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复合材料知识讲座

复合材料在海洋石油工程中的应用

一．复合材料简介

1．概述

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或学的方法，在宏观〔微观〕上组成具有新性能的材料。

各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

复合是一种混合物。

在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。

复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。

按其结构特点又分为：

①纤维增强复合材料。

将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。

如纤维增强塑料、纤维增强金属等。

②夹层复合材料。

由性质不同的外表材料和芯材组合而成。

通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。

分为实心夹层和蜂窝夹层两种。

③细粒复合材料。

将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。

④混杂复合材料。

由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。

与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。

分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。

分类

复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。

增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等，基体则有高聚物（树脂）、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等。

由不同的增强体和不同基体即可组成名目繁多的结构复合材料，并以所用的基体来命名，如高聚物（树脂）基复合材料等。

结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要是还可进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材。

功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。

功能复合材料是指除机械性能以外而提供其他物理性能的复合材料。

如：

导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、磨擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等凸显某一功能。

统称为功能复合材料。

功能复合材料主要由功能体和增强体及基体组成。

功能体可由一种或以上功能材料组成。

多元功能体的复合材料可以具有多种功能。

同时，还有可能由于复合效应而产生新的功能。

多功能复合材料是功能复合材料的发展方向。

复合材料也可分为常用和先进两类。

常用复合材料如玻璃钢便是用玻璃纤维等性能较低的增用于船舶、车辆、化工管道和贮罐、建筑结构、体育用品等方面。

先进复合材料指用高性能增强体如碳纤维、芳纶等于高性能耐热高聚物构成的复合材料，后来又把金属基、陶瓷基和碳（石墨）基以及功能复合材料包括在内。

它们的性能虽然优良，但价格相对较高，主要用于国防工业、航空航天、精密机械、深潜器、机器人结构件和高档体育用品等。

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二.复合材料应用于海洋石油工程的由来

由于复合材料的各种良好性能以及传统材料的弊端在深海油气开发中，传统材料面临的问题是考虑新材料应用的驱动力。

目前，传统材料主要面临以下5个方面的问题：

第一，深水油气开采装备的自重问题。

因为随着水深的增加，装备自身的质量已经很大，如果安装在采油平台上，其自重已经对平台造成了很大的载荷要求。

第二，对装备的耐腐蚀性能要求更高。

由于在深海区域对装备的防腐维护、部件更换等成本比近海区域要高很多，因此，深海区域油气开发对装备的防腐性能提出了更高的要求。

第三，深水开采对材料的强度提出了更高的要求。

随着开采装备下到1500ｍ以上的深水中作业时，海水对装备造成的压力载荷，是传统材料无法承受的。

第四，疲劳损伤。

海浪的波动使装备的疲劳环境非常恶劣，海浪带来的疲劳损伤甚至比飞机飞行造成的疲劳损伤更大。

因此，深海开采对材料的抗疲劳损伤提出了更加苛刻的要求。

最后，深海区域的油气开采，施工和安装工程的成本比近海或者是陆地区域更加昂贵，如何提高装备安装和施工的便捷性也是一个值得关注的问题。

三．复合材料在海洋石油工程领域中的发展

复合材料在陆地油田的应用〔如：

做抽油杆，水管等〕，大家都很熟悉，但是，该材料是否可用于海洋石油工程呢？

答案是肯定的，而且应用的更广，更深，前景更可观！

据资料介绍，复合材料可加工成许多海洋油田制品，如：

抽油杆，钻杆，盘管，流送管，开采立管，钻眼立管，应力接头，弯曲接头和筋束等，抽吸杆和钻杆在美国已经商业化，例如：

BrunswickComposites公司推出的挠曲复合材料钻杆，可盘绕成半径为10买的盘形；Conoco公司计划1995年推出复合材料盘管，法国IFP公司，Aerospatiale公司已研制成复合材料立管。

大直径流送管是盘管的逻辑发展产物。

复合材料在海洋油田应用潜力最大的是高压管型阻塞件。

分为定长的，如钻眼立管，开采立管，阻塞件，截流管路，浇铸件；连续件，如：

盘管，流送管，连续管的直径较小，可盘绕起来，用于海底，甚至高度歪斜的井内。

深水中TLP系统给的开采立管，可减小所需的预应力，该管与平台呈刚性连接，免去了昂贵的张紧装置。

法国IFP公司，Aerospatiale公司于1985-1989年间研制成直径为,碳纤，玻纤增强的复合材料立管，进行下述实验：

静态，疲劳，多轴载荷和破坏评估实验，接着筛选最正确设计，最正确生产工艺。

复合材料海洋油田制品的成型工艺有：

缠绕，拉挤，编制，RTM和混杂工艺等。

在美国，挪威等国家复合材料在海洋石油工程领域的研究和应用取得了显著地成果。

深海油气开采是当今世界石油开发的趋势，已经成为世界各国竞争的热点。

我国海洋油气资源开采潜力十分巨大，但与陆地石油勘探相比，我国的深海油气勘探整体上还处于早期阶段，与世界先进国家相比存在较大的差距。

加快深海油气开发已成为我国当前石油战略发展的重要课题。

随着我国石油和天然气资源在陆地及浅海区域的急剧减少，油气田勘探开发已逐渐由近海向深海发展，开采海域深度向1500～3000m的深水进军，这就给原来适用于浅海海域的钻井平台及其配套装备带来了不可回避的技术难题。

