王大鹏，刘美苓，姜焕英，孙 岩，王庆昭＊

（1．山东科技大学化学与环境工程学院，山东青岛266590；2．青岛市RTP工程技术中心，山东青岛266300）

油气产业用增强热塑性复合管研究进展

王大鹏1，2，刘美苓1，姜焕英1，孙 岩1，王庆昭1，2＊

（1．山东科技大学化学与环境工程学院，山东青岛266590；2．青岛市RTP工程技术中心，山东青岛266300）

综述了国内外油气产业用增强热塑性复合管（RTP）的产品、规格、生产企业及不同类型的性能指标，概括了国内外现行标准情况，重点介绍了RTP成型工艺等关键技术，模拟出最佳缠绕角度，最后对油气产业用RTP广阔的发展前景进行了展望。

热塑性；复合管；压力；缠绕角；成型工艺；研究进展

0 前言

RTP结构特征为管壁一般由3层组成，内层是具有耐腐蚀、耐磨等功能的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、耐热聚乙烯（PE－RT）、聚酰胺（PA）等热塑性塑料［1－3］；中间层为钢丝、钢带、玻璃纤维、碳纤维等多层缠绕形成的的增强层；外层一般采用抗刮伤、耐老化的聚烯烃作为保护层。RTP的主要特点是既能承受较高的工作压力，同时还保持了塑料管道质量轻、耐腐蚀及一定柔韧性的优点，可以盘卷，每盘长度可以从几十米到上千米，既方便快速安装，又大幅降低了接头的数量。本文从国内外RTP的产品、规格、生产企业及不同类型的性能指标及现行标准方面对油气产业用RTP管的发展趋势进行了介绍。

1 RTP研究现状

1．1 RTP产品、规格及生产企业

早在20世纪70年代，欧美等发达国家就开发了RTP产品并在油气田领域开始应用［4］，经过几十年的快速发展，其适用于不同领域、结构迥异的各类功能性RTP产品与技术已比较成熟，最高耐压等级已达到137MPa，耐热最高可达160℃。国内外RTP产品主要生产厂家、产品名称及规格情况如表1［5－7］所示。

表1 国内外RTP产品主要生产厂家及规格情况Tab．1 RTP specifications and main manufacturers at home and abroad

1．2 RTP性能指标及标准

增强热塑性复合管除了满足常规的油气产业用管道的要求外，根据增强材料以及加工工艺的不同，其性能指标存在差别，主要表现在温度修正系数及爆破压力、静液压试验条件上。对于钢骨架增强复合管［8］，20～30℃，温度修正系数为0．95；30～40℃，温度修正系数为0．90；40～50℃，温度修正系数为0．86。对于钢丝缠绕增强复合管［9］，20～30℃，温度修正系数为0．87；30～40℃，温度修正系数为0．74。因钢丝缠绕复合管中有大量热熔胶存在，所以钢丝缠绕复合管不可在较高温度条件下使用。对于玻纤带增强复合管［10］，20～30℃，温度修正系数为1．0；30～40℃，温度修正系数为0．95。

因增强材料的性能及加工工艺不同，使得RTP的受力情况不同，在压力试验时，条件存在差异，压力测试条件如表2所示。国内外根据需求制定出国际标准、国家标准和行业标准等，油气产业用RTP的现行主要标准［11－26］如表3所示。

表2 压力测试条件Tab．2 Conditions for stress testing

1．3 RTP产品应用情况

总之，调皮儿童心理健康教育作为儿童素质教育这个系统工程中的一个有机组成部分，需要解决的问题还有很多。在这里，作为一名小学教师我们仅仅是对调皮儿童心理健康教育中的一些重要问题进行了分析和探讨。而调皮儿童心理健康问题的解决方法，一方面有赖于心理健康教育模式的加强与完善；另一方面，则需要学校、家庭、社会诸方面共同努力帮助这些孩子克服不良行为和心理个性，让所有的调皮儿童和其他儿童一样身心健康和谐地发展。

