中国油气产业用增强热塑性塑料管rtp的发展.doc

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1、 RTP 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP的发展 张玉川 北京塑料工业协会 2014-4 增强热塑性塑料管 RTP 是一种把热塑性塑料柔韧，抗腐蚀，耐磨损等独特优点和增强材料高强度等特长结合起来的新型管道。在不少应用领域 RTP 比传统管道有明显的优势，甚至成为唯一的选择。随着全球经济的发展和科技的进步，高技术含量高附加价值的 RTP 在世界各国都在日新月异地发展。 1 中国的 RTP 已经从探索孕育期进入发展增长期 我国塑料管业对于增强热塑性塑料管 RTP 一直很积极， 起步也比较早。多年来经过努力探索，不断发展，已经打开不小的市场。过去十年可以说是中国 RTP 的探索期，孕育期，预期

2、今后十年将是中国 RTP 的发展期，增长期。预期进入发展增长期的依据是： 一方面， RTP 的优异特性逐步被广泛认识，近年我国石油天然气产业对应用 RTP 很积极，多次组织专题调研，制定了一批相关的标准。 RTP 已经越来越多应用于陆地和海上油气田的注水管、集输管等。石油天然气产业还提出希望能够把 RTP 应用到 长输管道 ，认为突破后每年将有数万公里的工程量。同时其他 1领域的管道用户也在扩大应用 RTP，在建筑和市政输水输气工程应用继续扩展的同时，在矿井输水、盐田输卤、军用输油、海底管道，温泉利用等领域 RTP 都已经有成功应用的实例。 另一方面，国内通过自主创新，结合引进和借鉴国外技术，

3、积累了不少经验和教训。目前，各种 RTP 的生产工艺技术，机械装备，专用材料，和铺设施工的条件都已初步配套，具备了加快发展增长的基础条件。国内现在已经有一批生产 RTP 的骨干企业，有了多家制造 RTP 设备的企业， 有了配套的材料企业。 中国作为全球第二大经济体，能源产业无疑是我国最迫切需要 发展和最优先投资建设的产业。目前还依靠大量进口的石油和天然气更是保证我国持续发展和国家安全的基础。我国油气管网建设任重道远，尤其是油气资源西部很多在沙漠，东部很多在沼泽，海滩和海上。可以肯定地预计我国石油和天然气产业的 RTP 应用会有较快增长。同时，我国作为 世界工厂 ，工业各领域对于 RTP 的需求

4、也有很大潜力。 以下分别介绍我国油气产业用 RTP 的发展概况。 重点在说明国内已有 RTP 产品，对目前还空白，预计有广阔前景的 待开发 和 在开发 产品也简要介绍。 各种增强热塑性塑料管 1 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 我国目前生产的油气产业用 RTP 通常是三层结构，由内衬层（芯管），缠绕增强层和外保护层构成（少数采用更多层复合）。内衬层通常用高密度聚乙烯 HDPE，也有采用耐热聚乙烯 PE-RT，交联聚乙烯 PEX 管和超高分子量聚乙烯 UHMWPE 等。缠绕增强材料有钢带，钢丝，合成纤维 (芳纶，聚脂纤维 )和玻璃纤维等。外层通常是高密度聚

5、乙烯 HDPE。其他材料也在探索中，如超高分子量聚乙烯纤维等。有的各层之间结合 (bonded)，也有的 各层之间不结合 (unbonded)。 RTP 缠绕增强有两种方式。一种是增强材料以丝、线或带的形式直接缠绕。另一种是预先把增强丝或线和热塑性塑料复合成增强带，再把增强带缠绕到内衬层（芯管）上。这种方式的优点是容易保证增强丝或线的排列均匀和张力一致，但是只适合制造直径较下的 RTP。 钢丝直接缠绕的 RTP 预制增强带缠绕的 RTP 油气产业用 RTP 大部分直径在 150mm(6 英寸 )以下，制造成能曲挠可以连续长盘管（几百到几千米）供应。通常的连接 方法是采用不锈钢的机械压紧管端管件