使用传统钢质材料无法有效地解决这些问题，例如，钢材的密度过大，一个1500m水深的钻井平台，其钢制系缆的质量就达6500t左右，给钻井平台带来极大的载重负荷，增加了平台的建造成本。

此外，钢材在海水中耐腐蚀性差，造成钻井平台的钢制系缆和管道的平均工作寿命仅为2～3年。

因此，对于能够承受恶劣海洋环境的轻质高强材料的需求迫在眉睫。

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）具有强度大〔钢的7～9倍〕、模量高、耐腐蚀性强、抗疲劳损伤性能优异、易于修补、抗冲击性强、热膨胀系数和导热性低、质量轻又无浮力等诸多优点，是目前最先进的复合材料之一，可被广泛应用于深海石油平台的结构件上，如脐带管加强杆、锚泊系缆、采油立管、柔性立管等方面。

CFRP制成的系缆可用于开采深度为3000m以上的深海作业平台，且耐腐蚀性优异，工作寿命可达25年。

可见在深海油气开发领域，尽快研发和产业化应用轻质高强、性能优异的CFRP构件是非常必要的，也是产业急需的。

四．碳纤维复合材料〔CFRP〕

在众多复合材料类型中碳纤维复合材料由于其特有的性能与特点被广泛应用。

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品广泛采用。

据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源海上石油工程等领域将会大规模采用工业级碳纤维。

1997~2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31%，而工业用碳纤维的年增长率估计会到达130%。

中国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。

碳纤维是一种性能优异的新材料，最大的特点就是轻质高强，密度不到钢的1/4，但拉伸强度是普通钢的7～9倍。

碳纤维一般不单独使用，而是作为增强材料，添加到树脂、金属、陶瓷或者是混凝土当中构成复合材料，其中应用最多的是碳纤维增强树脂。

碳纤维从诞生到现在，已经广泛应用于航空航天、高端工程装备、重大基础建设结构工程、压力容器以及体育休闲用品等领域。

对于一般消费者来说，接触最多的CFRP是其在体育用品上的应用，比方说高尔夫球拍、网球拍等。

碳纤维最早的应用是在航空航天领域，目前大家熟悉的空客350和波音787等机型结构质量的50%已经使用了CFRP。

所以，有时候空客350和波音787也被称为碳纤维飞机。

从力学性能来分，碳纤维一般分为以下几个等级。

如T300级碳纤维，拉伸强度为3530MPa，弹性模量为230GPa；T700级碳纤维，拉伸强度是4900MPa；T800级碳纤维，拉伸强度到达5490MPa，弹性模量到达294GPa；T1000是超高强度碳纤维，拉伸强度更是到达了

6370MPa。

表1是典型的碳纤维系列及其力学性能。

从表1可以看到，碳纤维具备高

拉伸强度和高弹性模量，加之较较低的密度，使其比强度和比模量在众多的结构材中独树一帜。

图1和图2分别是碳纤维材料、CFRP与其他材料的比强度及比模量比较。

综上可知，CFRP具有以下特点：

首先，它的比强度和比模量非常高，也就是说在同等强度和同等模量的情况下，CFRP具有更轻的质量，这对于深海油气开采来说，是非常值得关注的一个方面。

比照CFRP和深海油气开采中经常使用的合金钢材料，前者的比强度和比模量高出很多倍，如T700CFRP就要比钛合金高出近10倍。

近年来，国际上相关的机构和公司一直在致力于CFRP在深海油气领域的开发应用，已经实现了部分材料的工程化应用。

随着海上油气田开采深度的增加〔见图3〕，对装备所用的材料也提出了新的要求。

例如，当钻井深度在1500m以下时，可以使用钢材当开采深度到达2000m时，海水所引起的巨大的张力载荷会导致钢材延伸变形，对一些钢制装备，如立管和系缆，将产生破坏性影响；当开采深度到达4000m时，部分钢制部件已无法满足性能要求，需要CFRP和钢材并用；当水深到达5000m，传统的钢制部件已经不能满足使用要求，此时需要大量使用由CFRP制造的装备。

以下简单介绍两个方面。

1.锚泊系统

传统的海上油气田生产设备多使用钢材制造，包括将海面平台锚固定到海底的锚泊系缆和连接海底井口到平台的管索系缆。

随着深海油气勘（a）碳纤维加强杆增强的脐带式管缆（b）待施工的脐带管缆图4集束CFRP拉挤杆碳纤维杆碳纤维杆束塑料型框管缆外皮图5CFRP加强杆增强的脐带管缆结构示意图探开采深度的不断增加，钢制管索系缆的自身质量迫使海上平台漂浮尺寸增大，带来了多种成本消耗。

