碳纤维是一种性能优异的纤维材料，使用碳纤维作为原材料生产的制品，质量轻，耐酸碱等腐蚀性物质，阻燃性能好，即使在火中也能保持稳定。在现代化生产中，碳纤维复合材料的应用范围非常广泛，目前主要涉及汽车制造、航空航天、医疗器械、工业机器等领域。随着世界工业化的进行，对于高端材料的需求量也越来越多，有着“黑色黄金”之称的碳纤维材料首当其冲。
对于石油和天然气行业，常见的石油运输方式主要为水运与管道运输。水运虽然价格相对较低，但是周期长，需要在海上长时间的漂泊。管道运输可以保证源源不断的输送，不分白昼与黑夜。传统的管道运输使用的材质为金属材质，随着长时间的使用，会发现金属管道会被石油腐蚀，外表面则被外界腐蚀，使用的寿命短暂。对于现在石油项目来说，管道的寿命难以符合石油项目的需求。碳纤维复合材料用于石油管道可以避免以上情况，并且碳纤维材料质量轻，使用碳纤维制作的管道搭建石油运输路线降低了施工的难度。石油项目持续的时间短则几十年，长则需要百年，碳纤维材料的性质使其具备优异的耐久性。
图1 CFRTP输油管道
传统的石油管道为金属材质，金属材质的管道需要经常性的保养，并且在管道表面需要涂层来防止管道被腐蚀。碳纤维热塑预浸带通过缠绕工艺制成的石油管道有着质量轻、耐腐蚀的特性。较轻的质量方便了施工运输，耐腐蚀的特性节省了大量的涂层费用以及后期的维护费用。
碳纤维 (CF) 固有的热机械性能，以及其高比强度和高耐化学性，使其成为需要轻量化、低热膨胀系数、导电性和化学惰性等特性行业的理想选择。使在环境恶劣的地区碳纤维管道依旧可以稳定工作，不会因为温差大而产生形变。在恶劣和具有挑战性的环境中的卓越性能不断推动着复合材料在许多领域的创新，包括在石油和天然气领域的应用。
图2 CFRP输油管线
管道在油气田资源的开采和储运过程中发挥着重要的作用，例如注水、注醇、注汽、污水输送、油气集输、电缆护套等。国内的油气开采领域中，90%的管道系统仍然是金属材质。金属管道具有耐高温、耐高压、抗刮擦等优点，但存在笨重、不易弯曲、管壁粗糙、易生锈、易腐蚀等缺点。为了克服金属管道本身的缺陷，研究人员开发了非金属管道，但仍存在强度低、抗刮擦性能差、耐热性不足等问题。
可以同时克服金属管道和塑料管道各自缺点的复合管道应运而生，碳纤维复合材料因其优异的力学性能而被应用。碳纤维复合材料管道耐腐蚀、耐高压、质轻、运输安装便捷等优点明显，成为当前研究的热点。例如，美国Fiberspar公司研制的碳纤维复合材料智能管、荷兰Airborne公司推出的连续管、Magma Global公司推出的“M管”即碳纤维柔性立管等。在国外，该研究起步较早，现已在陆地和海洋的油气田领域推广应用。
图3 CFRTP输油管线的材料（碳纤维+PEEK）
CFRTP管线由两种优质原料碳纤维和PEEK制成。PEEK（ 聚醚醚酮）是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料。由于其耐热性、常用于油田化工品。
单向碳纤维和PEEK胶带，通过激光熔接，全自动机器人逐层熔接，形成光滑、完全粘结结构。同时可以修改胶带的角度，以优化柔软性、硬度和强度。实现相对少量的材料来满足所需的性能。
CFRTP管线有着优越的抗腐蚀性能。对油气田常见的硫化氢、二氧化碳、酸碱和水分的侵蚀均具有优异的耐腐蚀性能，远远优于钢管或挠性管。
图4 CFRTP管线的耐腐蚀性
CFRTP输油管具有良好的柔软性。它有一个最小的弯曲半径，可缠绕在在标准卷筒上，便于搬运和施工。由于其重量轻，即使较小的船只也可施工。CFRTP管线可以铺设在海底地层周围，具有很高的疲劳寿命，因此非常适合动态应用。
图5 CFRTP具有良好的柔软性，适合于海底铺设及动态应用