6、，也可以采用增强和加长的特殊电熔管件连接。因为以柔韧的连续长盘管供应，具有容易铺设的明显优势，尤其应用在海底，沙漠，沼泽，海滩和矿井等地区可以显著减少铺设时间和费用。近年我国根据需要自主开发了直径在 150mm(6 英寸 )以上的中高压 RTP。连接方法可以采用机械压紧管端管件，也可以采用增强和加长的特殊电熔管件连接。因为只能制造成直管，为减少接头通常尽量加长管段长度。 2 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 2我国目前生产的 各种 RTP 钢带增强 RTP： 三层结构，各层之间不粘合。内外层是 HDPE，增强层是缠绕的钢带。连接采用不锈钢的机械压紧管端管件

7、。在 石油天然气行业标准 SY/T 6795 -2010中称为 钢带增强连续管 内径范围 42-146mm，工作压力 5,5-25MPa。 钢带增强 RTP 是 90 年代我国借鉴国外技术开发的。近年在我国浅海石油开采中已经逐步推广。例如：我国某企业为南海某油田生产的海底注水管（ 5 英寸 21MPa），输气管（ 3 英寸 13Mpa）都很成功。经过多年实践， 系统配 套已经逐步完备，例如解决了国产海底铺设的钢带 RTP 运输特大盘卷 RTP 进行海上铺设的装备和技术。 在开发产品 -多层结构 RTP-挠性管 Flexibles： 石油和天然气产业用 RTP 中目前我国还有一 个重要的空白：深

8、海石油开采需要的，能抗高内压又能抗高外压的多层结构RTP(国际上通常称为挠性管 Flexibles )国内目前还不能生产。国外生产的挠性管直径范围在 2-16 英寸，工作压力范围在 28-105 MPa。通常由 5-7层复合，各层之间不粘合。如图是 5 层结构， 从内到外分别是：金属骨架层（防止内衬层的塌陷）；聚合物内衬层（防止流体泄漏）；金属丝 /带缠绕的抗压增强层（抗径向载荷）；金属丝缠绕抗拉增强层（抗轴向拉伸载荷）；聚合物外护套层（抗外部侵蚀）。 可喜的是目前已经有企业在探索开发多层挠性多层结构的挠性管 管（国家级开发项目），突破后将对我国石油和天然气产业走向深海做出重大贡献。目前深海用

9、挠性管只能进口，价格高达每米数千美元。 预制带增强 RTP 三层结构，各层之间结合。内外层通常是 HDPE，增强层是缠绕预制的纤维增强带或钢丝增强带。 （增强带由纵向排列的增强纤维线或钢丝与聚乙烯树脂结合成），连接通常采用不锈钢的机械压紧管端管件，也可以采用增强和加长的特殊电熔管件连接。在石油天然气行业标准 SY/T 6794-2010 中以预制芳纶纤维增强带为增强层的称为 增强热塑性塑料管 。直径范围在 2-6 英寸，工作压力范围在 5 -20MPa。 3 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP的发展 2014-04 RTP 我国是在 2004 年引进德国芳纶纤维线增强带RTP 生产线的基础

10、上开发此类 RTP 的。目前国内已能制造增强带 RTP 连 续生产线（并已经出口中东）或分步缠绕机。国内已经有多家企业生产预制带增强RTP，采用的增强材料包括芳纶纤维线，聚脂纤维线，玻璃纤维线和高强度钢丝或钢丝束等。这种产品大部分应用于石油和天然气产业，小部分应用于温泉水输送等。 钢丝增强 RTP 这种 RTP 是我国自主开发的。三层结构，内外层通常是 HDPE，增强层是直接螺旋缠绕的高强度钢丝，采用粘结树脂结合。原计划应用于建筑和市政中低压输水或输气，按照建设部行业标准 CJ/T189 称为 钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管 ，直径范围在 50-630mm(目前已经 增大到 1000mm)，工

