碳纖維復(fù)合材料在海底油田領(lǐng)域中的應(yīng)用

石油的鉆探與開采逐步由陸地向海洋延伸，海洋也由淺海向深海延伸以滿足市場的需求。陸地與海洋的環(huán)境迥異，尤其是海水對開采設(shè)施的腐蝕相當嚴重，使其使用壽命大大縮短，加大了開采成本。陸地開采設(shè)備大多以鋼材為主，而深海開采用鋼材卻遇到許多技術(shù)難題，如海水腐蝕等，希望用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）或碳纖維與玻璃纖維復(fù)合材料（CF/GFRP）、碳纖維與芳綸復(fù)合材料（CF/KFRP）予以解決這些難題。

CFRP在海底油田領(lǐng)域中的應(yīng)用主要凸現(xiàn)其5個方面的特性:

(1)質(zhì)量輕。
碳纖維密度大約在1.76～1.80 g/cm3之間，所制復(fù)合材料密度在1.50～1.60 g/cm3之間，而鋼材約為7.87 g/cm3。顯然，CFRP比鋼材輕得多。

(2)高比強度和高比模量。 123,123
CFRP的比強度約是鋼材的7～12倍，比模量約是3～5倍。所以，CFRP可用來制造輕而強和剛而堅的各種制品。

(3)耐疲勞強度高。
CFRP的耐疲勞強度高, 顯著優(yōu)于鋼材,使用壽命長。特別是抽油桿的往復(fù)運動，管外海水壓力與管內(nèi)壓力不平衡而引發(fā)材料的疲勞，導(dǎo)致疲勞斷裂。利用CFRP抽油桿可解決這一問題。

(4)耐腐蝕。
CFRP耐酸耐堿性強，耐各種環(huán)境腐蝕，且不生銹，在海水中使用壽命比鋼制件長得多。

(5)熱性能優(yōu)異。
CFRP的熱膨脹系數(shù)小，軸向熱膨脹系數(shù)約為-0.1×10-6/℃，垂直于軸向熱膨脹系數(shù)約為+35×10-6/℃。在冷態(tài)環(huán)境下不脆裂，在熱態(tài)環(huán)境中尺寸穩(wěn)定。CFRP的耐熱性很大程度上取決于基體樹脂。就碳纖維的耐熱性而言，可在300 ℃以下的空氣中長期使用。 本文來自123

以上這些綜合性能使CFRP成為開發(fā)海底油田的最好選材之一。



尤其是深海油田的開發(fā)將發(fā)揮更大作用。

一. CFRP在近海油田領(lǐng)域中的應(yīng)用

CFRP在近海油田領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括張力腿平臺（TLP）鉆探裝置（MODU）和漂浮生產(chǎn)系統(tǒng)（FPS）等方面。具體的應(yīng)用構(gòu)件如下：

生產(chǎn)井管:
生產(chǎn)井管是從海底延伸至鉆井平臺甲板的構(gòu)件，大多采用直徑為266 mm管狀物。通過設(shè)置在其中的配管，油、氣從海底流到儲藏槽。對于近海油田, 可用鋼制井管，但使用壽命短；如果采用CFRP井管, 使用壽命將大大延長。一般鋼制管使用壽命2～3 年, 而CFRP井管可用20～25 年左右。因前者易被海水腐蝕，發(fā)生泄漏，不得不修補或更新。
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管材、儲藏槽和甲板:
GFRP可用來制造海水管道、防火防水管道、其他低壓管道以及儲藏槽、格柵框架等。其優(yōu)點是價格低且耐海水腐蝕，不足之處是絕緣體可能引起靜電火災(zāi)和爆炸事故。在復(fù)合過程中，基體樹脂中加入炭黑或短切碳纖維使其具有一定導(dǎo)電性而杜絕上述事故發(fā)生。在這方面所用碳纖維量并不多，但可賦予構(gòu)件的防靜電功能。用CFRP代替GFRP制造上述構(gòu)件，整體性能會得到顯著提高，但造價高，投資大。

撓性管和連接管（Umbilicals）:
用CFRP制造撓性管和連接管，即采用拉擠成形工藝制造出同心圓形狀，在聚合物樹脂管上施以增強金屬螺旋層（圓周方向增強層），構(gòu)成比較薄的兩個層面。表層保持強度，內(nèi)層賦予耐蝕功能。在變化較大的工作條件下，輸送各種流體。

連接管（Umbilicals）用來捆縛從平臺延伸到海底的液壓控制管線和甲醇輸送管線、熱塑性樹脂柔管、電氣電纜等管線，作為海面下生產(chǎn)及維修手段。為了減輕質(zhì)量，可用CFRP替代金屬層。制造方法除用拉擠成型工藝外，也可以用纏繞法（FW）。 內(nèi)容來自123456

