油气输送用非金属压力管道的应用分析（1）

油气输送用非金属压力管道的应用分析（1）

非金属压力管道的分类及特点

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。

     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。

图1 非金属压力管道分类

NO.1

塑料管

 01 

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。‍

02  

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。‍    

NO.2

热固性增强复合管

 01 

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：

    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。

02  

 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

塑料合金复合管的主要优势：

  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

NO.3

热塑性增强复合管

01 

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。

 02

 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。‍

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。

图5 柔性复合管结构示意图

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

NO.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。