11、作压力范围在 1-1.6MPa，通常采用电熔管件连接。因为生产工艺和设备比较简单，产品的性能价格比有竞争力，钢丝增强 RTP 在国内已经有几百条生产线。 实践证明，采用多根高强度钢丝分层缠绕也可以制造直径较大且压力很高的钢丝 RTP，应用于中高压工业领域。目前中高压钢丝RTP 连接采用不锈钢的机械压紧管端管件，中高压电熔管件还在开发中。例如：我国某企业已开发成功一种军用的钢丝直接缠绕增强 RTP，直径 150mm，工作压力 6MPa（爆破压力 18MPa），用于替代容易腐蚀的钢管，重量减轻 30%。又为石油和天然气产业开发的应急输油管，直径 315mm，工作压力6.4MPa。目前正在探索开发更

12、大直径的长途输油用钢丝 RTP。 钢丝或合成纤维纱编织增强 RTP 三层结构，内外层通常是 HDPE，增强层是缠绕并编织成网的细钢丝或合成纤维纱（通常采用成本比较低的聚脂 PRT 纤维）。其结构，制造工艺类似增强橡胶管。此种 RTP 的局限是适用于较小直径。直径范围在 42-65 mm，工作压力范围在 5-12MPa。是我国最早应用于石油和天然气产业的 RTP。 4 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 在开发产品 -玻纤带增强 RTP-CFRT-RTP 近年来一种新型的增强复合材料 -连续纤维增强热塑性塑料发展很快，国际上通常称为 CFRT -Continu

13、ous Fiber Reinforced Thermoplastic 。 CFRT 中的增强材料是连续的同向的高强度纤维，常用的是玻纤和碳纤维。基体材料是热塑性塑料，常用的有， HDPE PP PA PET，特殊要求用的有 PPS PVDF PEEK等。 CFRT 的独特优点是高强度，高韧性，抗腐蚀，重 量轻。目前应用最多的是在航空航天，汽车，军工业，并逐步推广到石油天然气管道行业，特别是要求高的海底用油气管道。我国企业已起步开发用 CFRT 的增强热塑性塑料管 RTP。 连续玻纤增强热固性塑料管 即玻璃钢管是石油天然气产业中最早成功应用的非金属管道。但是玻璃钢管是有缺点的，主要是热固性树脂韧

14、性差，对于损伤的容忍性差，通常也不能制造成可盘卷的连续长管。各国早在积极探索开发连续纤维增强热塑性塑料管CFRT-RTP，难点在实现热塑性塑料浸渍玻璃 纤维的工艺。目前应用越来越多的是熔体 浸渍工艺，中间产品是连续的薄片卷材，根据需要 可分切成带材（以下称 CFRTT，有的国外资料称其为 UD Tape）。在厚度仅零点几毫米的连续带材中可以看到连续的玻璃纤维比较均匀地同 向平行排列，完全包覆在热塑性塑料中。国外 玻纤增强带电镜照片生产CFRTT 的企业有 美国 Ticona 泰科纳，美国 PMC Baycomp，美国 Polystrand,Inc.，荷兰 TenCate 等。可喜的是最近我国家

15、得宝科技有限公司已经引进技术能够生产玻纤增强 HDPE 和 PP 的 CFRTT。性能接近 国外产品，这就为我国开发 CFRT-RTP 开创了基础条件。 采用CFRTT 制造 RTP 有两种工艺和设备正在试验中。一种类似预制带增强 RTP，连续缠绕熔接成型，一种类似玻璃钢管，分段缠绕熔接成型。预计开发成功后在性能 /价格比，优于用合成纤维的 RTP，在整体结合，抗腐蚀，耐热性能和强度 /重量比方面优于钢丝 RTP，钢带 RTP。可以更好适应油气产业的要求。同时为开发碳纤维增强特殊工程树脂 RTP-最新一代深海管道打下基础。 5 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 R

