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高压玻璃钢管制造工艺技术研究

摘要：本文关键介绍了制造高压玻璃钢管制造工艺过程，并简明介绍了应用高压玻璃钢管必需性和在油田推广使用中意义。
关键词：高压 玻璃钢 管道
Research of High Pressure FRP Pipe Manufacture Process and Technology
Sun Jiuliang Xiao Daorong
(Beijing Glory(china)Sci-Tech Corporation 100086 Beijing FRP Research & Design Institute 102101)
ABSTRACT ：The process of high-pressure FRP pipe manufacture are mainly introduced in this paper; the significance and necessary of spread application in oilfield are also summarized.
KEYWORDS： High Pressure FRP Pipe
1 引言
多年来，中国东部油田多已进入后期开发。为了稳定原油生产，各油田普遍采取注水工艺来增加地层能量，提升产液量，从而达成稳产增产目标。不过，因为中国淡水资源匮乏，所以在注水工艺中多采取污水回注，依据中国某油田调查研究表明，因为在回注污水中含有大量腐蚀性物质，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，这些物质对金属平均腐蚀速度为每十二个月1～1.7mm。长久以来，中国外全部在主动开展新材料、新工艺研究，在二次采油和三次采油过程中使用高压玻璃钢管作为地面油气集积和输送管线，和井下油管、套管已是屡见不鲜。
为了处理现在各大油田存在钢管严重腐蚀问题，打破高压玻璃钢管单纯依靠国外技术现实状况，我们把高压玻璃钢管道作为一个系统工程，从材料选择、管材（件）制造、质量控制到安装抢修和售后服务，均制订了一整套完整工艺。经在油田实际运行证实，我们研制高压玻璃钢管道完全能够满足油田使用要求，关键性能指标已超出国际优异水平。
2 高压玻璃钢管特点及关键应用领域
采取纤维缠绕工艺制造高压玻璃钢管和传统钢管、混凝土管相比，除含有复合材料本身部分优异特征外，还含有以下特点：
（1） 使用寿命长。其设计使用寿命可达成30年至50年；
（2） 性能可设计性、产品适用性强。可依据使用工况设计成耐高温（通常最高可达120℃，选择适宜树脂体系可达成160℃）、耐高压（通常最高可达25MPa；经过特殊设计，部分型号可达成30MPa），满足一定腐蚀性能要求产品；
（3） 安装、运输方便，免维护。玻璃钢密度不足钢1/4，搬运、安装全部很方便，DN100以下管线只需3个人和部分必备简单工具即可，工程费用低；
（4） 内壁光滑，介质输送阻力小。因为模具表面光洁度高，制成管道内壁哈森-威廉姆斯系数高达150，且其不结垢特征使管内壁光洁度不会随时间而改变；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有机物。这一点对于二次和三次采油过程中使用聚合物和微生物驱油技术很有利；
（6） 导热系数小，不足钢百分之一，保温性能好。
高压玻璃钢管在石油工业关键应用于以下领域：
⑴ 原油或天然气集积和输送；
⑵ 化学处理及污水处理管线；
⑶ 高、中、低压流体输送管线；
⑷ 盐水注入管线；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管线；
⑹ 罐进、出液管及站内管线。
⑺ 生产井，处理井（盐水、化学流体或污水），注入井（盐水、CO2、聚合物、热等）。
其中⑴--⑹采取高压玻璃钢线管，⑺采取高压玻璃钢油管、套管。
3 高压玻璃钢管和钢管性能比较
3.1 物理机械性能
高压玻璃钢管（线管）和钢管性能比较如表1所表示。
表1 高压玻璃钢管和钢管性能比较
名称
玻璃钢管
钢管
比强度（MPa） 
100~168 
49 
拉伸强度（MPa） 
环向
320
380 
轴向
160
冲击强度（t/m2） 
1.5×105  
2.3×105 
密度（g/cm3）
1.8~2.1
7.84 
弹性模量（GPa）
环向
25.2
210×103
轴向
17.6
导热系数（W/m℃)
0.23~0.45
54
热膨胀系数（m/m/℃）
1.12×10-5
1.23×10-5 
绝对粗糙度（mm）
0.0053
0.046 
摩阻系数
0.016
0.035
Hazen-Willians系数C
150
120

3.2 流体性能
高压玻璃钢管和钢管流体性能对比见图1。

图1 哈森-威廉姆斯系数（C值）对比
4 高压玻璃钢管制造工艺步骤
高压玻璃钢管以高强度连续无碱无捻粗纱浸渍环氧树脂，采取纤维缠绕工艺制造，关键制造工艺步骤以下图2所表示。

