高壓玻璃鋼管道的制造工藝技術研究
1 引言
近年來，我國東部油田多已進入后期開發。為了穩定原油生產，各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量，提高產液量，從而達到穩產增產的目的。但是，由于我國淡水資源匱乏，所以在注水工藝中多采用污水回注，根據國內某油田的調查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蝕性物質，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，這些物質對金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長期以來，國內外都在積極開展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過程中使用高壓玻璃鋼管作為地面油氣集積和輸送管線，以及井下油管、套管已是屢見不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管嚴重腐蝕問題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國外技術的現狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個系統工程，從材料選擇、管材（件）制造、質量控制到安裝搶修以及售后服務，均制定了一整套完整的工藝。經在油田實際運行證明，我們研制的高壓玻璃鋼管道完全能夠滿足油田使用要求，主要性能指標已超過國際先進水平。
2 高壓玻璃鋼管的特點及重點應用領域
采用纖維纏繞工藝制造的高壓玻璃鋼管與傳統的鋼管、混凝土管相比，除具備復合材料本身的一些優異特性外，還具有以下特點：
（1） 使用壽命長。其設計使用壽命可達到30年至50年；
（2） 性能可設計性、產品適用性強。可根據使用工況設計成耐高溫（一般高可達120℃，選擇合適的樹脂體系可達到160℃）、耐高壓（一般高可達25MPa；經過特殊設計，部分型號可達到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產品；
（3） 安裝、運輸方便，免維護。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個人和一些必備的簡單工具即可，工程費用低；
（4） 內壁光滑，介質輸送阻力小。由于模具表面光潔度高，制成的管道內壁哈森-威廉姆斯系數高達150，且其不結垢的特性使管內壁的光潔度不會隨時間而改變；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有機物。這一點對于二次和三次采油過程中使用的聚合物和微生物驅油技術非常有利；
（6） 導熱系數小，不足鋼的百分之一，保溫性能好。
高壓玻璃鋼管在石油工業主要應用于以下領域：
⑴ 原油或天然氣集積和輸送；
⑵ 化學處理及污水處理管線；
⑶ 高、中、低壓流體輸送管線；
⑷ 鹽水注入管線；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管線；
⑹ 罐進、出液管及站內管線。
⑺ 生產井，處理井（鹽水、化學流體或污水），注入井（鹽水、CO2、聚合物、熱等）。
其中⑴--⑹采用高壓玻璃鋼線管，⑺采用高壓玻璃鋼油管、套管。
3 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
3.1 物理機械性能
高壓玻璃鋼管（線管）與鋼管的性能比較如表1所示。
表1 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
名稱 玻璃鋼管 鋼管
比強度（MPa） 100~168 49
拉伸強度（MPa） 環向 320 380
軸向 160
沖擊強度（t/m2） 1.5×105 2.3×105
密度（g/cm3） 1.8~2.1 7.84
彈性模量（GPa） 環向 25.2 210×103
軸向 17.6
導熱系數（W/m℃) 0.23~0.45 54
熱膨脹系數（m/m/℃） 1.12×10-5 1.23×10-5
絕對粗糙度（mm） 0.0053 0.046
摩阻系數 0.016 0.035
Hazen-Willians系數C 150 120
3.2 流體性能
高壓玻璃鋼管與鋼管的流體性能對比.