16、TP 3 我国油气产业用 RTP 的巨大机遇 到目前为止，我国油气产业采用 RTP 的范围还比较狭窄，基本上局限于油气田范围内注水和油气集输用直径比较小的盘卷管，局限于陆地和浅海。和先进国家比还有不小差距，也有巨大的发展机遇。笔者分析以下几方面可以重点探索： 3-1 野外地面铺设的特轻管道 在油气产业常常需要在野外铺设管道，如给页岩气压裂井供水的管道，为煤层气排水井排水的管道，这些管道通常不埋设，就蜿蜒铺设在野外地面上。为了铺设经济和快速希望管道尽量轻巧，不需要机械运输。国外 经验证明可以发挥 RTP 可以做得管道很轻的特长，制造这类适用于可移动可回收的地面管道和应急管道。 (野外建设工程如桥

17、梁， 隧道等也需要这类管道。 ) Fiberflex-11 例如美国 Composite Fluid Transfer (CFT) 开发的新产品 Fiberflex-11 获得2013JEC(复合材料展览会 )奖和 2013 美国石油天然气奖。这是用于输水的CFRT-RTP。外径 282mm，壁厚 7.6mm，工作压力 1.8MPa。是全结合结构：内层 HDPE 薄衬，缠绕连续玻纤增强 聚乙烯带，外抗 UV 和磨损膜。采用卡环连接。突出的优点是重量轻（比 PE100 管还轻约 5 倍 )和经济。 3-2 长途输送天然气 我国发展天然气就必须要建设遍布全国的输气管网。管网的干线当然用用钢管，但是

18、小直径压力较低的天然气管网支线管道(DN 50-150mm PN 3-4 MPa) 完全有可能采用 RTP。我国的天然气资源中不少含有强腐蚀性的硫化氢，应该是最能发挥 RTP 特长的。 国外很早就探索用 RTP 长途输送天然气。 1999 年成立的 在石油和天然气产业中应用增强热塑 性塑料管的行业合作计划 JIP就在英国 Bishop Auckland 进行工作压力 50-55 bar 的天然气输送网现场试验。在试验和研究基础上2004 年德国 DVGW 发布了在 16bar 以上输送天然气 的 RTP 标准 VP 642，国际标准组织在 2006 年 犁入铺设输天然气的 RTP 就发布了在

19、4MPa 下输送燃气的 RTP 标准 ISO/TS 18226。近年国际塑料管会议上接连有 3报告介绍用 RTP 长途输送天然气的成功经验。例如：加拿大 AltaGas 公司从2005 到 2010 年成功地在十多个天然气输配工程使用 RTP，累计铺设管道长度超过 50 公里，直径 2-4 英寸，压力 3MPa。实践证明因为 RTP 输气管柔韧能曲挠， 2可以连续长盘管供应，并可以采用犁入铺设等代替开挖铺设显著降低铺设费用， 6 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 也可以应用滑衬技术修复已经损坏旧管道。 3-2 长途输送原油和成品油 不少用户询问直径较小，压

20、力较低的原油和成品油管网支线管道 (DN200-400 PN 2-4 MPa) 是否有可能采用 RTP。笔者认为虽然困难值得探索。难点不 在承受负载能力而在 RTP 连接比较麻烦。如果制成短段直管需要做大量接头肯定不经济且可靠性差。而直径 200mm 以上就不能制成可以公路运输的盘卷管，只能制成船运的大盘卷管或者制成很长直段在水面上浮运。国外生产深海用多层结构 RTP-挠性管 Flexibles 据介绍直径最大到 24 英寸，都是用船运，国外还有生产 500 米长大直径 HDPE 直管在海面上长途浮运的成熟经验。 我国某企业有生产 50 米长 RTP 直管船运的成功经验。所以建议如果有条件可以

21、探索。 必须注意的是如果输送原油或成品油需加温就要求 RTP 具有耐热性能 。请注意目前的钢丝增强 RTP 只能应用于常温和低温。因为其结构中采用粘接树脂作为母体聚乙烯和增强材料钢丝的结合介质，该粘接树脂的性能在 60 度以上就明显下降。结构中不用粘接树脂，依靠高密度聚乙烯 HDPE 熔接实现结合的 RTP耐热性能稍高。如果 RTP 需要应用于较高工作温度就需要采用比 HDPE 更耐热的塑料树脂，如交联聚乙烯 PEX，耐热聚乙烯 PE-RT，或者 PVDF ,PEEK 等工程塑料。 4 RTP 的自主开发需要合作 RTP 在国内外都是处在发展探索阶段的新技术。新技术通常处在严格保密或专利保护下