平臺的二次結(jié)構(gòu)材料:
平臺的二次結(jié)構(gòu)件主要是指格柵框架、扶梯、輔助平臺、電纜托盤、電纜橋架等，已得到普遍應(yīng)用。例如，殼牌公司在墨西哥灣的4 個TLP上都采用了格柵框架。此外，在混雜復(fù)合材料（CF/GFRP）橫梁的頭與尾突緣上也使用碳纖維。

浮力組件（Buoyancy Modules）:
在制造增強小直徑中空球的復(fù)合泡沫體時采用了碳纖維。這種浮力組件可用在1 200 m深海。特別是為了開采1 500～3 000 m深海的油和氣，這種浮力組件顯示出許多優(yōu)點，用量與日俱增，將會成為碳纖維市場的新增長點。例如，美國復(fù)合材料技術(shù)公司用CFRP制造的浮力提升器組件，可提供8.6 t的浮力，可把錨從390 m深的水下提起。

槽罐和壓力容器:
用CFRP制造槽罐和壓力容器的顯著特點是輕量化，且制造技術(shù)日趨成熟。美國Addax公司用FW法制造CFRP地質(zhì)勘探取樣器，可在3 000 m以上的深井中承受高溫（149 ℃）及高壓。此外，在煉油廠使用的鋁襯CFRP壓力容器和氣體過濾器也有著良好的應(yīng)用前景。雖然CFRP壓力容器性能優(yōu)異，但是要在海底油田得到廣泛應(yīng)用也遇到成本問題。隨著碳纖維質(zhì)量提高，產(chǎn)量擴大和成本下降，在這方面的應(yīng)用將日趨普及。 123,123

二. CFRP在深海油田領(lǐng)域中的應(yīng)用

CFRP在深海（900～3 000 m）油田中的應(yīng)用倍受人們的關(guān)注，希望用高強度、高模量和質(zhì)量輕的CFRP代替鋼制品，以減輕張力腿式平臺的自身質(zhì)量和減輕張力腿支撐結(jié)構(gòu)的負載。例如，在墨西哥灣的1 200 m深海油田用的升降機，升降管采用CF/GFRP混雜復(fù)合材料制造，質(zhì)量輕，與鋼管相比質(zhì)量減輕45 kg/m，1 200 m可減質(zhì)量54 t，減重效果十分顯著，可大大減小浮力體的尺寸和投資。





對于深海油田，將平臺錨固到海底用的纜繩（tether）和連接油井口到平臺的管材（riser）是重要組成部分。如果用鋼材制造，質(zhì)量重，需用大平臺的漂浮尺寸，必將增大投資。如用CFRP制造，自身減質(zhì)量效果及減質(zhì)量波及效果十分顯著。

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例如，一個深海1 500 m的作業(yè)平臺，用鋼制纜繩（tether）約為6 500 t，用CFRP纜繩（Compteter）僅為1 000 t。同時，前者最大深度只能到1 500 m左右，而后者可用到3 000 m的深海油田。此外，復(fù)合材料纜繩可卷繞到直徑為4.4 m的芯軸上，運輸和作業(yè)非常方便。圖1是復(fù)合材料纜繩，圖2是準備在海面安裝的復(fù)合材料管材。

三. 海水腐蝕管線的復(fù)合維修

如上所述，海底油田的鉆探和采油設(shè)備經(jīng)常浸泡在海水中而引起腐蝕，尤其是輸送油水的碳鋼管容易被腐蝕而發(fā)生泄漏，不得不進行修復(fù)。用GF/CFRP的修復(fù)方法如圖3所示。維修工序大致如下：第一層是用玻璃纖維包裹層，且用環(huán)氧樹脂充分浸透，使其與腐蝕管線緊密接觸，且在固化后生成的GFRP層與管線牢固粘接；第二層是CFRP層，固化后的CFRP層與第一層GFRP成為承載壓力的整體結(jié)構(gòu)。復(fù)合修復(fù)厚度最小在5 mm以上，在條件允許下最好在10 mm左右。修復(fù)后的管線使用年限約25 年，大于鋼材在海水中使用年限，且修復(fù)時間僅需3～4 d，在不停產(chǎn)的情況下就可完成。不會對產(chǎn)量造成大的影響。這已引起有關(guān)方面的重視。


四. 抽油桿

有桿泵抽油是目前常用的機械采油技術(shù)，抽油桿是有桿泵抽油的主要部件之一。目前，絕大多數(shù)抽油桿是鋼制件，笨重、磨損和腐蝕使其應(yīng)用受到一定限制，取而代之的是CFRP抽油桿。早在20世紀90年代，美國開始研制CFRP柔韌性抽油桿。這種新型抽油桿為柔韌性的帶狀，橫截面為矩形，一根沒有接頭的長度可達3 000 m以上，是以不飽和樹脂為基體，碳纖維為增強纖維。