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论文
中国石油大学（华东）毕业设计（论文）
玻璃钢管道的技术特点
及在油田上的应用现状分析
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摘要
复合材料的发展，推动了材料工业的巨大革命。
玻璃钢管（简称GRP管）的诞生，标志着非金属管材在材料工业中的崛起，也预示着非金属管材在国民经济建设中的应用领域和市场将不断扩大，并越来越广阔。
但在腐蚀较为严重的石油工业中，发展较为迟缓。
本论文通过对玻璃钢管的防腐性能及技术特点分析，同时与钢管性质进行的对比分析，说明玻璃钢管在石油工业上应用的合理性。
进而对我国现阶段对玻璃钢管在石油工业上的应用状况进行分析
关键词：
玻璃钢管性能应用
目录
第1章前言………………………………………………………………………………….1
1.1材料工业发展的趋势—非金属复合管材的崛起……………………………………1
1.2玻璃钢管在国际市场及国内的制造和应用概况……………………………………1
第2章高压玻璃钢管的特点及重点应用领域……………………………………………3第3章高压玻璃钢管与钢管的性能比较…………………………………………………4
3.1物理机械性能…………………………………………………………………………4
3.2流体性能………………………………………………………………………………5
3.3耐腐蚀性……………………………………………………………………5
3.4水力性能……………………………………………………………………6
3.5导电、导热性能……………………………………………………………………7
3.6管材的阻燃性……………………………………………………………………7
3.7耐磨性好……………………………………………………………………8
3.8管道存在对水锤作用承载能力差的缺陷……………………………………………8
3.9可设计性好……………………………………………………………………………9
3.10工艺性优良…………………………………………………………………………9
3.11工程寿命长，安全可靠………………………………………………………………9
3.12整体造价较高………………………………………………………………………10
3.13工程综合效益好……………………………………………………………………10
第四章油田的应用…………………………………………………………………………12
4.1高压管道………………………………………………………………………………12
4.2中、低压玻璃钢管道…………………………………………………………………12
第五章结论………………………………………………………………………………13
致谢……………………………………………………………………………………14
附录………………………………………………………………………………………
第一章前 言
材料工业是一切工业的基础，新型的材料工业又是发展现代科学技术的必不可少的材料工业。
随着现代科技的发展，单一的材料性能已无法满足生产和社会发展的需要。
利用复合技术将不同特性的物质结合一起，制成具有优异综合性能的复合材料应运而生。
它能按用户需要赋予单一组分物质所不具有的特性，如轻质、高强、绝缘、耐腐蚀、耐温、隔热等优良的性能，甚至能满足用户在特殊工况下的要求，同时能达到节能降耗、降低成本、改善劳动条件、三废回收利用等综合目的，大大提高企业经济效益。
1.1材料工业发展的趋势—非金属复合管材的崛起
复合材料的发展，推动了材料工业的巨大革命。
玻璃钢管（简称GRP管）的诞生，标志着非金属管材在材料工业中的崛起，也预示着非金属管材在国民经济建设中的应用领域和市场将不断扩大，并越来越广阔。