4 高壓玻璃鋼管制造工藝流程
高壓玻璃鋼管以高強度的連續無堿無捻粗紗浸漬環氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，主要制造工藝流程如下圖2所示。
5 材料選擇
5.1 增強材料
選擇增強材料時主要考慮如下幾個因素：
（1） 所用基體材料的類型；
（2） 浸潤劑的種類；
（3） 設計上的考慮；
（4） 纏繞設備；
（5） 制品工況；
（6） 成本因素。
玻璃纖維在選擇時工藝性能非常重要，因為工藝性能的好壞不僅影響產品質量，而且直接影響生產效率，
表2 常用玻璃纖維的物理―機械性能
性 能 玻璃纖維規格（Tex）
735 1100 2000
偶聯劑 硅烷型
單絲直徑（μm） 13.4 16.4 15.6
固含量（％） 0.55 0.67 0.74
拉伸強度(MPa) 2350～2790 2200～2700 2210～2700
拉伸模量(GPa) 72.4
5.2 基體材料
（1）樹脂體系的選擇
纖維的類型、品種及鋪層決定了復合材料的極限強度，而樹脂基體則通過與增強材料的有效匹配和應力傳遞作用，使纖維的性能得以充分發揮，從而制造出高性能的復合材料制品。此外，高壓玻璃鋼管的有些性能如耐高溫性能、耐腐蝕性和耐老化性能等，主要由樹脂基體決定。
環氧樹脂和乙烯基酯樹脂是制造高壓玻璃鋼管時常用的樹脂基體。
環氧樹脂具有優異的物理機械性能，在高溫下具有優良的性能保持率。同時具有優異的操作性能和加工性能，用它制成的復合材料性能優良，成本低廉。因此，環氧樹脂是高壓玻璃鋼管中應用得廣泛的樹脂基體。
環氧樹脂中通常含有多個環氧基，它可與多種類型的固化劑反應，生成三維交聯結構?？砂床煌墓に囈蠛托阅芤筮x擇固化劑。例如，使用胺類固化劑（與液體環氧樹脂共用）可得到室溫下粘度中等、適用期適中、耐腐蝕性好、高溫性能尚可的基體體系。同時，為了達到佳粘接性能，基體樹脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環氧樹脂的另一種常用固化劑。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。為了縮短固化時間，提高固化度，通常引入適當比例的促進劑。
針對不同的使用環境，我們設計了三種耐溫等級，兩種輸送介質的常規樹脂體系，見下表3。
表3 高壓玻璃鋼管的樹脂體系與耐溫等級
樹脂體系 環氧/酸酐 環氧/脂環胺 環氧/芳香胺
耐溫等級（℃） 80 95 120
輸送介質 酸性 堿性
注：1.耐溫等級為長期使用溫度上限；
2.根據輸送介質濃度、溫度選擇相應的樹脂體系。表中所列數值只針對某一特定樹脂體系。
（2）環氧樹脂的固化
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問題關鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過程。
高壓玻璃鋼管失效時的環向應力受樹脂體系固化程度的影響較大。因為要想提高其耐溫等級，即要求有較高的玻璃化轉變溫度，必然要求有較高的固化程度。但固化度越高，樹脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長相匹配，在進行水壓失效壓力試驗時，樹脂基體先開裂，樹脂與纖維逐漸脫開，裂紋進一步擴展，導致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進而降低其失效時的環向應力，使纖維的性能得不到充分發揮，因此，應根據設計要求選擇合適的固化程度，以滿足其性能要求。
6 產品規格
高壓玻璃鋼管的基本參數見表4。
表4 高壓玻璃鋼線管的基本參數
項 目 數 值
公稱規格（mm） DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN150 DN200
螺紋尺寸（in） 1.900 23/8 27/8 31/2 41/2 7 85/8
公稱長度（m） 9.144
公稱壓力等級（MPa） PN3.5～PN25
耐溫等級（℃） ～120
高壓玻璃鋼管件的基本參數見表5。
表5 高壓玻璃鋼管件的基本參數
項 目 參 數 值
