用于石油和天然气开采行业的管道越来越多地采用聚合物复合材料制成，因为它们与金属管道不同，从来不会腐蚀。John Osborne总结了这一蓬勃发展的市场所孕育的大量商机，阐述了标准是如何开发的，以及当前的研究项目可能会影响这些功能材料不断增多的应用。

　　用于石油和天然气开采行业的管道越来越多地采用聚合物复合材料制成，因为它们与金属管道不同，从来不会腐蚀。John Osborne总结了这一蓬勃发展的市场所孕育的大量商机，阐述了标准是如何开发的，以及当前的研究项目可能会影响这些功能材料不断增多的应用。

　　复合材料在石油和天然气开采行业的应用已经有很多年了。保护层或保护管都尝试过采用复合材料。凭借更高质量的复合材料，同时在可观的经济回报的驱使下，一些复合材料管道供应商证明他们可以大大减少由于传统金属管道的腐蚀所造成的损失。
　　热塑性复合材料正引领这一潮流。根据Gale Group集团在2009年发布的信息，热塑性复合材料的应用“在过去十年中增长迅速，而且种种迹象表明，这种趋势将会持续下去。热塑性复合材料的吸引力主要源于它可以取代标准的轻量／高强度金属，是一种更轻量／更高强度的替代品。
　　另一个驱动力就是巨大的需求。2002年7月，美国Idaho工程与环境实验室的Patrick Laney在一份报告中评估了复合材料管道在天然气行业的应用机会。
　　Laney说：“到2015年，将需要大约4.3万英里(约6.9万公里)长的管道来满足不断扩大的市场。”还有预测说北美市场在2001～2010年，建造了大约5万英里(约8万公里)的新传输管道，耗资超过800亿美元。
　　Lanev继续说：“管道行业面临的挑战是要在满足日益增长的需求的同时，降低成本。美国能源情报署预测，到2020年，天然气的平均价格将落在3～4美元的范围内。为了满足交货需求，克服低价，管道行业将不得不提出创新的方法，把天然气从井口输送到家庭和商业用户。”
　　在海上油气行业也存在着巨大的机遇，特别是在发展中。2012年10月，阿曼管道制造商Composite Pipes Industry宣布进入印度市场，到2013年建立一个5000吨的生产设施，初始投资额为5亿卢比。
　　据Composite Pipes Industry公司说，“石油和天然气行业对复合材料管道的需求增长率在未来五年预计将达到9％～10％[年均复合增长率]。环氧基管道的需求估计为每年21.6万吨，而印度每年需要4.6吨GRE(玻纤增强环氧树脂)管道。印度政府的第十二个五年计划估计，到2015年，管道的需求将达到18000公里，投资额达90亿美元。”
　　在西方，许多公司已经开发出石油和天然气开采用复合材料管道。Airborne集团和Deepflex公司是其中的佼佼者。

　　单一材料的概念

　　总部设在荷兰的Airborne集团说，大约50％的泄漏问题是由腐蚀引起的。它声称自己是家开发出全粘合热塑性无腐蚀管道的公司。Airborne表示，其产品轻、可缠绕，并具有优越的耐疲劳性。

　　“我们现在是上家也是唯一的一家已成功制造出连续的固体热塑性复合材料管道的公司，”Airborne集团商务总监Martin van Onna称。“这与RTP，或增强热塑性塑料管是不同的。因为RTP往往是不可粘结的，因此，松散的纤维层或纤维带缠绕在衬里上。RTP不能承受外部压力，不能用于深水中。”
　　Airborne的管道由热塑性化合物组成，包括三部分：护套、复合材料和衬里。衬里是由热塑性材料制成的。玻璃纤维或碳纤维提供强度和刚度。在制造过程中，完全粘结的柔性管是熔体融合而成的；管道包括一个坚固的外壁。
　　“我们主要使用玻璃纤维、E-玻纤和S-玻纤。”van Onna解释道。“我们也使用碳纤维，但不用芳纶纤维，因为它们的抗压缩性能不好(因此由芳纶纤维制成的管道不能应对高的外部压力)。我们使用的是纤维带，纤维是用塑料树脂浸润过的。我们用与衬里材料相同的塑料树脂浸润纤维，然后我们将纤维带缠绕在衬里上，并熔融在上面，然后第二层纤维带熔融在底层纤维带上。”