玻璃钢管是一种新型的复合材料管，它主要以玻璃纤维纱作为增强材料和树脂作为基体制成，具有许多其它管材无法取代的优越性能，被广泛地应用于化工企业腐蚀介质输送、排污、油气输送、农业灌溉、海水输送、电厂循环水，以及城市给水排水工程等许多领域。
随着玻璃钢管的普及应用，又出现了夹砂玻璃钢管（简称RPMP），这种管道不仅从性能上提高了管材刚度，而且降低了管道的成本。
所以，近些年在城市给排水工程中特别受青睐。
以下我们着重对夹砂玻璃钢管的应用作阐述。
1.2玻璃钢管在国际市场及国内的制造和应用概况
复合材料工业中，玻璃钢行业在目前国际市场上产量最大、用途最广。
80年代中期以来，在欧洲一些国家新敷设的大、中型供水管道中，玻璃钢管的使用长度比例达10%—50%。
英国玻璃钢管占供水总长的25%以上，在预计今后的一段时间内会增加到30%—50%。
瑞典玻璃钢管的使用长度比例达40%，在直径300mm以上的新敷设市政管道中80%采用玻璃钢管。
日本在大口径城市供水管道中，玻璃钢管占25%，超过钢管的用量。
在中东地区大、中型输水管、污水管、海水淡化系统管道以及一些工业输送管道，均采用了玻璃钢管。
美国自1986以来，玻璃钢管的年产量超过6万吨，所安装的玻璃钢管道总长度为100万千米，预计今后美国玻璃钢管的发展速度平均将增长10%。
我国玻璃钢工业近年来发展很快，1992年国家建材局制定到2000年产量发展到30万吨/年的规模，玻璃钢的开发和应用已引起了更多人的重视。
八十年代至今，在夹砂玻璃钢管缠绕设备上我国先后从意大利、日本、法国等引进了4条缠绕管和两条离心管生产线,年生产能力得到了很大的提高。
但是，由于目前夹砂玻璃钢管的研制开发应用没有得到广泛地推广，致使许多应用部门对其性能、质量及应用领域没有得到充分认识。
另外，许多企业生产能力也未达到饱和，所以，夹砂玻璃钢管道在国民经济中的应用市场还有待开拓。
在当前我国经济迅速发展，市场经济逐渐完善的大好形势下，新型复合管材—夹砂玻璃钢管在城市供水领域里将以其优质的性能取代其它的管材，这是复合材料工业发展的必然趋势。
在我国，夹砂玻璃钢管的使用也逐渐在引起人们关注，长距离输水工程也越来越多，市场前景一片光明。
据建设部预测，在我国“九五”期间我国每年需要敷设的输水管道约1600公里，这表明夹砂玻璃钢管潜在市场是有广阔的前景的。
第二章高压玻璃钢管的特点及重点应用领域
采用纤维缠绕工艺制造的高压玻璃钢管与传统的钢管、混凝土管相比，除具备复合材料本身的一些优异特性外，还具有以下特点：
（1）使用寿命长。
其设计使用寿命可达到30年至50年；
（2）性能可设计性、产品适用性强。
可根据使用工况设计成耐高温（一般最高可达120℃，选择合适的树脂体系可达到160℃）、耐高压（一般最高可达25MPa；经过特殊设计，部分型号可达到30MPa），满足一定腐蚀性能要求的产品；
（3）安装、运输方便，免维护。
玻璃钢的密度不足钢的1/4，搬运、安装都非常方便，DN100以下的管线只需3个人和一些必备的简单工具即可，工程用度低；
（4）内壁光滑，介质输送阻力小。
由于模具表面光洁度高，制成的管道内壁哈森-威廉姆斯系数高达150，且其不结垢的特性使管内壁的光洁度不会随时间而改变；
（5）抗菌性能好，不易寄生有机物。
这一点对于二次和三次采油过程中使用的聚合物和微生物驱油技术非常有利；
（6）导热系数小，不足钢的百分之一，保温性能好。
高压玻璃钢管在石油产业主要应用于以下领域：
⑴原油或自然气集积和输送；
⑵化学处理及污水处理管线；
⑶高、中、低压流体输送管线；
⑷盐水注进管线；
⑸三次采油注进（聚合物、CO2、NaOH等）管线；
⑹罐进、出液管及站内管线。
⑺生产井，处理井（盐水、化学流体或污水），注进井（盐水、CO2、聚合物、热等）。
其中⑴--⑹采用高压玻璃钢线管，⑺采用高压玻璃钢油管、套管。
第三章高压玻璃钢管与钢管的性能比较
3.1物理机械性能
高压玻璃钢管（线管）与钢管的性能比较如表1所示。
名称
玻璃钢管
钢管
比强度（Mpa）
100~168
49
拉伸强度
