CN105840926A - 一种深海油气工程用复合柔性管及其制造方法 - Google Patents

一种深海油气工程用复合柔性管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深海油气工程用复合柔性管，包括内衬层、由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗压层、外护套层、至少2层由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗拉层和与复合带抗拉层的层数相等的防磨层；所述内衬层、复合带抗压层和外护套层依次套接；在复合带抗压层和外护套层之间，各层防磨层和各层复合带抗拉层依次套接。同时，本发明还提供了一种深海油气工程用复合柔性管的制造方法。本发明的中复合柔性管具有很好耐腐蚀性、耐温性能和力学性能，更适合于深水和3000米超深水环境。

Description

一种深海油气工程用复合柔性管及其制造方法
技术领域
本发明涉及柔性管技术，具体涉及一种深海油气工程用复合柔性管及其制造方法。
背景技术
随着全球油气开采的增长，对于应用于深海油气开采的管道需求越来越大。深海油气开发作业工况复杂，当水深大于2000米，其开采出的油气压力和温度都很高，对管道在抗疲劳、抗高压、抗高温、耐腐蚀等性能有很高要求。
目前海洋油气开采管道主要是钢管和金属增强柔性管以及部分玻纤或碳纤增强热塑性塑料管。钢管和金属增强柔性管道重量都较大且钢管易腐蚀；玻纤或碳纤增强热塑性塑料管重量较轻，但玻纤耐温及力学性能一般，碳纤制备复杂价格高昂，并且目前玻纤或碳纤增强热塑性塑料管应用范围主要在陆地或浅海地区。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种深海油气工程用复合柔性管。该深海油气工程用复合柔性管具有优越的力学性能、耐温性能、抗腐蚀性能等性能，从而可更好的适用于深海环境。同时，本发明还提供了一种深海油气工程用复合柔性管的制造方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本深海油气工程用复合柔性管，包括内衬层、由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗压层、外护套层、 至少2层由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗拉层和与复合带抗拉层的层数相等的防磨层；所述内衬层、复合带抗压层和外护套层依次套接；在复合带抗压层和外护套层之间，各层防磨层和各层复合带抗拉层依次交替套接。
优选的，所述复合带抗压层包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第一缠绕扁带，此第一缠绕扁带螺旋缠绕于内衬层。
优选的，所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为85°～90°。
优选的，所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
优选的，所述复合带抗拉层包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第二缠绕扁带，此第二缠绕扁带螺旋缠绕于防磨层。
优选的，所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为20°～60°。
优选的，所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
优选的，所述复合带抗压层的厚度为7mm～10mm；所述防磨层的厚度为2mm～3mm；所述复合带抗拉层的厚度为4mm～6mm。
一种深海油气工程用复合柔性管的制造方法，包括如下步骤：
A、采用HDPE(高密度聚乙烯)、MDPE(中密度聚乙烯)、XLPE(交联聚乙烯)、PA-11(尼龙11)、PVDF(聚偏氟乙烯)和PE-RT(耐热聚乙烯)中的其中一种材料制成内衬层；
B、以聚乙烯和聚丙烯混合制成基体，再将基体与玄武岩纤维粘合从而制成连续玄武岩纤维复合材料，接着采用熔体浸渍工艺制成第一缠绕扁带和第 二缠绕扁带；
C、第一缠绕扁带以85°～90°的螺旋角缠绕于内衬层，形成复合带抗压层；
D、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料制成防磨层套接于复合带抗压层；
F、第二缠绕扁带以20°～60°的螺旋角缠绕于防磨层，形成复合带抗拉层；
G、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料再次制成一个套接于复合带抗拉层的防磨层；
H、第二缠绕扁带以20°～60°的螺旋角缠绕于位于外面的防磨层，再次形成一个复合带抗拉层；
I、重复步骤G和步骤H，重复的次数为0～8次；
J、采用PA-11或HDPE制成的外护套层套接于位于最外面的复合抗拉层。
优选的，在步骤B中，制成第一缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
制成第二缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明中的复合柔性管主要由内衬层、复合带抗压层、外护套层、至少2层复合带抗拉层和与复合带抗拉层的层数相等的防磨层构成，复合柔性管具有很好的性能，能更好的适应深水环境。
2、与传统的钢管和金属增强柔性管比较，本发明采用材料为连续玄武岩纤维复合材料，这使用了非金属材料，故本发明的复合柔性管的重量更轻， 安装更为轻便且耐腐蚀，更适合于深水和3000米超深水环境。
3、与传统的玻璃纤维增强的热塑性塑料管比较，本发明有突出的耐温性能(-260℃～650℃)和力学性能；与碳纤维强的热塑性塑料管比较，本发明所利用的玄武岩纤维具有比碳纤维低得多的成本。
4、本发明中的复合柔性管内壁光滑，拥有更好的耐腐蚀和耐高温功能以及良好的介电性能和综合力学性能，能有助于解决深海稠油输送的技术难关。
5、本发明中的复合柔性管综合动态特征优良,具有较高的抗疲劳性能,对深海极端动载荷有着较好的自适应性。