　　van Onna解释说，对于复合材料，Airborne公司采用聚合物，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚醚酮(PEEK)。他报告说，该公司用PP制成的复合材料管道，采用的是PP衬里，然后再将玻纤／PP纤维带熔融到PP衬里上，在外层则熔融一层PP护套。Airborne声称，该方法制成的管道采用了一种聚合物和一种纤维系统，即坚固又结实。

　　Airborne的制造工艺是保密的。van Onna说，这个过程是复杂的，“复杂性取决于连续管道的制造长度。这种生产技术是经过DNV认证，可以生产出合格产品的。”他补充说，Airborne旨在连续制造出变化小且完全可重复的产品。
　　马来西亚石油和天然气公司Petronas，为了减轻厌氧硫酸盐还原菌(SRB)引发的腐蚀作用，委托Airborne帮助他们的海上碳氢化合物生产用的热塑性复合材料管道达到质量标准。该项目将生产合格的6英寸内径(ID)的热塑性复合材料流体管道(TCF)，小工作压力范围在100～375巴之间。
　　项目范围包括一个客户指定的资格认证课程，介绍美国石油学会(API)的API 15S和API 17B标准，以及挪威船级社(DNV)的DNV-OS-C501标准的要求，其中包括全面的材料测试、短期和长期的原型测试，以及全规模的海上安装测试。该项目还包括集成光学纤维状态监测技术的开发和测试，以及16英寸内径管道生产技术的升级。
　　Airborne解释说，利用合格的非金属TCF，Petronas将“通过降低安装和运营成本，延长管道的设计寿命，可以降低现场管道的总拥有成本。与钢管相比，TCF的安装不需要昂贵的铺管船；它可以利用铺设驳船搭载重量较轻的运输和安装用卷轴和传送带，管道的安装成本比较低。在运营过程中，不需要注入缓蚀杀菌剂来减轻腐蚀作用”
　　Airbome公司还报道说，管道的频率检测可以减少，而通过智能检查来监控管壁厚度完全是多余的。它指出，或许大的好处将出现在更长的寿命周期内，因为由于腐蚀管道而导致的过早更换或修复将成为过去。

　　长的复合材料地下管道

　　巴西桑托斯盆地的Guara&Lula NE Gasline深水项目面临的大挑战是制造一条史上长的复合材料地下管道，试运行在地下2100～2200米之间进行。Airbome说他们达到了2140米的深度，创造了复合材料地下管道的使用深度记录。
　　2011年4月，石油和天然气行业的承包商SaiDem获得一份来自巴西桑托斯盆地Guara&Lula Northeast的气体输出管道EPIC(工程、采购、安装、调试)合同。管道大约离里约热内卢和圣保罗州海岸线260公里(162英里)，水深2100～2200米处。这两条海底输出管道每个直径为18英寸，长度分别为54公里和22公里，将由Saipem负责安装。
　　据Airborne介绍，全部的供应范围包括连续总长为2500米(8200英尺)、内径3英寸的地下管道。这种3英寸的地下管道可以承受345巴(5000psi)的内部工作压力和250巴(3626 psi)的外部压力。

