柔性管。但是粘結(jié)性柔性管中各個(gè)層面不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)的情況，更不會(huì)有類似粘結(jié)柔性管的移動(dòng)，由此可以，非粘結(jié)柔性管有更強(qiáng)的抗疲勞性能，更容易適應(yīng)在較深的水域中開采石油，因此，粘結(jié)柔性管一定會(huì)成為未來深海柔性管道中的發(fā)展方向。

在立管中經(jīng)常使用的就是復(fù)合材料，因?yàn)樵谏詈－h(huán)境中立管會(huì)存在較強(qiáng)的內(nèi)外壓，有關(guān)的工作人員需要認(rèn)真考慮在深海環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響。復(fù)合材料立管也容易受疲勞損傷和破壞的影響，這些可以直接決定立管使用的時(shí)間[6]。尤其是在海浪比較復(fù)雜的情況，立管是更加容易出現(xiàn)疲勞損傷。當(dāng)前，石油行業(yè)內(nèi)部都會(huì)以為柔性立管整體損傷最嚴(yán)重的區(qū)域基本上都在觸地點(diǎn)處。

處于海洋比較復(fù)雜的環(huán)境中，立管還是會(huì)受到水流沖擊的影響。需要充分考慮頂部張力以及水流沖擊的作用，站在動(dòng)力學(xué)的角度上，充分分析立管撓度、立管張力、彎矩分布狀況。但是經(jīng)過有關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，處于相同的環(huán)境中，復(fù)合材料立管比傳統(tǒng)鋼制立管的安全性能更高。

3 結(jié)語

綜上所述，中國(guó)對(duì)深海輸液管道的研究還是比較少，尤其是復(fù)合材料作為加強(qiáng)構(gòu)件在臍帶纜或者是海洋立管中的力學(xué)行為還不明確，還有充分考慮纖維的螺旋纏繞構(gòu)型和接觸以及摩擦之后，其分析難度會(huì)增加。除此之外，不同的符合材料管纜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和對(duì)比金屬鎧裝臍帶纜的輕量化效率還需要有深入的研究。