6、本发明中所利用的玄武岩纤维，其原料由单一的玄武岩矿石组成，制备为纯物理过程，制备能耗低，且可回收利用。其中，其总能耗是碳纤维的1/50，CO2排放是碳纤维的1/16，NOx、SOx排放为零)
7、本发明的复合柔性管与传统钢管及金属柔性管之间的性能对比如下表所示：
附图说明
图1是本发明的深海油气工程用复合柔性管的第一方向的剖视图。
图2是本发明的深海油气工程用复合柔性管的第二方向的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示的深海油气工程用复合柔性管，包括内衬层1、由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗压层2、外护套层3、至少2层由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗拉层4和与复合带抗拉层4的层数相等的防磨层5；所述内衬层1、复合带抗压层2和外护套3层依次套接；在复合带抗压层2和外护套层3之间，各层防磨层5和各层复合带抗拉层4依次交替套接。本实施例中，复合带抗拉层4和防磨层5的层数均为2层，复合带抗拉层和防磨层的层数可根据使用环境而定，如水深的深度、温度等，从而保证复合柔性管使用时可靠性。复合带抗拉层4的层数不仅限于此，其还可为3、4、5及6层。
所述复合带抗压层2包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第一缠绕扁带，此第一缠绕扁带螺旋缠绕于内衬层1。所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层1时的螺旋角大小为87°。此结构简单、方便安装，保证了复合带抗压层2具有良好性。
所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合，材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为31％，所述聚丙烯占的质量百分比为23％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为46％。
所述复合带抗拉层4包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第二缠绕扁带，此第二缠绕扁带螺旋缠绕于防磨层5。所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层5时的螺旋角大小为40°。此结构简单、方便安装，保证了复合带抗拉层4具有良好性。
所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为31％，所述聚丙烯占的质量百分比为23％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为46％。即制备第一缠绕扁带和第二缠绕扁带的使用的材料一样。
所述复合带抗压层2的厚度为8mm；所述防磨层5的厚度为2.5mm；所 述复合带抗拉层4的厚度为5mm。
一种深海油气工程用复合柔性管的制造方法，包括如下步骤：
A、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料制成内衬层；
B、以聚乙烯和聚丙烯混合制成基体，再将基体与玄武岩纤维粘合从而制成连续玄武岩纤维复合材料，接着采用熔体浸渍工艺制成第一缠绕扁带和第二缠绕扁带；具体的，将连续玄武岩纤维复合材料束展开成平行的薄层，再通过复合口模挤出的混合树脂熔体浸渍连续玄武岩纤维薄层，从而制得第一缠绕扁带和第二缠绕扁带；
C、第一缠绕扁带以87°的螺旋角缠绕于内衬层，形成复合带抗压层；
D、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料制成防磨层套接于复合带抗压层；
F、第二缠绕扁带以40°的螺旋角缠绕于防磨层，形成复合带抗拉层；
G、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料再次制成一个套接于复合带抗拉层的防磨层；
H、第二缠绕扁带以40°的螺旋角缠绕于位于外面的防磨层，再次形成一个复合带抗拉层；
I、重复步骤G和步骤H，重复的次数为0次；重复的次数相当于增加防磨层和复合带抗拉层的层数，从而使本发明的复合柔性管具有更好的性能，保证本发明的复合柔性管更好的适合深海环境。如为了使复合柔性管的性能更优，还可重复的次数为1～4次，以此增加防磨层和复合带抗拉层的层数。
J、采用PA-11或HDPE制成的外护套层套接于位于最外面的复合抗拉层。
具体的，内衬层和防磨层采用的材料可相同，这根据的实际的使用情况而定，如海水的深度等。本实施例中，内衬层和防磨层均采用HDPE。
在步骤B中，制成第一缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为31％，所述 聚丙烯占的质量百分比为23％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为46％。制成第二缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为31％，所述聚丙烯占的质量百分比为23％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为46％。具体的，第一缠绕扁带和第二缠绕扁带使用的材料中各组份的成分相同，故可保证复合带抗压层和复合带抗拉层具有良好的性能。
实施例2
本深海油气工程用复合柔性管除以下技术特征外同实施例1：
所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％，所述聚丙烯占的质量百分比为22％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为57％。
所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为85°。