　　无粘接的复合材料管道

　　DeepFlex也提供了一种复合材料管道。
　　“我们的无粘接柔性管已经30年了，”销售和市场营销副总裁Duane Moosberg说，“我们引领着API标准附录的发展。”
　　DeepaFlex介绍说，其柔性管是一种多层的螺旋缠绕金属带结构，采用的是挤出的热塑性塑料。这些多层的无粘结层是：
　　◆衬里，由挤出聚合物制成，能够流畅地输送烃类流体且耐化学腐蚀；
　　◆两层层压复合材料带能够抵抗较高的内部压力：
　　◆箍层可以防止破碎；
　　◆管壁中间的聚合物膜包围着一层复合材料带层压板，可以为管道提供拉伸强度；
　　◆外套提供了进一步的支撑和保护，使管道免受磨损和外部环境的影响。
　　DeepFlex说，管道的层与层之间没有粘结，确保了独立运动，并提供了优异的灵活性。
　　它声称，传统管道的拉伸保护层由高强度钢质矩形钢丝缠绕在相反的方向，以保证力矩平衡。DeepFlex的设计采用了碳纤维热塑性复合材料带来代替钢质保护层。
　　“满足同样性能需求的管道，重量预计可以减少30％。”DeepFlex说。
　　DeepFlex解释说，非粘结软管在海上石油和天然气行业的应用已经有20年左右。它用作动态立管，连接海底输油管线和浮式生产设施，对于静态的海底管线，这比安装刚性管的成本更低，效果更好。例如在恶劣的环境中，或是需要回收短期使用的管道的情况。DeepFlex说，在动态应用中，挤出聚合物或聚合物耐磨层应用在相邻的钢质保护层之间。在压力非常高的应用中，可能需要在锁箍强度层上加多一层矩形螺旋增强层，或需要第二套拉伸保护层。
　　一个9.125英寸、207巴的石油输出柔性立管系统被用于巴西能源公司Petro_bras的Roncador油田P36半潜式平台的1500米水深处。这个立管系统具有一个活动的悬挂网，悬挂网由两部分组成。顶部具有较高的拉伸张力和较低的抗破裂能力。底部具有较低的拉伸张力和较高的抗破裂能力。顶部采用复合材料作为拉伸保护层。底部的设计使得环箍强度层可以为管道提供较高的抗破裂功能。这些设计特点可以在满足设计要求的同时，还能大限度地减轻重量和减小顶部张力。在浮式生产中，安装船和操作平台或操作船以及管道本身的顶部，必须能够支撑管道动态载荷差值的悬挂重量。
　　据DeepFlex介绍，这需要降低管道的重量，减小管壁和悬挂结构的重量。它也希望减小船舶甲板的载荷，以降低浮力要求，或增加有效载荷能力。
　　此外，DeepFlex称，复合材料保护层具有诸多优点，高度抗疲劳、本质上不会腐蚀、不会发生氢裂解和硫化应力开裂，以及所有可能会降低管道使用寿命的机制。
　　DeepFlex补充说：“在顶部和底部采用不同的结构，以及干燥的环箍强度层的设计，使得成本比传统设计降低了。”
　　这家美国公司已经与巴西石油公司Petrobras签订了合同，针对DeepFlex的复合材料柔性纤维增强管件，进行资格测试。
　　这一多阶段多年的合同将包括超过5000个单独的测试。据DeepFlex说，合同的授予表明Petrobras承诺对DeepFlex产品的海上应用进行资格认证。Petrobras和DeepFlex在过去一年里一直紧密合作，制定计划的具体要求和范围，这也是DeepFlex能够赢得合同的原因。该资格测试的程序范围包括，设计和开发具有20年使用寿命的耐高温深水管所需的复合材料。