公稱規格（mm） DN40～DN200
曲率半徑 ≥1DN
公稱壓力等級（Mpa） PN7～PN26
耐溫等級（℃） ～120
7 結語
高壓玻璃鋼管在結構設計上有嚴格的規范，在材料選擇上有較寬的范圍，對制造檢驗過程要求均較高，我們研制的高壓玻璃鋼管道工藝技術和安裝技術已經通過一系列試驗與生產考核，目前相關產品已經用于油田生產中，技術性能指標滿足實際使用需求。API標準規定進行100％的工廠內水壓檢驗，主要是因為對于油田生產而言，管材的質量和制造水平具有重大意義。高壓玻璃鋼管在解決鋼管線穿孔腐蝕、節能降耗等方面必將發揮重要作用。隨著各生產廠家的制造工藝水平和用戶認知程度的提高，以及質量保證體系的進一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
近年來，我國東部油田多已進入后期開發。為了穩定原油生產，各油田普遍采用注水工藝來增加地層能量，提高產液量，從而達到穩產增產的目的。但是，由于我國淡水資源匱乏，所以在注水工藝中多采用污水回注，根據國內某油田的調查研究表明，由于在回注的污水中含有大量的腐蝕性物質，如：H2S，SO2，NaCl，Ca2＋等，這些物質對金屬的平均腐蝕速度為每年1～1.7mm。長期以來，國內外都在積極開展新材料、新工藝的研究，在二次采油和三次采油過程中使用高壓玻璃鋼管作為地面油氣集積和輸送管線，以及井下油管、套管已是屢見不鮮。
為了解決目前各大油田存在的鋼管嚴重腐蝕問題，打破高壓玻璃鋼管單純依賴國外技術的現狀，我們把高壓玻璃鋼管道作為一個系統工程，從材料選擇、管材（件）制造、質量控制到安裝搶修以及售后服務，均制定了一整套完整的工藝。經在油田實際運行證明，我們研制的高壓玻璃鋼管道完全能夠滿足油田使用要求，主要性能指標已超過國際先進水平。
2 高壓玻璃鋼管的特點及重點應用領域
采用纖維纏繞工藝制造的高壓玻璃鋼管與傳統的鋼管、混凝土管相比，除具備復合材料本身的一些優異特性外，還具有以下特點：
（1） 使用壽命長。其設計使用壽命可達到30年至50年；
（2） 性能可設計性、產品適用性強。可根據使用工況設計成耐高溫（一般高可達120℃，選擇合適的樹脂體系可達到160℃）、耐高壓（一般高可達25MPa；經過特殊設計，部分型號可達到30MPa），滿足一定腐蝕性能要求的產品；
（3） 安裝、運輸方便，免維護。玻璃鋼的密度不足鋼的1/4，搬運、安裝都非常方便，DN100以下的管線只需3個人和一些必備的簡單工具即可，工程費用低；
（4） 內壁光滑，介質輸送阻力小。由于模具表面光潔度高，制成的管道內壁哈森-威廉姆斯系數高達150，且其不結垢的特性使管內壁的光潔度不會隨時間而改變；
（5） 抗菌性能好，不易寄生有機物。這一點對于二次和三次采油過程中使用的聚合物和微生物驅油技術非常有利；
（6） 導熱系數小，不足鋼的百分之一，保溫性能好。
高壓玻璃鋼管在石油工業主要應用于以下領域：
⑴ 原油或天然氣集積和輸送；
⑵ 化學處理及污水處理管線；
⑶ 高、中、低壓流體輸送管線；
⑷ 鹽水注入管線；
⑸ 三次采油注入（聚合物、CO2、NaOH等）管線；
⑹ 罐進、出液管及站內管線。
⑺ 生產井，處理井（鹽水、化學流體或污水），注入井（鹽水、CO2、聚合物、熱等）。
其中⑴--⑹采用高壓玻璃鋼線管，⑺采用高壓玻璃鋼油管、套管。
3 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
3.1 物理機械性能
高壓玻璃鋼管（線管）與鋼管的性能比較如表1所示。
表1 高壓玻璃鋼管與鋼管的性能比較
名稱 玻璃鋼管 鋼管
比強度（MPa） 100~168 49
拉伸強度（MPa） 環向 320 380
軸向 160
沖擊強度（t/m2） 1.5×105 2.3×105
密度（g/cm3） 1.8~2.1 7.84
彈性模量（GPa） 環向 25.2 210×103
軸向 17.6
導熱系數（W/m℃) 0.23~0.45 54
熱膨脹系數（m/m/℃） 1.12×10-5 1.23×10-5
絕對粗糙度（mm） 0.0053 0.046
摩阻系數 0.016 0.035
Hazen-Willians系數C 150 120
3.2 流體性能
高壓玻璃鋼管與鋼管的流體性能對比.
