增强热塑性塑料复合管的发展现状与展望

刘阳¹，董一直²，吴超¹，张斌¹，王乐乐¹，姜子涛^2，*，李秋扬¹，杨瑞¹，阴佳乐¹，候娟³

1. 国家石油天然气管网集团科学技术研究总院；2. 中国石油大学（北京）；3. 中国石油工程建设有限公司华北分公司

通信作者简介：姜子涛，高级工程师，博士，主要从事油气管道杂散电流干扰预测及防护研究工作。

我国大部分长输管道采用金属材料，近年来随着油气储运行业的迅速发展，油气输送对管道材料的要求日益提高。然而，由于管道内部和外部环境均存在腐蚀要素，如CO₂、H₂S、杂散电流等，使得金属管道容易发生腐蚀，甚至穿孔泄漏，给金属管道带来重大危害。

非金属复合管作为潜在替代管线钢的新型管材，不仅可以克服高强度金属管道易发生腐蚀的问题，还具有施工方便、维护费用低、使用寿命长等特点。在20世纪80年代，我国开始将非金属复合管应用于油气输送领域，经过四十多年的发展，非金属复合管在新疆油田、大庆油田、长庆油田和西南油田等集输系统已得到广泛应用。

当前，我国加速推进管网建设，构建“全国一张网”，实现油气长输管道的互联互通，全力保障我国能源供给安全。随着互联互通项目的持续发展，中小口径油气管道逐渐增多且无法清管内检测，致使钢质管道内外腐蚀问题不易及时被发现，影响管道运行安全，选用耐腐蚀管材成为可替代方案。

同时，随着我国能源结构转型的不断深入，氢能将成为未来能源的重要组成，氢能储运成为能源转型的关键组成部分。目前，国内外氢气管线均采用低钢级无缝金属管，氢脆、氢渗漏问题严重，这限制了高钢级金属管道的输氢应用。氢气造成金属管道强度、塑性和韧性等力学性能发生劣化，极大缩短了管道的使用寿命，严重影响管网服役的安全性。

近年来，非金属复合管输氢技术成为众多研究机构研究的重点。其中，增强热塑性塑料复合管（以下简称RTP管）是近年来新开发的一种非金属复合管，具有节能环保、严密性好、耐腐蚀、对管基不均匀沉降适应能力强、抗冲击性能优异、耐扭曲能力强等优点，有望成为管道行业技术发展的新趋势。

目前，RTP管已在油田注水、注醇及部分集输管道上实现了规模化应用，但现有标准不适用于长输管道，现有产品不具备应用于长输管道的条件。此外，RTP管内层材料不满足高含硫油气开发及稠油高温输送的要求。

非金属复合管的分类和结构

根据管道材料和制造工艺的不同，油气行业常用的非金属复合管可分为玻璃纤维增强塑料管（以下简称玻璃钢管）、塑料合金复合管、复合材料增强管线钢管（以下简称CRLP管）、RTP管。其中，关于玻璃钢管和塑料合金复合管的研究起步较早，主要在油田集输系统中得到广泛应用。

近年来，随着非金属复合管技术逐渐成熟，增强热塑性塑料管在氢气输送和海上油气输送方面的应用前景广阔。表1为不同种类非金属复合管的优缺点对比。

表1 非金属复合管的优缺点对比

玻璃钢管是以玻璃纤维浸润基体树脂后连续缠绕固化成型的一种复合管，一般由玻璃纤维增强材料和基体树脂两层结构构成（见图1）。其中，基体树脂材料主要起到防腐蚀的作用，玻璃纤维增强材料用于承担管道所受的载荷。此外，还可以通过在增强材料中加入石英砂等材料来提高管道的刚度。与金属钢管相比，玻璃钢管具有防腐蚀性能好、质量轻、运行成本低等优点。目前，玻璃钢管已被广泛应用于各油气田，用于输送原油、天然气和其他腐蚀性介质。