（Mpa）
环向
320
380
轴向
160
冲击强度（t/m2）
1.5×105
2.3×105
密度（g/cm3）
1.8~2.1
7.84
弹性模量
（Gpa）
环向
25.2
210×103
轴向
17.6
导热系数（W/m℃）
0.23~0.45
54
热膨胀系数（m/m/℃）
1.12×10-5
1.23×10-5
绝对粗糙度（mm）
0.0053
0.046
摩阻系数
0.016
0.035
Hazen-Willans系数C
150
120
表1
钢管相比于其他传统管材，材质较轻、强度高、韧性好，可以承受较高内压，制造使用灵活，并且能适应复杂或恶劣的地质情况。
而玻璃钢管相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。
因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。
某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。
热应变及热应力之比均为假设玻璃钢管道与钢管管长相同、管道两端介质温差相同情况下所推得的结果。
从表中数据可以看出，玻璃钢管道的导热系数低，仅为钢管的0．4％，因而具有较好的保温性能，输送介质时可以降低热能损耗；另外，从表1还可以看出，当玻璃钢管道与钢管两端有相同的热温差时，线胀系数略大于钢管的玻璃钢管道将产生较大的热应变，但由于玻璃钢管道的轴向拉伸模量约11.2GPa，钢管的模量为210GPa，所以，温差在玻璃钢管道上产生的热应力仅约为钢管的1/11。
也就是说，在实际使用中，钢管需增加膨胀接头以消除管线上的热应力集中，玻璃钢管一般却可以不予考虑。
玻璃钢管道的热线胀系数使得它具有良好的抗热耐寒特性，可在地表、地下、架空、海底、沙漠、冰冻、潮湿等各种恶劣环境中使用。
3.2流体性能
高压玻璃钢管与钢管的流体性能对比见图1。
图1哈森-威廉姆斯系数（C值）对比
3.3耐腐蚀性
钢管在使用过程中存在较大率端，主要是内外防腐处理麻烦。
首先外防腐的问题很关键，其外防腐质量的好坏直接影响其使用寿命。
现在国内钢管的外防腐主要为：
遮盖型做法，对于钢管均要求为加强型或特加强型外防腐，有部分地区推行阴极保护。
对于遮盖型的外防腐办法一般为涂料如石油沥青、环氧煤沥青等，后者在低温时不易固化，而且在现场焊口施工时问题更多，原先曾用过这氯磺化聚乙烯，由于溶剂大多，易生针孔，抗击穿不合格，部分地区明确不再使用。
对于阴极保护其防腐效果比较好，但是由于采用牺牲阳极的办法，在日后运行中必须定期更换阳极，增高了运行费用和工作。
再说内壁处理问题，一般采用的方法有三种：
防腐涂料、树脂砂浆、水泥砂浆。
三种办法都存在两个问题：
第一是防腐层与钢管的粘结强度问题，水泥砂浆前面已经说过。
对于防腐涂料和树脂砂浆两种方法都要求钢管内表面完全除锈才能施工，但这点很难做到完好。
因此锈点部分就造成了日后分层剥离的起源，形成腐蚀和结垢；第二是钢管绝大多数都是现场对焊施工，在焊完后进行防腐。
只能是人工进行．质量不易控制、而且，对于直径较小的管，由于人员无法进去施工，就不再防腐了。
也造成了日后焊缝破坏的隐患。
根据几次钢管的爆管事故分析，主要是焊缝质量不高式焊缝腐蚀造成的。
而玻璃钢管耐腐蚀性好，对水质无影响。
玻璃钢管道能抵抗酸、碱、盐、海水、未经处理的污水、腐蚀性土壤或地下水及众多化学流体的侵蚀。
绝缘性能好，不会产生电化学腐蚀。
针对油田的腐蚀环境，只要选择适合的树脂基体及相应的固化体系，几乎所有的腐蚀问题都迎刃而解。
玻璃钢管比传统管材的使用寿命长，其设计使用寿命一般为50年以上。
防污抗蛀。
不饱和聚酯树脂的表面洁净光滑，不会被海洋或污水中的甲贝、菌类等微生物站污蛀附，以致增大糙率；减少过水断面，增加维护费用。
玻璃钢管道无这些污染，长期使用洁净如初。