4 高壓玻璃鋼管制造工藝流程
高壓玻璃鋼管以高強度的連續無堿無捻粗紗浸漬環氧樹脂，采用纖維纏繞工藝制造，主要制造工藝流程如下圖2所示。
5 材料選擇
5.1 增強材料
選擇增強材料時主要考慮如下幾個因素：
（1） 所用基體材料的類型；
（2） 浸潤劑的種類；
（3） 設計上的考慮；
（4） 纏繞設備；
（5） 制品工況；
（6） 成本因素。
玻璃纖維在選擇時工藝性能非常重要，因為工藝性能的好壞不僅影響產品質量，而且直接影響生產效率，
表2 常用玻璃纖維的物理―機械性能
性 能 玻璃纖維規格（Tex）
735 1100 2000
偶聯劑 硅烷型
單絲直徑（μm） 13.4 16.4 15.6
固含量（％） 0.55 0.67 0.74
拉伸強度(MPa) 2350～2790 2200～2700 2210～2700
拉伸模量(GPa) 72.4
5.2 基體材料
（1）樹脂體系的選擇
纖維的類型、品種及鋪層決定了復合材料的極限強度，而樹脂基體則通過與增強材料的有效匹配和應力傳遞作用，使纖維的性能得以充分發揮，從而制造出高性能的復合材料制品。此外，高壓玻璃鋼管的有些性能如耐高溫性能、耐腐蝕性和耐老化性能等，主要由樹脂基體決定。
環氧樹脂和乙烯基酯樹脂是制造高壓玻璃鋼管時常用的樹脂基體。
環氧樹脂具有優異的物理機械性能，在高溫下具有優良的性能保持率。同時具有優異的操作性能和加工性能，用它制成的復合材料性能優良，成本低廉。因此，環氧樹脂是高壓玻璃鋼管中應用得廣泛的樹脂基體。
環氧樹脂中通常含有多個環氧基，它可與多種類型的固化劑反應，生成三維交聯結構?？砂床煌墓に囈蠛托阅芤筮x擇固化劑。例如，使用胺類固化劑（與液體環氧樹脂共用）可得到室溫下粘度中等、適用期適中、耐腐蝕性好、高溫性能尚可的基體體系。同時，為了達到佳粘接性能，基體樹脂必須在特定的固化制度下固化。酸酐是環氧樹脂的另一種常用固化劑。常用的有MeTHPA, MeHHPA,MNA等。為了縮短固化時間，提高固化度，通常引入適當比例的促進劑。
針對不同的使用環境，我們設計了三種耐溫等級，兩種輸送介質的常規樹脂體系，見下表3。
表3 高壓玻璃鋼管的樹脂體系與耐溫等級
樹脂體系 環氧/酸酐 環氧/脂環胺 環氧/芳香胺
耐溫等級（℃） 80 95 120
輸送介質 酸性 堿性
注：1.耐溫等級為長期使用溫度上限；
2.根據輸送介質濃度、溫度選擇相應的樹脂體系。表中所列數值只針對某一特定樹脂體系。
（2）環氧樹脂的固化
解決高壓玻璃鋼管耐滲漏問題關鍵在于選擇合適的材料和制造工藝過程。
高壓玻璃鋼管失效時的環向應力受樹脂體系固化程度的影響較大。因為要想提高其耐溫等級，即要求有較高的玻璃化轉變溫度，必然要求有較高的固化程度。但固化度越高，樹脂基體的斷裂延伸率越低，越難與纖維的斷裂伸長相匹配，在進行水壓失效壓力試驗時，樹脂基體先開裂，樹脂與纖維逐漸脫開，裂紋進一步擴展，導致管體滲漏，降低了管材的失效壓力，進而降低其失效時的環向應力，使纖維的性能得不到充分發揮，因此，應根據設計要求選擇合適的固化程度，以滿足其性能要求。
6 產品規格
高壓玻璃鋼管的基本參數見表4。
表4 高壓玻璃鋼線管的基本參數
項 目 數 值
公稱規格（mm） DN40 DN50 DN65 DN80 DN100 DN150 DN200
螺紋尺寸（in） 1.900 23/8 27/8 31/2 41/2 7 85/8
公稱長度（m） 9.144
公稱壓力等級（MPa） PN3.5～PN25
耐溫等級（℃） ～120
高壓玻璃鋼管件的基本參數見表5。
表5 高壓玻璃鋼管件的基本參數
項 目 參 數 值
公稱規格（mm） DN40～DN200
曲率半徑 ≥1DN
公稱壓力等級（Mpa） PN7～PN26
耐溫等級（℃） ～120
7 結語
高壓玻璃鋼管在結構設計上有嚴格的規范，在材料選擇上有較寬的范圍，對制造檢驗過程要求均較高，我們研制的高壓玻璃鋼管道工藝技術和安裝技術已經通過一系列試驗與生產考核，目前相關產品已經用于油田生產中，技術性能指標滿足實際使用需求。API標準規定進行100％的工廠內水壓檢驗，主要是因為對于油田生產而言，管材的質量和制造水平具有重大意義。高壓玻璃鋼管在解決鋼管線穿孔腐蝕、節能降耗等方面必將發揮重要作用。隨著各生產廠家的制造工藝水平和用戶認知程度的提高，以及質量保證體系的進一步完善，高壓玻璃鋼管必將在油田得到大力推廣和使用。