图1 玻璃钢管结构示意图

塑料合金复合管是以热塑性塑料作为内衬层、玻璃钢作为增强层，复合而成的一种非金属复合管（见图2）。塑料合金复合管具有耐腐蚀、强度高、水利特性好等优点，目前已被广泛应用于油田集输与注水管线。

图2 塑料合金复合管结构示意图

CRLP管以管线钢管为基础，通过在钢管外缠绕非金属复合材料来提高管线钢的环向承载能力和止裂能力，从而达到提高管道承压性能的目的。CRLP管比普通钢材强度高，能够节约大量的管线用钢，且防腐蚀性能和抗疲劳性能好。有研究表明，在同等管径条件下，采用CRLP管可节省7%~8%的费用，增加5%的输量。

CRLP管通常采用内层钢管、过渡层、复合材料增强层和外保护层4层结构（见图3）。过渡层通常采用树脂材料，对钢管起到防腐蚀的作用，并且与复合材料层之间有一定黏结性，起到传递应力的作用。增强层可以选择玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等纤维材料或树脂材料，与内层钢管一同起到承载作用，其中轴向载荷全部由钢管承担，环向载荷由钢管和复合材料共同承担。外保护层可避免纤维增强层受到外部腐蚀和产生运输损伤，并避免内层材料因吸收水分而性能下降的问题。

图3 CRLP管结构示意图

RTP管是一种耐高压塑料复合管材，采用3层结构（见图4），内层与外功能层材料多为耐磨、耐腐蚀的聚乙烯，主要用于防腐蚀和隔绝介质，具有抗划痕、抗静电的功能。中间增强层为管材提供强度需求，常见的材料有钢丝、钢带、玻璃纤维、芳纶纤维等。

图4 RTP管结构示意图

相较于其他金属管或非金属复合管，RTP管具有诸多优势。例如：根据管材服役条件，可对RTP管中间层结构设计进行调整，在满足管材内压、外压、拉伸、弯曲等性能要求的同时，还具有良好的柔韧性；可以将小口径RTP管做成盘卷的连续管，每盘长度可达几十米甚至上千米，便于管道工程建设；最高工作温度可达130 ℃，比塑料管高60 ℃；使用寿命是金属管的6倍，是塑料管的2倍；壁厚较塑料管减小70%以上，且内壁不结垢，显著增加了输送介质流速；此外，RTP管还具有节能环保、严密性好、耐腐蚀、施工方便等优点，对管基不均匀沉降适应能力强，具有优异的抗冲击、耐扭曲能力，已被应用于陆上油田注水、注醇及部分集输管道。在海洋油气开发方面，传统金属柔性管存在质量大、易腐蚀失效等问题，RTP管被视为金属海洋管线的替代品，在抗疲劳、耐腐蚀、质量轻等方面具有显著优势。

RTP管内层材料

目前，高含硫油气田及重质原油的大规模开采是油气田开发的趋势，油气含硫量上升、稠油热采开发技术对管道耐温和耐腐蚀的要求越来越高。对于RTP管，内层材料的性能是决定其耐温和耐腐蚀性能的重要因素。表2对RTP管常用内层材料的关键参数进行了对比。

由表2可见：HDPE、PVC和UHMWPE成本较低，但耐温性能差，只能在较低的温度下工作；而PTFE、FEP、PVDF和PEEK性能优异，但价格偏高，PP抗冲击韧性差，PU耐高温性能差，难以大规模应用于油气田；POK是一种高性能热塑性聚合物，其耐温性能良好，各种机械性能优秀，且价格较低，存在大规模应用于油气田非金属复合管的潜力，但其在高温、腐蚀性溶剂等复杂工况下的性能仍需要进一步的试验研究。

目前，大部分RTP管仍采用聚乙烯作为内层防腐蚀材料，但聚乙烯无法适用于高温工况，不能满足油气开发与输送需求，故亟需研发可替代聚乙烯的新型耐温、耐腐蚀内层材料，满足管道输送要求。

表2 RTP非金属复合管内层材料关键参数对比

RTP管相关标准

根据生产工艺与产品类型的不同，国内外均制定了一系列与RTP管相关的标准。据统计，与RTP管道相关的现行国际标准、国家标准、行业标准超过260部。其中，国内相关国家标准、行业标准约35部。

