海洋油气开发中的无机非金属材料及其应用

（1）无机非金属材料在海洋油气开发中，最常见的无机非金属材料为海工混凝土，主要用途是构建混凝土平台。混凝土平台（见图6）具有制造周期短、安装及维护费用低、抗海浪冲击及冰冻挤压能力强等优点，在海洋平台中占有一席之地。1973年，挪威在北海油田建成了世界第一座海上混凝土储油平台，自此拉开了混凝土平台建设的序幕。截止2012年，全球共建成离岸混凝土平台52座，其中，既包括固定式平台也有半潜式和张力腿等浮动式平台。目前，混凝土平台的最大工作水深达到300m以上，如北海地区的Heidrum混凝土张力腿平台建造在350m水深处，其壳体和模块支撑梁均由高强度、轻质混凝土制成。

国外对于海工混凝土的研究和应用时间较长，积累了丰富的设计及施工经验，并逐渐形成了专业的平台设计公司及EPC工程建造公司，如海上平台专业设计公司DORIS、Dr.techn.Olav Olsen、ANDOC、Sea Tank、Taylor Wood、GMAO等，以及全球最大的海工混凝土离岸工程EPC公司Kvaernerd等^[10]。而国内在该领域尚属空白。混凝土平台方面最常用的标准为挪威船级社制定的《DNV-OS-C502 Offshore Concrete Structure》，内容涵盖了离岸混凝土建筑的设计方法、原材料选择和配合比方案、计算方法、钢筋的选用、防腐措施的选用等多个方面。

离岸混凝土平台要求混凝土材料具有高的强度、良好的耐久性和可构造性，因此海工混凝土对水泥、骨料、掺合料及化学外加剂等都有更为严格的要求。挪威开发了SP30-4A型海工混凝土专用水泥，具有强度高、凝固时间短等优点。为了尽量克服混凝土平台自重大的缺点，高强度轻质混凝土技术已成为海洋工程中的主流技术。采用高强度轻质混凝土材料用于平台建造，可降低前期造价和后期维护费用约30%。目前，挪威、美国及日本等国家重点研究将高强度轻质骨料混凝土生产技术在现有水平上进一步提高，力争容重比达到1500kg/m³。挪威在海工混凝土中大量使用硅灰作为掺合料。硅灰的作用是提高混凝土的抗压强度，改善混凝土的致密性，从而有效提高混凝土的最终强度。对于轻质骨料混凝土来说，只需要掺入所用水泥重量的5%～10%的硅灰就可以得到70～100MPa的28天抗压强度。此外，掺入少量的硅灰（水泥重量的1%～3%）就能使混凝土拌合物具有很好的泵送性。建造海工混凝土平台时普遍使用化学外加剂，挪威95%的预拌混凝土中添加了增塑剂。外加对混凝土的性能起到非常重要的作用。在国外海洋混凝土平台制造中常用的是木质素磺酸盐增塑剂、萘系磺酸盐增塑剂和密胺增塑剂等几种，其中以萘系磺酸盐增塑剂应用最多^[10]。

（2）高分子材料高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。与金属材料相比，高分子材料在力学性能方面具有以下特点：低强度和较高的比强度，高弹性和低弹性模量，高耐磨性；在理化性能方面，具有高绝缘性、低耐热性、低导热性、高热膨胀性、高化学稳定性等特点。常用高分子材料包括塑料和橡胶。塑料按树脂性质分类，有热塑性塑料和热固性塑料两类。热塑性塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯等。热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂和有机硅树脂等。橡胶是一种具有高弹性的有机分子材料，有天然橡胶和合成橡胶。