同时由于其内壁光滑，且有优异的抗蚀性能，不会产生水垢和微生物的滋生，有效保证水质，保持水阻的稳定；对于输油管道，则不易结垢、结蜡，沿程阻力系数仅为钢管的一半，可以有效降低泵送功率，从而节约能源。
而传统管材还存在日后水阻增大和表面结垢的现象。
耐热性、抗冻性好。
在一30℃状态下，仍具有良好的韧性和极高的强度，可在一50℃－80℃的范围内长期使用，采用特殊配方的树脂还可在11O℃以上的温，及工作。
维护费用低。
玻璃钢管由于上述的耐腐、耐磨和抗冻和抗污等性能，因此工程不需要进行防锈、防污、绝缘、保温等措施和检修。
对地埋管无需作阻极保护，可节约工程维护费用70％以上。
3.4水力性能
钢管水力性能差、能耗高。
钢管的管内糙率系数在0.013-0.014之间，这样对于同样输水量，同等管径的管线，其沿程阻力就高，需要增大泵的扬程，增大初期投资，同时运行费用因耗电量大，也大幅度增大。
玻璃钢管摩擦阻力小，输送能力强。
玻璃钢管内壁非常光滑，糙率和摩阻力很小。
糙率系数为0.0084，而混凝土管的n值为0.014，铸铁管为0.013，因此，玻璃钢管能显著减少沿程的流体压力损失，提高输送能力：
因此，可带来显著的经济效益：
①在输送能力相同时，工程可选用内径较小的玻璃管道，从而降低一次性的工程投入；②采用同等内径的管道，玻璃钢管道可比其他材质管道减少压头损失，节省泵送费用；③可缩短泵送时间，减少长期运行费用。
同时自重轻、强度高，运输安装方便。
采用纤维缠绕生严的夹砂玻璃钢管道，其比重在1.65-2.0，只有钢的1/4，但玻璃钢管的环向拉伸强度为180-300MPa,轴向拉伸强度为60-150MPa，近似合金钢。
因此，其比强度（强度／比重）是合金钢的2-3倍。
这样它就可以接用户的不间要求，设计成满足各类承受内、外压力要求的管道。
对于相同管径的单重。
FRP管只有碳素钢管（钢板卷管）的1/2.5，铸铁管的1/3.5，预应力钢筋水泥管的1/8左右，因此运输安装十分方便。
玻璃钢管道每节长度12米，比混凝土管可减少三分之二三财接头。
它的承插连接方式，安装快捷简便，同时降低了吊装费用，提高了安装速度。
3.5导电、导热性能
玻璃钢管电、热绝缘性好。
玻璃钢是非导体，管道的电绝缘性特优，电阻可高达到1013～1016Ω。
通常对抗静电的要求为表面电阻104～107Ω或表面电阻率1010～1012cm.Ω。
玻璃钢获得抗静电性能，主要是在树脂中添加各种导电材料，增加玻璃钢的导电性能。
见表2。
表2加入不同添加剂的FRP抗静电性能能
FRP类型及添加剂
1012~1010/Ω•cm
1010~107/Ω•cm
107~104/Ω•cm
环氧型
石墨/﹪
5~10
10~20
20~50
炭黑/﹪
5~10
10~15
15~30
聚酯型
石墨/﹪
5~10
10~12
12~20
炭黑/﹪
3~5
5~8
12~20
银粉/﹪
5~8
8~10
10~20
-SN/﹪
10~15
15~20
表2的数据表明，玻璃钢管材的内、外表面或整体可以制成抗静电材料，最适应使用于输电、电信线路密集区和多雷区；玻璃钢的传热系数很小，只有0.23，是钢的5‰，管造的保温性能优异，从而使原油保持较高温度，减少了原油在输送管中的石蜡沉淀。
3.6管材的阻燃性
玻璃钢管的基体材料为高分子材料，通常为非自熄性可燃材料。
如不饱和聚酯浇铸体氧指数为17.5、环氧树脂为19．8、酚醛为35。
其相应玻璃钢的氧指数分别为21，24和70。
一般认为材料的氧指数小于21者属易燃材料，21≤氧指数≤27者属缓燃材料，大于28者属阻燃材料。
因此，在不饱和聚酯树脂、环氧树脂中引入磷、卤素、硼、锑和铝等元素或添加含有上述元素的有机无机物的阻燃剂，以提高制品的阻燃性能。
由于不饱和聚酯应用量大面广，所以在这方面从事研制工作的人较多。
普通不饱和聚酯树脂采用有机和无机阻燃剂后，其玻璃钢的氧指数可达37，而阻燃聚酯加上添加型阻燃剂，其氧指数可达成39。
酚醛树脂的氧指数较高，近几年来酚醛树脂在成型方式和固化工艺等方面有所改进，并取得了可喜的成果，已可低温固化、缠绕成型。