在RTP输氢管道标准规范方面，美国能源部燃料电池技术办公室（简称为FCTO）开展了纤维增强材料的标准化工作。2016年，ASME B31.12-2019《氢气管道和管线》将纤维增强材料纳入标准，规定其最大服役压力不超过17 MPa。

根据标准适用性的不同，将RTP管相关标准分为管道及管件制造、产品验收检验、工程设计、施工及验收、运行及维护5大类。国内外RTP管相关标准如表3所示。

国外RTP管的发展较早，技术较成熟，针对管道生产、铺设、运行、性能检测制定了全方面的标准。而国内起步较晚，曾有学者指出，国内RTP管标准体系不完善，除SY/T 6662.4-2014规定的钢骨架增强热塑性塑料复合连续管之外，缺乏产品质量验收、设计施工、选材指导等系列标准。近几年国内相关标准趋于全面化，对纤维增强热塑性塑料复合连续管、钢丝网增强聚乙烯复合管等不同种类的管材也制定了相关标准，且涵盖管道制造、产品检验、施工、运行与维护等方面。

随着国内RTP管技术的逐渐成熟，标准化工作仍存在着一些问题。首先，标准的适用性较差，仅适用于油气田站场集油、注水管道，对比GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》与GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》发现，RTP管相关工程设计规范内容较少，缺少管道线路、管道附件、仪表通信和站场等方面的规定。因此，现有工程设计规范对于长输管道不具备可行性，需要开展RTP长输管道可行性研究，并建立相关的标准。其次，由于中间增强层材料的不同，每种RTP管均需要编写一套全面的标准，从而出现了很多相似的部分，能否求同存异整理成统一的规范，是今后标准化工作的重点。再者，大部分RTP管标准均为行业标准，需要制定一套国家标准作为核心和统领。最后，对于热塑性管道冲击强度、环柔性、环刚度和蠕变比等性能测定，国内相关标准已逐步完善，但对于管道使用寿命、老化试验、运行与维护等方面仍需进一步完善。

表3 RTP管相关标准

RTP管的应用情况

国外RTP管发展起步较早，1995年6月，由Shell公司生产的世界上第一条RTP管道在英国投入使用。1996年底，Shell公司在阿曼某油田建设一条公称直径（DN）为150 mm、长7 km的RTP管道，用于解决该地输油管线的严重腐蚀、泄漏问题。2000年，德国铺设了一条长1 km、DN100 mm的输送非干性含硫天然气的RTP管道。目前，国际上的RTP管主要应用在油气田开发领域，RTP管的DN范围为75~150 mm，压力范围在1.6~9 MPa。经过几十年的发展，目前国外RTP管技术已较为成熟。据统计，2021年全球RTP管市场销售额达到了54亿美元。

Pipelife是欧洲主要管道供应商之一，安装的RTP管道总长已超过3500 km。根据适用压力的不同，其生产的RTP管“Soluforce”分为“Soluforce Light”、“Soluforce Classic”、“Soluforce Heavy”3种类型，每种类型可选择“Standard（ST）”、“Gas Tight（GT）”和“High Temperature（HT）”3种不同的版本。其中，ST指标准高性能管，GT指防输送介质渗透的密封管，HT指耐高温管。Soluforce可用于油气集输、天然气输送、凝析气管道、高压注水以及海上油气管道，用途广泛。

除Pipelife外，Flexpipe Systems Inc.生产的以高密度聚乙烯作为内层、玻璃纤维作为增强层的RTP管“FlexPipe”和“FlexPipe HT”，最大运行压力可达10.3 MPa，最高持续工作温度为82 ℃，每卷长度最大为1100 m，可用于输油、输气、输水、输CO2和H2S等介质。该公司生产的以高强度钢丝作为增强层的“Flexcord Linepipe”，最大运行压力可达15.5 MPa，最高持续工作温度为60 ℃，每卷长度最大为615 m，可提高采收率（EOR），用于输送油气水、H2S和CO2等介质。此外，该公司还生产了可用于非金属管道的接头，材料为双相不锈钢或化学镀镍合金，已通过CSA Z662和API Spec 15S等标准的高温、泄漏、减压测试。

