碳纤维复合材料在海底油田领域中的应用

      石油的钻探与开采逐步由陆地向海洋延伸，海洋也由浅海向深海延伸以满足市场的需求。陆地与海洋的环境迥异，尤其是海水对开采设施的腐蚀相当严重，使其使用寿命大大缩短，加大了开采成本。陆地开采设备大多以钢材为主，而深海开采用钢材却遇到许多技术难题，如海水腐蚀等，希望用碳纤维复合材料（CFRP）或碳纤维与玻璃纤维复合材料（CF/GFRP）、碳纤维与芳纶复合材料（CF/KFRP）予以解决这些难题。CFRP在海底油田领域中的应用主要凸现其5 个方面的特性。

      ⑴ 质量轻。碳纤维密度大约在1.76～1.80 g/cm3之间，所制复合材料密度在1.50～1.60 g/cm3之间，而钢材约为7.87 g/cm3。显然，CFRP比钢材轻得多。

      ⑵ 高比强度和高比模量。CFRP的比强度约是钢材的7～12倍，比模量约是3～5倍。所以，CFRP可用来制造轻而强和刚而坚的各种制品。

       ⑶ 耐疲劳强度高。CFRP的耐疲劳强度高, 显著优于钢材,使用寿命长。特别是抽油杆的往复运动，管外海水压力与管内压力不平衡而引发材料的疲劳，导致疲劳断裂。利用CFRP抽油杆可解决这一问题。

      ⑷ 耐腐蚀。CFRP耐酸耐碱性强，耐各种环境腐蚀，且不生锈，在海水中使用寿命比钢制件长得多。 

     (5) 热性能优异。CFRP的热膨胀系数小，轴向热膨胀系数约为-0.1×10-6/℃，垂直于轴向热膨胀系数约为+35×10-6/℃。在冷态环境下不脆裂，在热态环境中尺寸稳定。CFRP的耐热性很大程度上取决于基体树脂。就碳纤维的耐热性而言，可在300 ℃以下的空气中长期使用。

       以上这些综合性能使CFRP成为开发海底油田的最好选材之一。尤其是深海油田的开发将发挥更大作用。

1 CFRP在近海油田领域中的应用

      CFRP在近海油田领域中的应用主要包括张力腿平台（TLP）钻探装置（MODU）和漂浮生产系统（FPS）等方面。具体的应用构件如下：

       ⑴ 生产井管。生产井管是从海底延伸至钻井平台甲板的构件，大多采用直径为266 mm管状物。通过设置在其中的配管，油、气从海底流到储藏槽。对于近海油田, 可用钢制井管，但使用寿命短；如果采用CFRP井管, 使用寿命将大大延长。一般钢制管使用寿命2～3 年, 而CFRP井管可用20～25 年左右。因前者易被海水腐蚀，发生泄漏，不得不修补或更新。

       ⑵ 管材、储藏槽和甲板。GFRP可用来制造海水管道、防火防水管道、其他低压管道以及储藏槽、格栅框架等。其优点是价格低且耐海水腐蚀，不足之处是绝缘体可能引起静电火灾和爆炸事故。在复合过程中，基体树脂中加入炭黑或短切碳纤维使其具有一定导电性而杜绝上述事故发生。在这方面所用碳纤维量并不多，但可赋予构件的防静电功能。用CFRP代替GFRP制造上述构件，整体性能会得到显著提高，但造价高，投资大。

       ⑶ 挠性管和连接管（Umbilicals）。用CFRP制造挠性管和连接管，即采用拉挤成形工艺制造出同心圆形状，在聚合物树脂管上施以增强金属螺旋层（圆周方向增强层），构成比较薄的两个层面。表层保持强度，内层赋予耐蚀功能。在变化较大的工作条件下，输送各种流体。 

       连接管（Umbilicals）用来捆缚从平台延伸到海底的液压控制管线和甲醇输送管线、热塑性树脂柔管、电气电缆等管线，作为海面下生产及维修手段。为了减轻质量，可用CFRP替代金属层。制造方法除用拉挤成型工艺外，也可以用缠绕法（FW）。