此外，钢材在海水浸泡下极易腐蚀，工作寿命短，一般仅为2～3年，因此需要对管缆进行周期性生产检修和维护。

将管缆从深海中取出，按要求维修，再复原装回，不仅消耗维修成本，还要导致工程停产。

特别是在苛刻的深海环境条件下进行此种维修，难度更大，成本更高。

相比较而言，CFRP具有轻质高强、柔韧性好、抗疲劳、耐腐蚀和使用寿命长等特性，其比强度和比模量分别是是钢的10倍和5倍，非常适合应用于深海油气田环境。

碳纤维拉挤杆的另一应用形式是以碳纤维系缆替代钢制或聚酯锚固缆绳来固定移动的深海钻井系统，尤其是固定油船或移动的水下结构件，在深海油气开采中需要大量的系缆来固定钻井系统。

聚酯锚固缆绳是由聚对苯二甲酸乙二酯PET纤维绞合〔Strand〕和非绞合〔Parallel〕形式构成。

聚酯纤维缆绳因力学性能和热稳定性好，可以作为锚固系缆使用，但吸湿性差，并不适合长期在海洋环境中使用。

由表2所示的数种商品化锚固系缆材料的比强度和比模量〔比刚度〕性能的相互比较可以看出，聚酯纤维绞合系缆的比强度〔约0.32GPa/SG〕是二者的比刚度都非常低。

尽管如此，两者比强度都优于钢制系缆（约0.1～0.14GPa/SG），所以聚酯系缆能够用于替代钢缆。

此外，超高分子量聚乙烯纤维系缆和芳纶纤维系缆的比强度、比模量分别约为0.6～和20～60GPa/SG，都明显优于聚酯纤维系缆，而碳纤维拉挤杆的比强度约1.2GPa/SG，比模量约90GPa/SG，又都明显优于上述所有合成纤维系缆。

所以碳纤维拉挤加强杆作为锚固系缆主承力构件，具有显著的综合性能优势。

采油立管和输送立管

海洋油气产品是通过竖直的生产立管，从井口经过泵站传输到平台上。

深水采油的立管质量大大增加，同时，入水越深，立管就承受越大的压力。

与传统钢制立管相比较，CFRP轻质高强的性能优势不可替代。

从质量上来讲，CFRP立管与传统的钢制立管相比，具有明显的优势。

据报道，平台每增加1kg浮力要支付1.3kg钢材和0.65kg额外的锚固系缆，相当于每千克需增加9～15美元的成本。

随着深水立管质量的增加，入水越深，采油平台所要负担的负荷就越大，导致需要用更大体积的浮箱来张紧锚系。

深海采油张力腿钻井平台〔TensionLegPlatform，TLP〕的大小与顶部张力的变化并不成线性关系，而是以极高的速率增长。

例如，在317800kg以上的悬垂张力状态下，立管质量每增加0.5kg，将导致TLP平台尺寸放大倍；而在227000kg以下悬垂张力状态时，TLP平台质量增加系数仅为。

可见TLP平台的大小和造价非常依赖于其下面悬吊着的钻井立管的质量。

进入更深水域时，钢立管自重将到达并超过TLP平台规模成本的承受极限。

为了减轻钻井平台支撑质量，法国宇航局和法国石油研究所于1980年首先提出用CFRP制造钻井立管来减轻TLP平台的悬垂质量。

除了轻质高强外，CFRP立管还具有其他的优点，如极好的抗疲劳性、耐腐蚀性、阻尼和绝热性能。

CFRP立管的减重直接减少了顶部张力，导致锚泊系缆张力相应减少，也使平台尺寸相应减少。

CFRP采油立管解决了深海油气开采过程中金属管自重带来的体系不稳定、能耗过大和施工不便利等问题，使整个TLP平台采油系统的操作成本降低，减轻质量的同时优化设计TLP平台也能够带来更大的系统效益。

CFRP立管〔图8〕的制造是用碳纤维/环氧树脂在薄壁金属管芯上进行连续螺旋和环向缠绕，管芯与复合材料层之间完全胶接成整体，不能层间位移，并在完全固化的外管外表涂覆耐磨蚀保护层。

CFRP立管质量仅为钢制立管的一半，却比钢制立管具备更好的综合性能。

此外，CFRP还可以对渗漏的钢管进行修补。

CFRP立管相比较金属立管的优点还有，减少运输和安装成本、耐磨蚀、可修复以及延长使用寿命等。

五．结语

综上所述，复合材料能够很好地解决深海油气开采中传统金属材料采油装备〔钻井立管、锚泊系缆等〕由于质量、强度和寿命等不足所带来的一系列问题，大大提升了深水油气开采装备的技术水平。

我国碳纤维及其复合材料的产业化建设，在国家相关科技和产业政策的支持下，经过数十年的不懈努力，已经取得了重大突破。

近年来，我国碳纤维产业化的建设呈现出蓬勃发展的趋势，为深海油气装备的开发及应用奠定了物质和技术基础。