National Oilwell Varco（NOV）生产的“Fiberspar”高强度玻璃纤维增强管最大运行压力可达24.1 MPa，最高工作温度为95 ℃，管道连续长度最大可达到2743 m，可用于输送水、石油、天然气、盐水、CO2和H2S等介质。

Technip生产的带有不锈钢缠绕层的钢骨架热塑性复合管“Coflexip”，能够有效保护管道免受外部冲击和磨损，该类管道最大运行压力为103.4 MPa，可用于输送油气水、H2S和CO2等介质。

目前，国外具有DN150 mm、压力9.93 MPa以下的系列RTP管道的设计施工技术，也制订了相关标准规范，并在油气集输管道、海洋油气开发辅助管道方面得到了广泛的工程应用。针对管径300 mm以上、压力6.4 MPa以上的长输管道，使用RTP管道设计施工技术也进行了初步研究，但尚未进入工程应用阶段。

国内方面，部分企业引进了国外先进技术与设备，2009年南京晨光欧佩亚复合管工程有限公司从德国“克劳斯玛菲”公司引进我国第1条RTP管生产线，成为全球第5个研制生产芳纶增强热塑料复合管的企业。

近年来，国内部分企业进行了RTP管的自主研发，并取得了一定的成果。宁波欧佩亚海洋工程装备有限公司拥有钢带增强复合管、钢丝增强复合管、钢帘线/钢丝绳增强复合管、芳纶纤维增强复合管、玻纤增强复合管和涤纶纤维增强复合管等6大产品系列，最大工作压力达32 MPa，最高工作温度为130 ℃，主要用于输送原油、天然气、注水和页岩气开采返排液。

长春高祥特种管道有限公司生产的浅海柔性复合管、中低压集输型复合管和高压输送注入型复合管等类型的产品，最大工作压力达20 MPa，最高工作温度为90 ℃，可用于高含H2S、CO2、Cl-或其他强腐蚀环境。

国内生产的RTP管已应用于油气田工程。2005年，中石油大港油田油气输送管线项目，RTP管径为65 mm和100 mm，设计压力6.3 MPa，耐热温度65 ℃；2008年，中海油渤海油田海上平台项目，采用管径100 mm、设计压力6.3 MPa的RTP管；2011年，中石化四川普光气田项目，采用管径为80 mm，设计压力6.3 MPa的RTP管。

目前，国内掌握了DN150mm以下RTP管的制造及设计施工技术，并在油田注水、注醇及部分集输管道上得到了规模化应用，但在制管技术、管道设计标准等方面与国外仍有差距。国内也开展了管径450 mm、设计压力6.4 MPa的大口径、高压力RTP长输管道的制造及相应管道的设计施工技术研究，初步掌握了钢丝增强RTP管材的结构设计方法和管道可靠性设计方法，但在管道连接及维抢修技术方面尚未取得令人满意的成果。现有管道口径小、耐压耐温低，输送氢气可靠性未知，无法大规模应用于长距离输送管道，因此需要设计适用于油气领域的大口径耐高压耐高温RTP管。

RTP管的发展趋势

1、油气输送非金属复合管开发助力油气管网建设

当前，国内外RTP管内径多集中在200 mm以下，面对后续可能的储气库地面工程、长输管道线路应用场景，需要开发更大口径的RTP管。

现有管材制造标准主要为SY/T 6662系列，但其对原材料、结构设计要求是最基础的，未限定原材料性能、管材缠绕角度、缠绕层数等关键指标要求，导致不同厂家生产的管材性能差异较大，需要进行标准化、规范化。