高分子材料主要用在钻采装备用密封件、柔性管用聚合物材料、防腐涂料等。

图6 离岸混凝土平台

胶芯作为防喷器的主要密封件，是由金属骨架与橡胶硫化而成。胶芯工作环境复杂，选用橡胶材料时需考虑材料的强度、硬度、塑性、适用温度、老化性能、耐腐蚀性能等。环形防喷器胶芯采用的橡胶材料有丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）、天然橡胶（NR）等。丁腈橡胶的使用温度为-10℃～100℃，适用于水基和油基钻井液环境，国内外防喷器密封件大多数采用NBR。一般认为NBR不耐H₂S腐蚀，CR可在含H₂S的钻井液中使用，而寿命较NBR短。闸板防喷器胶芯及其他钻采装备密封件主要使用丁腈橡胶、氰化丁腈橡胶（HNBR）。HNBR性能较佳，具有良好的耐H₂S腐蚀及耐热、耐油性，适用于高温、含H₂S和CO₂油气井的苛刻环境。

高分子材料在柔性管中的应用十分广泛，其中可用到的热塑性塑料包括高密度聚乙烯（HDPE）、交联聚乙烯（XLPE）、聚酰胺（PA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、氯化聚乙烯（CPE）等，橡胶材料有丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶等。HDPE、HDPE、PA、PVDF主要用于非黏结性柔性管；NBR、HNBR、NR、CR主要用于粘接性柔性管，是粘接性柔性管的主要材料；CPE则主要用作粘接性柔性管的外保护层，具有较高的耐磨性能。(www.xing528.com)

海洋防腐涂料是海洋石油装备最主要的腐蚀控制方法之一。海洋防腐领域应用的重防腐涂料类型主要包括环氧类、聚氨酯类、橡胶类、氟树脂类、有机硅树脂类、聚脲类等，其中环氧类防腐涂料市场份额最大。环保、经济、高性能和功能化是未来海洋重防腐涂料的发展方向^[11]。

（3）复合材料复合材料是由两种或两种以上不同特性的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成的具有新性能的材料。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。复合材料作为新型结构功能材料，具有重量轻、比强度和比模量高、阻尼性能好、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐磨性好、热膨胀系数低等优点，能够很好地解决深海油气开采中传统金属材料装备由于质量、强度和寿命等不足所带来的一系列问题，大大提升深水油气开采装备的技术水平。复合材料在海洋油气开发中的应用包括海洋平台管路及系缆、隔水管、抽油杆、柔性管及管道等。

在深海石油平台中，采用复合材料可大幅度减轻构件的重量。墨西哥湾1200m深海油田用的升降机，其升降管采用碳纤维与玻璃纤维混杂增强复合材料制造，质量轻，相比钢管减轻重量约54t。碳纤维增强复合材料（CFRP）制成的平台系泊缆绳可用于3000m的深海油田，自身减重和减重波及效果十分显著，且耐腐蚀性优异，工作寿命可达25年。此外，玻璃纤维增强复合材料（GFRP）用来制造消防管路、海水管路、其他低压管路及储藏槽、格栅框架等具有独特的优势。图7是海洋石油平台用GFRP消防管道。FPI公司开发的海洋平台用高强波纹管“Wavistrong^TMFR”是由特种玻璃纤维增强环氧树脂制成，能够抵抗瞬时1200℃的高温，适用于要求具备抗高温性能的设备，常用于平台消防管路^[12]。

20世纪90年代，美国成功研制了复合材料抽油杆，抽油杆通常增强相为Thornel TMT-30012K碳纤维，基体为环氧树脂，具有以下优点：①高比强度和高比模量，减重节能效果显著，且适合深井采油；②柔韧性优异，适合盘绕和运输，操作方便；③耐疲劳，大大延长了使用寿命。国内自1999年开始研究CFRP抽油杆及其相关技术，目前已有多家企业可生产同类产品，如胜利石油管理局工程机械总厂、龙口博德复合材料有限公司、山东东辰集团等^[12]。

图7 海洋平台上的GFRP管路系统

在管道方面，复合增强管（RTP）已用于海洋油气开发中。复合增强管由内层（聚乙烯、聚丙烯）、增强层（聚酯纤维、芳纶纤维或高强钢丝）及外部耐磨层（聚乙烯）组成，韧性好，强度高，耐腐蚀，可用于海洋油气的集输。

此外，柔性管是海洋油气开发中广泛应用的复合材料管，其是由骨架层、内护套、耐磨层、铠装层及外层护套等组成的多层结构，常用作海洋立管及柔性跨接管。