目前RTP产品在油气开采领域的主要应用市场包括：（1）陆地油气田管道系统，主要用于注水、注醇、油气集输、污水输送等；（2）海上油气管道系统，主要用于海上油气集输等；（3）非常规油气资源开采，主要用于页岩气、煤层气开采、输送管道。

欧美发达国家的RTP产品在油气开采领域的应用得已经非常普遍，比如，法国Technip公司的RTP产品遍及40多个国家，仅在陆地油气田管道市场就已累计应用达25000km，在深海领域应用超过18000km；加拿大Flexpipe公司［27］的玻纤纱增强RTP产品在油气田领域应用总长度超过18000km，遍及北美、拉丁美洲及澳大利亚；Flexsteel公司生产的可盘卷钢带增强PE，在宾夕法尼亚州的页岩气开采中应用4．8km，直径203mm，工作压力10．5MPa，每卷183m，减少了接头数量，3周内铺成4．8km，效率极快。2010年Flexsteel用6英寸钢带增强RTP修复了一条从海上平台到岸上的7．25km 12英寸的报废钢管。

国内企业江苏联冠高新技术有限公司为俄罗斯油田生产的6km RTP输油管，结构为聚酯纤维增强RTP，内径102mm，压力5．5MPa。2010年中海油湛江分公司在南海海底成功应用11．5km直径3英寸国产钢带增强RTP输气管，设计压力13MPa，水深35m。2013年中海油湛江分公司南海文昌油田铺设10英寸保温混用RTP 55km，水深150m。

1．4 RTP成型工艺技术

目前，RTP的成型工艺按照生产方式有一步法和二步法2种分类方法：一步法是使用缠绕机或编织机将高强度纤维直接缠绕或编制在内管上形成增强层再包覆外层，如图1（a）所示将玻璃纤维直接缠绕在内管上；二步法是用高强度纤维或钢丝先制成增强带或者绳，缠绕在内管上再包覆外层；如图1（b）所示将玻璃纤维制成绳缠绕在内管上；如图1（c）将玻璃纤维制成复合带缠绕在内管上。二步法的第二步与一步法相同，其一般工艺流程如图2所示。

图2 RTP成型工艺流程图Fig．2 Diagram of RTP molding process

另一种分类方法是间断法与连续法。间断法现在比较普遍，但是受到工艺条件及设备的影响，无法实现连续在线生产，连续法生产线现已投入生产，连续法一直是RTP行业追求的方法。常见的间断法及连续法有：（1）大口径间断法生产法。对于大口径的增强复合管，先生产出一定长度的内管，将内管放在旋转架上，内管旋转并向前移动，增强材料以一定的角度铺放在内管上，通过加热，外层涂覆等过程完成生产，如图3所示。这种方法可以将管端的翻边或扩口直接增强，但是这种方式决定了只能进行定长生产，生产效率低。（2）小口径间断法生产法。小口径可盘卷的RTP可将内管生产出来盘卷成卷，通过缠绕机将增强带等增强材料缠绕在内管上，通过加热冷却等过程盘卷成卷［28］，如图4所示。这种生产方法效率比较低，适合内管生产速度较慢的RTP，如内衬管为PE－UHMW。因PE－UHMW挤出速度较慢，内管挤出速度为RTP生产速度的决定因素，可将内管生产盘卷成卷，再缠绕增强层。

图3 大口径间断法生产线Fig．3 Large diameter intermittent production line

图4 小口径间断法生产线Fig．4 Small diameter intermittent production line

现在常用的生产方式为内管挤出与增强层缠绕同时进行，英国Ridgway公司及国内大部分的连续纤维增强热塑性复合管生产线即采用该工艺，如图5所示。但受限于缠绕机结构，复合管的长度受增强材料长度的影响，无法实现在线更换，一卷增强材料用完即停机，没有实现真正意义的连续生产。

王庆昭等［29－32］自主研发的玻纤复合带增强聚乙烯复合管（CFT－RTP）及其连续生产方法与设备。复合管以PE－HD为内管，高强度的连续玻璃纤维复合带为增强层，外层包覆PE－HD层复合形成的管材［33－34］。生产方法与设备简单实用，实现了内管挤出、纤维增强带连续缠绕、纤维增强带在线更换、外层包覆的连续在线生产。提高复合管的耐压强度，降低管壁厚度，节约原料，降低成本，并且复合管可回收制备长玻纤增强聚乙烯材料。设计出具有自主知识产权的缠绕机，解决了连续玻纤增强复合带在线更换的难题，是RTP领域重大技术突破。