       ⑷ 平台的二次结构材料。平台的二次结构件主要是指格栅框架、扶梯、辅助平台、电缆托盘、电缆桥架等，已得到普遍应用。例如，壳牌公司在墨西哥湾的4 个TLP上都采用了格栅框架。此外，在混杂复合材料（CF/GFRP）横梁的头与尾突缘上也使用碳纤维。 

       ⑸ 浮力组件（Buoyancy Modules）。在制造增强小直径中空球的复合泡沫体时采用了碳纤维。这种浮力组件可用在1 200 m深海。特别是为了开采1 500～3 000 m深海的油和气，这种浮力组件显示出许多优点，用量与日俱增，将会成为碳纤维市场的新增长点。例如，美国复合材料技术公司用CFRP制造的浮力提升器组件，可提供8.6 t的浮力，可把锚从390 m深的水下提起。 

      ⑹ 槽罐和压力容器。用CFRP制造槽罐和压力容器的显著特点是轻量化，且制造技术日趋成熟。美国Addax公司用FW法制造CFRP地质勘探取样器，可在3 000 m以上的深井中承受高温（149 ℃）及高压。此外，在炼油厂使用的铝衬CFRP压力容器和气体过滤器也有着良好的应用前景。虽然CFRP压力容器性能优异，但是要在海底油田得到广泛应用也遇到成本问题。随着碳纤维质量提高，产量扩大和成本下降，在这方面的应用将日趋普及。

2 CFRP在深海油田领域中的应用

       CFRP在深海（900～3 000 m）油田中的应用倍受人们的关注，希望用高强度、高模量和质量轻的CFRP代替钢制品，以减轻张力腿式平台的自身质量和减轻张力腿支撑结构的负载。例如，在墨西哥湾的1 200 m深海油田用的升降机，升降管采用CF/GFRP混杂复合材料制造，质量轻，与钢管相比质量减轻45 kg/m，1 200 m可减质量54 t，减重效果十分显著，可大大减小浮力体的尺寸和投资。

       对于深海油田，将平台锚固到海底用的缆绳（tether）和连接油井口到平台的管材（riser）是重要组成部分。如果用钢材制造，质量重，需用大平台的漂浮尺寸，必将增大投资。如用CFRP制造，自身减质量效果及减质量波及效果十分显著。

例如，一个深海1 500 m的作业平台，用钢制缆绳（tether）约为6 500 t，用CFRP缆绳（Compteter）仅为1 000 t。同时，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，复合材料缆绳可卷绕到直径为4.4 m的芯轴上，运输和作业非常方便。图1是复合材料缆绳，图2是准备在海面安装的复合材料管材。

3 海水腐蚀管线的复合维修

       上所述，海底油田的钻探和采油设备经常浸泡在海水中而引起腐蚀，尤其是输送油水的碳钢管容易被腐蚀而发生泄漏，不得不进行修复。用GF/CFRP的修复方法如图3所示。维修工序大致如下：第一层是用玻璃纤维包裹层，且用环氧树脂充分浸透，使其与腐蚀管线紧密接触，且在固化后生成的GFRP层与管线牢固粘接；第二层是CFRP层，固化后的CFRP层与第一层GFRP成为承载压力的整体结构。复合修复厚度最小在5 mm以上，在条件允许下最好在10 mm左右。修复后的管线使用年限约25 年，大于钢材在海水中使用年限，且修复时间仅需3～4 d，在不停产的情况下就可完成。不会对产量造成大的影响。这已引起有关方面的重视。

4 抽油杆 

      有杆泵抽油是目前常用的机械采油技术，抽油杆是有杆泵抽油的主要部件之一。目前，绝大多数抽油杆是钢制件，笨重、磨损和腐蚀使其应用受到一定限制，取而代之的是CFRP抽油杆。早在20世纪90年代，美国开始研制CFRP柔韧性抽油杆。这种新型抽油杆为柔韧性的带状，横截面为矩形，一根没有接头的长度可达3 000 m以上，是以不饱和树脂为基体，碳纤维为增强纤维。