　　油田复合材料的新ISO标准

　　Airborne和DeepFlex对他们产品的应用前景是非常乐观的，但标准的缺乏阻碍了其更广泛的使用。
　　Element Hitchin公司资深科学家Morris Roseman博士和席执行官Rod Martin博士在所撰写的一篇名为《复合材料：石油和天然气行业用功能材料》(Composite Materials：An Enabling
Material for the Oil and Gas Industry)的报告中，概括了标准制定的相关工作。(Element Hitchin以前叫做MERL：材料工程研究实验室，位于英国Hertfordshire郡的Hitchin。2012年7月，Element
Materials Technology收购了MERL，并重新命名了这一机构。)
　　2007年的这份报告讨论了要推广复合材料在石油和天然气行业中的应用所面临的一些障碍。其中指出了两大主要障碍，一个是用于这些具有挑战性的应用中的复合材料需要新的标准；另一个是在敌对媒体中需要一些关于复合材料的性能信息。复合材料正成为这一行业的一项技术。由于资格标准的缺失，它们将会在应用的基础上以特定应用为目的被加以使用和认证，并在有关各方同意的基础上进行测试。
　　Martin和Roseman继续说到：“挪威船级社的‘DNV-OS-C501复合材料部件标准’在某种程度上解决了测试方法的使用问题。然而，它没有指明在什么样的特定条件下测试哪一种特定的应用。因此，ISO的TC67／WG7工作组的部分工作就是为与油田介质相接触的复合材料撰写一份标准，作为其正在开发的非金属材料系列标准ISO23936的一部分。”
　　Airborne的van Onna认为，标准将加快高分子复合材料在石油和天然气行业的应用，在投标阶段将特别有帮助。
　　“发送文件进行资格认证是一个相当复杂的过程，”他说，“目前我们的客户不能针对新的复合材料技术进行招标。他们往往只能针对常规材料和部件招标。这就是为什么我们近看到了一些石油公司在招标文件中要求对这些新的复合材料技术进行资格认证。”
　　这些标准只有具备可供遵循的程序时才会生效。另一个担忧是，提交给实验室用于分析的材料可能与实际使用的不同。
　　这是一个重要的问题，也是Element Hitchin公司名为《与油田介质相接触的复合材料的认证规范》(Specification for Qualifying composite Materials in Contact with Oil Field Media)的主题。
　　据Element Hitchin介绍：“标准(如AST翻、ISO等)一般是围绕简单的矩形平板样品的测试撰写的。符合这些标准的样品一般都是在实验室制造的，因此与用于制造实际部件的材料几乎没有相似性。对于复合材料，材料是与部件同时制造出来的，其性能很大程度上取决于加工参数、纤维方向等。(你不可能买现成的复合材料来制造部件，而金属则可以)。因此，这一JIP的目的是考虑现有的标准，并通过考虑部件如何实际运行，使用现有标准来起草一份关于油气行业用的特定复合材料部件的规范；此外还要根据这个撰写一个资格认证程序。”
　　Element Hitchin还致力于另外两个项目，这两个项目将影响到复合材料管道在石油和天然气工业中的未来应用：
　　◆PIPEAGE―为GRP管道修复材料开发抗老化和抗化学品的数据。目前用于流体传输的玻璃钢管道可能已经有20～30年的使用历史。但现在还没有办法预测管道是如何老化以及何时老化的(可能是灾难性的)；
　　◆CQCC―下一代软管用复合材料的连续质量控制。大量的研究工作正围绕着复合材料立管的开发进行着。金属立管的深度由于金属固有的重量问题已经达到了极限。因为随着深度的增大，管壁部位需要加厚来承受水下的外部高压，但这增加了管道的重量，而管道需要支撑自身的重量。复合材料更轻，因此可以到达更深的深度。复合材料管道是采用连续缠绕工艺制成的，但目前还没有系统可以在管道制造过程中监控和修复管道的缺陷。TsB(技术战略委员会)资助这一项目的目的是，设计和建立一个检测模块，来检测制造(或手工)的缺陷，然后设计和建立一个可以修复缺陷(用于制造管道的树脂是热塑性的)的模块。
　　这些项目可能会促进复合材料在石油和天然气开采行业的更多应用。下一个重大挑战是让这些材料适应北极的恶劣条件。现在这是一个重大的环境和政治战场。随着对能源需求的持续增加，材料面临的压力势必进一步增加。