                                       图2 高压玻璃钢管制造工艺步骤图
5 材料选择
5.1 增强材料
选择增强材料时关键考虑以下多个原因：
（1） 所用基体材料类型；
（2） 浸润剂种类；
（3） 设计上考虑；
（4） 缠绕设备；
（5） 制品工况；
（6） 成本原因。
玻璃纤维在选择时工艺性能很关键，因为工艺性能好坏不仅影响产品质量，而且直接影响生产效率，
表2 常见玻璃纤维物理—机械性能

性    能
玻璃纤维规格（Tex）
735
1100

偶联剂
硅烷型
单丝直径（μm）
13.4
16.4
15.6
固含量（％）
0.55
0.67
0.74
拉伸强度(MPa)
2350～2790
2200～2700
2210～2700
拉伸模量(GPa)
72.4
5.2 基体材料
（1）树脂体系选择
纤维类型、品种及铺层决定了复合材料极限强度，而树脂基体则经过和增强材料有效匹配和应力传输作用，使纤维性能得以充足发挥，从而制造出高性能复合材料制品。另外，高压玻璃钢管有些性能如耐高温性能、耐腐蚀性和耐老化性能等，关键由树脂基体决定。
环氧树脂和乙烯基酯树脂是制造高压玻璃钢管时常见树脂基体。
环氧树脂含有优异物理机械性能，在高温下含有优良性能保持率。同时含有优异操作性能和加工性能，用它制成复合材料性能优良，成本低廉。所以，环氧树脂是高压玻璃钢管中应用得最广泛树脂基体。
环氧树脂中通常含有多个环氧基，它可和多个类型固化剂反应，生成三维交联结构。可按不一样工艺要求和性能要求选择固化剂。比如，使用胺类固化剂（和液体环氧树脂共用）可得到室温下粘度中等、适用期适中、耐腐蚀性好、高温性能尚可基体体系。同时，为了达成最好粘接性能，基体树脂必需在特定固化制度下固化。酸酐是环氧树脂另一个常见固化剂。常见有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。为了缩短固化时间，提升固化度，通常引入合适百分比促进剂。
针对不一样使用环境，我们设计了三种耐温等级，两种输送介质常规树脂体系，见下表3。
表3 高压玻璃钢管树脂体系和耐温等级
树脂体系
环氧/酸酐
环氧/脂环胺
环氧/芳香胺
耐温等级（℃）
80
95
120
输送介质
酸性
碱性

注：1.耐温等级为长久使用温度上限；
2.依据输送介质浓度、温度选择对应树脂体系。表中所列数值只针对某一特定树脂体系。
（2）环氧树脂固化
处理高压玻璃钢管耐渗漏问题关键在于选择适宜材料和制造工艺过程。
高压玻璃钢管失效时环向应力受树脂体系固化程度影响较大。因为要想提升其耐温等级，即要求有较高玻璃化转变温度，肯定要求有较高固化程度。但固化度越高，树脂基体断裂延伸率越低，越难和纤维断裂伸长相匹配，在进行水压失效压力试验时，树脂基体首先开裂，树脂和纤维逐步脱开，裂纹深入扩展，造成管体渗漏，降低了管材失效压力，进而降低其失效时环向应力，使纤维性能得不到充足发挥，所以，应依据设计要求选择适宜固化程度，以满足其性能要求。
6 产品规格
高压玻璃钢管基础参数见表4。
表4 高压玻璃钢线管基础参数

项  目
数  值
公称规格（mm）
DN40
DN50
DN65
DN80
DN100
DN150
DN200
螺纹尺寸（in）
1.900
23/8
27/8
31/2
41/2
7
85/8
公称长度（m）
9.144
公称压力等级（MPa）
PN3.5～PN25
耐温等级（℃）
～120
高压玻璃钢管件基础参数见表5。
                                         表5 高压玻璃钢管件基础参数
项  目
参  数  值
公称规格（mm）
DN40～DN200
曲率半径
≥1DN
公称压力等级（Mpa）
PN7～PN26
耐温等级（℃）
～120
7 结语
高压玻璃钢管在结构设计上有严格规范，在材料选择上有较宽范围，对制造检验过程要求均较高，我们研制高压玻璃钢管道工艺技术和安装技术已经经过一系列试验和生产考评，现在相关产品已经用于油田生产中，技术性能指标满足实际使用需求。API标准要求进行100％工厂内水压检验，关键是因为对于油田生产而言，管材质量和制造水平含有重大意义。高压玻璃钢管在处理钢管线穿孔腐蚀、节能降耗等方面必将发挥关键作用。伴随各生产厂家制造工艺水平和用户认知程度提升，和质量确保体系深入完善，高压玻璃钢管必将在油田得到大力推广和使用。

注：文中数据部分是我们实际测试所得，同时我们还参考了中国外相关厂家试验汇报和产品说明书有些数据，在此表示感谢。读者若对相关事宜感爱好，欢迎来信来电共同探讨，以期推进中国高压玻璃钢管道健康快速发展，使之愈加好地服务于国民经济发展需要。联络人：孙久亮 电话： E-mail:
参考文件：（略）