通过选择高性能材料，可以构建一个更小、更轻的结构。这为轻质立管设计带来了重大机遇，从而消除了对大型浮力结构的需求。真正的节约来自于安装的优势CFRTP管道重量轻，在水中的重量比钢管轻十倍，便于运输和搬运。它从小型船舶的标准卷筒上快速、方便铺设，其成本仅为大型铺管船的几分之一，并可以ROV连接。
图6 CFRTP管道施工作业
适用107m至3000m的水深，压力额定值高达10000psi，工作温度-60°C~200°C。
图7 CFRTP管线连接简单，大大缩短施工时间
图8 CFRTP管线最大长度可达6000m
在过去的几年中，碳纤维热塑性复合管（CFRTP）在行业认可度方面已经出现了转机。主要运营商一致认为，复合立管将显著降低深水系统的成本和安装时间。TCP提供了在高压、高腐蚀性环境中在3000米以下的水深部署柔性管道的可能性。同时在完全满足相同的高性能的同时，CFRTP管道技术可以在各种应用中降低成本。特别是，复合材料对于采用基础设施主导的发展战略的运营商来说，在成本和时间方面都具有显著的优势。那么，运营商在哪里可以利用这种相对较新的管道技术来发挥优势呢？
CFRTP管道是一种简单、标准的产品，采用按需精益制造工艺，在耐腐蚀性、灵活性、重量和流速方面具有多种优势。在开发管线时，花了十年的时间来找到合适的材料和制造方法，以生产能够满足各种上游碳氢化合物输送需求的标准化海底管道。在此期间，我们研究了许多不同聚合物在不同热和化学条件下的行为。PEEK和PVDF是我们唯一可行的选择，但进一步的调查表明PVDF在持续高温下的化学反应中存在缺点，随着时间的推移会降低强度。
PEEK被认为是最好的选择，因为它在持续高温下不受化学物质的影响，这确保了材料的强度随着时间的推移是稳定的，并且还得益于更高的气体渗透阻力。
通过对不同纤维类型进行了详细分析。使用不同的纤维材料和选择的碳纤维覆盖玻璃纤维，因为它提供了最佳的耐热性，从而提高了稳定性。尽管碳纤维比玻璃纤维更昂贵，但它具有强度优势，这意味着达到指定管道强度所需的纤维和聚合物更少。这意味着管壁更薄，制造时间更短，最终产品更轻。
另外一个令人惊喜的是生产过程只需要两个人操作，每天24小时干净安静地运行。在许多方面，高度自动化的过程与最少的人为交互相结合，更像是一个高科技的汽车工厂，而不是传统的石油和天然气管道制造过程。
图9 CFRTP管线缠绕（FW）生产线
图10 CFRTP管线的生产及测试现场
图11 CFRTP管道的重量只是钢管的1/10
图12 铺设作业
1）节能降耗是未来油气田发展的重要目标之一，要实现该目标，新材料的应用成为必然。碳纤维优点很多，但各向异性，如何在新产品研发过程中最大程度发挥其优越性能并规避其不足，是设计和研发人员重点考虑的问题。
2）碳纤维复合材料现有的成型技术主要是二维成型，存在抗冲击性能差、层间强度低、容易分层等缺点，并且结构简单、可设计性差。可克服现有成型缺陷的成型技术的开发已成为复合材料研究的新热点。新的成型技术将更好推动碳纤维复合材料的应用。
3）海洋现已成为资源争夺的焦点。随着海洋资源的开发，对新材料新技术的需求急剧扩大，随着对碳纤维复合材料研究的不断深入，碳纤维复合材料的应用领域将会不断扩展。碳纤维及其复合材料的研发和产业化现已进入重大创新期，抓住机遇，挑战未来。
另外，碳纤维复合材料管的成型技术、管材之间的连接、连接的可靠性等对系统的正常运行起着至关重要的作用，而管道的高效运行不但关系着企业自身的发展，也关系着国家发展能源供应的安全。另一方面，海底深处油气资源的开采也逐渐由浅水区走向深蓝水域，而管道是油气集输的重中之重，对管道提出了更高的要求，这意味着油气管道建设市场将迎来新的挑战和机遇，因此，实现国内复合材料管技术的创新和突破，最大限度的推动本土化，对推动我国油气田资源勘探和开发意义重大。
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原文始发于微信公众号（前沿材料）：3大优势！碳纤维复合材料在石油天然气管道领域的应用