3.7耐磨性好
用于输送流体的玻璃钢管，内表面比较光滑，糙率系数实测为0.0084。
这样的内表面一般是不会出现磨损的。
在较长时间试验也无法测量出磨损量。
曾有人〔5〕采用含泥砂水进行磨损对比试验，经300万次旋转磨损后，内壁磨损深度对比结果如下：
有焦油和瓷釉涂层的钢管：
0.53mm；
环氧树脂加上焦油涂层的钢管0．52mm；
经表面硬化处理的钢管：
0．48mm；
玻璃钢管：
0.2mm。
有人用环氧树脂加填料（Al2O3）做涂层，比较其磨损性。
环氧／填料层与纯树脂（不加填料）比，磨损性提高了14倍，与45号钢比提高了2.4倍，可见玻璃钢管的耐磨损性是相当好的，而且还可以适当添加填料，提高其耐磨性，满足使用要求。
3.8管道存在对水锤作用承载能力差的缺陷
表3
3.9可设计性好
①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：
可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，不同的流量、不同的压力、不同的埋深和载荷情况；设计制造成不同压力等级和刚度等级的管道。
等等。
3.10工艺性优良
①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。
②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
设计灵活性大，改型周期短。
玻璃钢管是将浸有树脂基体的纤维增强材料，按照特定工艺条件逐层缠绕到芯模上并进行适当固化而制成的，管壁是一种层状结构，可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整玻璃钢管道的各项物理和化学性能，以适应不同介质和工作条件制成不同压力等级或具有某种特殊性能的玻璃钢管。
改型周期短，是纤维缠绕复合材料的显著特点，各向同性的金属管材无法与其相比。
3.11工程寿命长，安全可靠
当人们一谈到玻璃钢管时，就会涉及使用寿命问题。
有人说，可以用30年；更有人说，国外讲可以用50年。
我国既没有公开发表的长期性能数据，也没有长期的实践经验证据。
按照美国ASTM标准定义了一个较为严格的环向最大拉伸破坏应力，即在周期为每分钟25次并经过1.5×108交变内压作用后所获得的环向破坏应力；或者定义为经过连续105h内压作用后获得的环向破坏拉伸应力。
前看主要考虑了疲劳强度，而后者重点考虑了蠕变效应。
上述定义所需的试验时间为11.4年，这对于任何实验者都是很难完成的。
通常是在少量试验的基础上，按公式
h＝a＋bf
进行长期的性能预测，试中h为失效时间常用对数，f为失效应力的常用对数。
由于我国没有试验数据公开发表，无法确定常数a与b，因此无法进行预测。
只好用短时破坏拉伸强度，再取一定的安全系数，作为长期的性能指标。
美国公开发表的试验指标，短时间为38.7MPa，与我们的短时性能指标基本一致，因此可以用美国的试验数据得到方程
h＝106.7536-28.17455f
来估计算50年后的强度值与强度保持率，50年后的强度保持率为70％。
从上述预测的数据可以看到，玻璃钢管可以用50年是有科学根据的。
3.12整体造价较高。
由表4可见，高压玻璃钢管道安装后的估算指标及管道主材费均较钢管高，且随着管径增大，差异增大；其它费用较钢管低。
高压玻璃钢管道估算指标分别是目前钢管价格的1.04-1.27倍。
假定其它费用不变的情况下，钢管管道主材价格涨至目前的1.08-1.44倍，与高压玻璃钢管道一次性投资相同。
3.13工程综合效益好
综合效益是指由建设投资、安装维修费用、使用寿命、节能节钢等多种因素形成的长期性效益。
玻璃钢管道的综合效益是可取的。
特别是管径越大，其成本越低。
当进一步考虑埋入地下的管造可使用好几代，又无需年年检修，更可以发挥它优越的综合效益。