所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％，所述聚丙烯占的质量百分比为22％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为57％。
所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为60°。
实施例3
本深海油气工程用复合柔性管除以下技术特征外同实施例1：
所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为49％。
所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为90°。
所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为49％。
所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为20°。
实施例4
本深海油气工程用复合柔性管除以下技术特征外同实施例1：
所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为86°。
所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为30°。
实施例5
本深海油气工程用复合柔性管除以下技术特征外同实施例1：
所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为32％，所述聚丙烯占的质量百分比为26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％。
所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为90°。
所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为20°。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：包括内衬层、由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗压层、外护套层、至少2层由连续玄武岩纤维复合材料制成的复合带抗拉层和与复合带抗拉层的层数相等的防磨层；所述内衬层、复合带抗压层和外护套层依次套接；在复合带抗压层和外护套层之间，各层防磨层和各层复合带抗拉层依次交替套接。
2.根据权利要求1所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述复合带抗压层包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第一缠绕扁带，此第一缠绕扁带螺旋缠绕于内衬层。
3.根据权利要求2所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述第一缠绕扁带缠绕于内衬层时的螺旋角大小为85°～90°。
4.根据权利要求3所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述第一缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
5.根据权利要求1所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述复合带抗拉层包括由连续玄武岩纤维复合材料制成的第二缠绕扁带，此第二缠绕扁带螺旋缠绕于防磨层。
6.根据权利要求5所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述第二缠绕扁带缠绕于防磨层时的螺旋角大小为20°～60°。
7.根据权利要求6所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述第二缠绕扁带中的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维组成的，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
8.根据权利要求1所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：所述复合带抗压层的厚度为7mm～10mm；所述防磨层的厚度为2mm～3mm；所述复合带抗拉层的厚度为4mm～6mm。
9.一种深海油气工程用复合柔性管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料制成内衬层；
B、以聚乙烯和聚丙烯混合制成基体，再将基体与玄武岩纤维粘合从而制成连续玄武岩纤维复合材料，接着采用熔体浸渍工艺制成第一缠绕扁带和第二缠绕扁带；
C、第一缠绕扁带以85°～90°的螺旋角缠绕于内衬层，形成复合带抗压层；
D、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料制成防磨层套接于复合带抗压层；
F、第二缠绕扁带以20°～60°的螺旋角缠绕于防磨层，形成复合带抗拉层；
G、采用HDPE、MDPE、XLPE、PA-11、PVDF和PE-RT中的其中一种材料再次制成一个套接于复合带抗拉层的防磨层；
H、第二缠绕扁带以20°～60°的螺旋角缠绕于位于外面的防磨层，再次形成一个复合带抗拉层；
I、重复步骤G和步骤H，重复的次数为0～8次；
J、采用PA-11或HDPE制成的外护套层套接于位于最外面的复合抗拉层。
10.根据权利要求9所述的深海油气工程用复合柔性管，其特征在于：在步骤B中，制成第一缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％；
制成第二缠绕扁带的连续玄武岩纤维复合材料主要由聚乙烯、聚丙烯和玄武岩纤维，其中，所述聚乙烯占的质量百分比为21％～33％，所述聚丙烯占的质量百分比为18％～26％，而所述玄武岩纤维的质量百分比为42％～57％。
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