22、，我国发展 RTP 不 太可能如同过去发展常规塑料管那样全套地引进设计、制造、检验、铺设和使用的技术。我们只能在尽量吸收国外技术成果的同时，更多地依靠自主的试验研究和开发设计。所以我国开发 RTP 管必须要有较大的投入和经历较长的时间，不可能如同当年发展常规塑料管那样迅速上马，立刻见效。特别重要的是需要合作。 油气产业对于 RTP 的要求通常不仅很高而且很多，例如往往不仅要求耐高压，还要求耐温，抗腐蚀，抗渗透 .等。满足这样的要求必须依靠 RTP 的使用方和生产方的密切合作和协同探索。例如注采管道输送的驱油介质成分和工艺条件有很 大区别，显然需要通过试验研究采取不同的设计。 3 油气产业用 R

23、TP 必须十分可靠耐用（特别是海洋用 RTP），国际上的成功经验是把生产企业，油气企业和科研单位组织起来，通过共同参与的合作计划 -JIP，制定全面质量认证的程序和设计导则。在此基础上已经先后发布 ISO 标准和 API 规范。我国的 RTP至今还停留基于生产企业标准的水平。例如某标准对于 复合管的理化性能 只要求 短期静水压强度试验 不渗漏，不破裂 。建议 尽早完善我国 油气产业用 RTP 的标准， 在国内缺乏基础研究条件和经验的现实下应该直接采用ISO 标准和 API 规范作为我国标准。组织合作逐个对现有 RTP 进行质量认 4,5证，达不到标准的可以实事求是地确定其适用的范围。 RTP

24、的技术难点之一是如何实现可靠又方便的连接。多层复合结构的高压增强热塑性塑料管要保证接头在很高压力下不泄漏，又能够完成很大负载的传递， 7 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 还要维持抗腐蚀，可曲挠等要求，显然比通用塑料管的连接困难得多。长盘卷供应的 RTP 通常是在生产时做好管端接头（依靠机械压紧）供应的，各层之间结合的 RTP 还 可以采用特殊设计的电熔管件连接，通常也由生产方提供。而这些接头的现场连接通常在使用方油气企业，双方密切的沟通和合作同样十分重要。 参考文献 1 塑料复合管在油气长输管道工程中的应用前景与挑战；中国石油天然气管道局 程梦鹏； 20

25、12 年第八届中国国际地下管线工程展。 2 增强热塑性塑料管 (RTP)在天然气输配中的应用；第 15 届国际塑料管会议报告； 3 影响非金属复合管在油田应用的技术瓶颈：作者：张丽； 2004 CPPA 年会报告 4 ISO-TS 18226 压力高到4MPa（ 40bar）下输送燃气的增强热塑性塑料管道系统 5 API RP15S 可盘卷增强塑料管道的推荐规范Recommended Practice for the Qualification of Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe 6 中国油气田增强热塑性塑料复合管现象；作者：丁楠等，中国石油天然

26、气集团公司管材研究所；非金属与复合材料研究中心， -全文完 - 8 我国油气产业用增强热塑性塑料管 RTP 的发展 2014-04 RTP 附件 1 我国 RTP 发展简史 2000 年左右国内开始有钢丝编织 RTP（仿增强橡胶管）， (以下简称 丝编织 RTP)。 2003 年 金石 自主创新开发出钢丝直接缠绕 RTP，粘接树脂粘接的结合型 RTP(以下简称 丝缠绕RTP)。长期主要应用于低压输水，后少量逐步应用于油气产业的高压管道。 2005 年 高详 开始生产钢带直接缠绕 RTP，不结合型 RTP（引进英国缠绕机，仿美国 wellstrem 产品）， (以下简称 钢带 RTP)。 2006 年 晨