根据大庆油田有限责任公司2003年8月《玻璃钢管与钢管的长期经济效益分析》所示数据，以规格为DN80PN16的100公里管道为例，钢管平均使用寿命按15年计算，玻璃钢管使用寿命按30年计算，对比分析如下：
表5
油田用电按0.445元/度计算。
节省费用：
最少：
（300+30+1887+521）×2-（玻璃钢管价格+365×2）=2775
最多：
（300+30+1971+884）×2-（玻璃钢管价格+619×2）=3606
节省比例：
最少：
2775/（（300+30+1887+521）×2）=51%
最多：
3603/（（300+30+1971+884）×2）=58%
通过以上对比分析得出结论：
与钢管相比采用玻璃钢管道可为油田节省总费用51%-58%。
第四章油田的应用
4.1高压管道
油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等，管径较小，大多在DN50～200mm范围内，压力高，一般介于5～30MPa之间，对玻璃钢而言，条件较为苛刻，国产的玻纤制品性能上很难满足要求，生产此类管道所需玻纤需从国外进口。
目前，仅有中外合资哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司在国内生产此类管道，并自1994年起应用于油田，己先后为大庆油田、吉林油田、胜利油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管道。
4.2中、低压玻璃钢管道
油田生产过程中使用的大量管道中，80％的管道是用来输送高含水油、油气混输及油田采出水。
由于油田污水介质条件苛刻，如胜利油田采出的污水，其矿化度可达5．7×104 mg/L，含氯量可达3×104mg/L且还有溶解氧、CO2、硫化物等腐蚀性物质和硫酸盐还原菌，因而，对金属管道的腐蚀相当严重。
选用钢质管道最快在投产后3个月就开始穿孔，一年报废是常有的事。
所以，1983年胜利油田开始尝试使用具有良好耐腐蚀性能的玻璃钢管道作为钢管替代品，80年代未、90年代初，纤维缠绕玻璃钢管道在我国大批量生产，很快便受到了油田的普遍欢迎，国内几个大的油田，如胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压缠绕玻璃钢管道，青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田，青海的格尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。
青海的孕斯油田仅在1990年就使用了20km，胜利油田在1991～1992年期间，仅地面应用工程中就使用了近30km，从而，在过去的几年里，油田成了玻璃钢管道的一个非常重要的应用市场。
油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里，其选用的管径大多介于DN50～700mm之间，输送的介质温度最高达78℃左右，压力一般为0．1～1．6MPa。
为了确保缠绕玻璃钢管道能更好地为油田服务，油田系统会同玻璃钢厂家及有关设计、科研院所，每两年举行一次“玻璃钢管道在油田应用技术推广会”，中国石油天然气总公司从油田实际出发，参照美国石油工业协会的玻璃钢管道标准API Spec 15LR“Specification for Low Pressure Fiberglass Line Pipe”编制“低压玻璃纤维管线管”技术规范，以进一步规范和推动缠绕玻璃钢管道在我国油田的应用。
第五章结语
本次设计属于油气储运专业毕业设计，是对大学所学知识的全面总结及运用，对完善知识结构、锻炼了自己独立思考和解决问题的能力，并使自己的创造力得以充分的发挥，对提高自己的工作能
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