针对不同地区等级确定合理的管道强度指标，并结合非金属复合管的特点，提出管道敷设和转向要求等关键技术。突破大口径复合管连接材料结构的差异、管端不圆度等。

受一定温度和压力等影响，管道可能会产生不同步的变形，从而引起连接处失效，如何保证连接接头可靠是需要解决的关键问题。

同时，相对于钢质管道，非金属复合管脆性较大，在外界冲击下很容易损坏，需要重点关注如何确定其抗破坏能力及在不同损伤情况下的承压能力，同时还需要明确影响管道安全的主要风险因素及维护技术需求。

2、氢能源的开发利用为RTP管带来新的机遇

日益增长的氢气需求给氢气运输与分配产业带来了新的机会。

管道运输具有输氢量大、能耗小和成本低等优势，是实现氢气大规模、长距离输送的重要方式，管道运行压力一般为1.0~4.0 MPa。美国已有2500 km的输氢管道，欧洲已有1598 km的输氢管道，我国输氢管道总长不足100 km。

相对于金属管线，非金属复合管线的建造和维护成本更低，近年来西方国家开始专注于开发和使用非金属复合管道。RTP管是可用于高压、长距离输送气体和流体的理想材料。

2019年，荷兰格罗宁根海港使用PipeLife公司生产的增强热塑性管道SoluForce H2T，铺设了一条4 km的输氢管道。SoluForce H2T管是专为氢气输送设计的RTP管线，其内外层采用HDPE高密度聚乙烯材料，增强层采用芳纶纤维，阻隔层为铝层。经研究认证，DN150 mm的SoluForce H2T管在最大工作压力为4.2 MPa、最大工作温度为65 ℃条件下，使用寿命可达50年。

我国对于RTP管在氢气输送方面的应用仍处于试验阶段，2023年6月，国家管网集团对9.45 MPa全尺寸非金属管道进行了纯氢爆破试验，试验管材包括高阻隔柔性复合管、塑料合金复合管、小口径热塑性复合管3种非金属管道及低钢级金属管道，是国内首次对DN250 mm、6.3 MPa输氢非金属管道和在役金属管道进行的在线测试。

目前，国内缺乏专用于非金属复合管输氢的标准规范，仍需进一步加强标准规范建设，部分标准设计主要针对短距离配送管道，对于长输管道的标准设计仍处空白，亟需开展氢气管道工程应用可行性研究，建立并完善非金属复合管输氢标准。

RTP管的技术攻关重点

相比于传统金属钢管，RTP管具有耐腐蚀、施工方便等众多优点，随着技术的成熟，RTP管将广泛应用于陆上和海上油气田开发、油气集输、氢气输送等领域。目前，RTP管仍存在以下亟待解决的问题：

(1) RTP管的连接技术。接头是管道系统的重要部件之一，目前RTP管道连接通常采用电熔接头和扣压接头。随着管道口径和压力的提高，电熔接头强度低、扣压接头价格昂贵的缺点日益凸显，因此需要进一步研究非金属复合管道的连接方式，为施工安装提供更多的选择。

(2) 新型RTP管技术的研发。目前，复合管内层材料和增强材料存在一定的劣势，研发耐温耐压且成本较低的材料是非金属复合管大规模应用的基础。此外，适用于海洋油气开发的非金属复合管技术长期被国外垄断，国内需要缩小技术差距，解决卡脖子技术，实现海洋非金属复合管的国产化。

(3) RTP管的检测技术。对于非金属复合管的制造与质量验收，国内外已制定了相应的规范，但对于使用寿命、老化测试、拉伸性能、受压稳定性、裂纹及泄漏检测，并未形成统一的方法。

(4) RTP管的完整性管理。目前尚未形成完整性管理体系，对管道的监管力度差，数据采集不规范，未形成完整性评价技术，缺乏统一的维修方法，无法对非金属复合管进行在线修复。

(5) RTP管的应用标准体系。RTP管工程设计方面内容少，缺乏完备的标准规范，现有标准不具备应用于长输管道的可行性，需要开展RTP长输管道可行性研究，加强标准规范建设。

面对众多技术难题，我国非金属复合管道行业需要吸收国外先进技术并进行自主创新，争取早日实现非金属复合管的大规模应用，为未来油气管线发展提供新的方向。

来源：《腐蚀与防护》2023年9期