图5 Ridgway公司的RTP生产工艺Fig．5 Ridgway's RTP production process

1．5 缠绕角对复合管的影响

RTP的生产过程中，增强层的缠绕是关键步骤，现在通常采用传统复合层理论模型［35］，假设增强层中的环向应力与轴向应力为2∶1，得到理想的缠绕角度约为54（°）。在现实中RTP结构的破坏与断裂机制不同于金属材料，RTP的受力情况并不完全符合传统复合层理论模型。

结合有限元技术及Ansys软件，利用复合材料的失效准则设计RTP的合理缠绕角度。利用Tsai－Hill提出的适用于各向异性单向板屈服准则［36］，如式（1）所示：

式中 F、G、H、L、M、N——各向异性材料的破坏强度参数

σ1～σ3——各向主应力

τ12、τ23、τ31——各向剪应力

根据RTP复合管的几何特性，玻纤在y和z方向的分布情况相同，由此得到Tsai－Hill强度理论如式（2）所示：

式中 X——单层板的纵向（轴向）强度

Y——单层板平面横向强度

S——单层板平面剪切强度

RTP复合管主要由增强层承压，所以当增强层发生破坏时，复合管就会发生损坏，进而导致复合管失效。将Ansys软件模拟分析所得的有关数据和增强层纵向强度、横向强度及剪切强度，代入公式计算出等式左边的数值即为失效系数，将该数值与1相比较。失效系数≤1时，复合管未失效；失效系数＞1时，复合管失效。

在相同的内压条件下，对公称外径为110mm、壁厚相同的RTP复合管，仅改变缠绕角后进行有限元模拟，同时以二分法为依据进行了角度的选取，分析结果如表4、图6所示。

表4 不同缠绕角的复合管的分析结果Tab．4 Analysis results of composite pipes under different layer angles

图6 失效因子随缠绕角变化曲线Fig．6 Failure factor against winding angle

由图6可知，对于公称外径110mm、壁厚相同的RTP复合管在内压相同情况下，耐压能力随着角度的增大而变大，到65°之后耐压能力增加十分缓慢，66°左右时达到最佳耐压状态，67．5°之后耐压能力开始下降。故公称外径为110mm的RTP复合管最佳缠绕角约为66°，铺层角的合理范围为：56°～68（°）。以66°为缠绕角生产出的RTP复合管进行爆破压力实验，其实验值与理论值非常接近，从而验证了模拟结果的正确性。

2 结语

RTP具有耐腐蚀、耐热、耐高压、质轻、运输安装便捷、维护成本低等显著优势，在油气田、矿山、化工等工业领域广泛应用。钢丝、钢带增强复合管等因钢材本身易腐蚀及质量大的特点，限制了其发展。连续法生产是效率较高的生产方法，所以连续法生产非金属材料增强RTP是一种必然趋势，其应用前景十分广阔。

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Research Progresses of Reinforced Thermoplastic Composite Pipes Used for Oil and Gas Industry

WANG Dapeng1，2，LIU Meiling1，JIANG Huanying1，SUN Yan1，WANG Qingzhao1，2＊
（1．College of Chemical ＆Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2．RTP Engineering and Technology Center of Qingdao，Qingdao 266300，China）

This paper reviewed the commercial products，specifications and manufacturers of reinforced thermoplastic composite pipes（RTP）as well as properties of different types RTP products．The current international and domestic standards for RTP were summarized，their molding processes were introduced，and the best winding angle for the processing of RTP was simulated．Finally，the future development of RTP used for oil and gas industry was prospected．

thermoplastic；composite pipe；pressure；winding angle；molding process；research progress

TQ327．1

A

1001－9278（2017）07－0016－07

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．003

2017－04－28

山东科技大学研究生科技创新基金（SDKDYC170363）

＊联系人，qzhwang001＠126．com