新材料及其应用

玄武岩纤维近几年受到国家产业政策的大力支持，是一种非晶态无机硅酸盐纤维，其生产过程无废水、废气产生且周期短，是绿色低碳、节能环保、可持续发展的新型材料，被誉为21世纪“绿色新材料”。因其耐酸碱性能好，力学性能优越，此外其绝热隔音性能优异，电绝缘性能好，在航天、国防、军事、环保、交通和建筑等众多领域有广泛的应用前景，受到国内外许多学者和企业家的广泛研究和关注。 复合材料管道是一种新型的非金属复合管材，应用范围非常广泛，可以用于石油开采和输送领域、中深层地热能开发领域、战略国防领域、矿藏开发领域和海洋资源开发等领域，与传统的金属管道相比，施工非常方便且具有优异的抗腐蚀性，重量仅为钢管的1/4，使用寿命能达到20~50年。目前所使用的复合材料管道，其增强结构主要采用工业涤纶长丝、芳纶长丝、钢丝或者玻纤丝等材料，管材承载能力较差，材料及制造成本也偏高。 为解决上述技术问题，本项目拟采用玄武岩纤维为增强材料，开发一种能够有效增强复合材料管材的承载能力，有效防止在受到径向承载及轴向拉伸承载时管材的损坏，降低材料及制造成本的全融合玄武岩纤维增强复合材料管道，该管道由内管、增强层和外保护层组成。 与现有技术相比本项目的独特性为：首先利用绿色低碳、节能环保、可持续发展的新型玄武岩纤维材料，研制高强度预浸渍玄武岩纤维单向带，拉伸强度达900MPa以上，然后将玄武岩纤维带经过多种缠绕角度，玄武岩纤维带的缠绕角度范围由20°至60°，使角度相近的缠绕层相邻组成不同的功能层，为管材提供径向承载和轴向拉伸承载。采用全融合技术使管道的三层结构结合成为一个实壁管结构，提高产品承载性能，降低产品的材料成本，扩展该类型管道的应用范围。

据国家能源机构调查资料显示，截止2016年底，中石油和中石化的陆地油气井已经接近百万口，且每年新增井数量超过5万口，中海油的海洋油气井已经突破10万口，“三桶油”对于管线的年需求总量超过10万km，其中复合材料管道大约占20%，市场规模超过10亿元，并且市场前景非常好。 并且随着油田开发进入中后期，开始采用 CO2 驱油，三元混合驱油等工艺，油品质量逐渐下降，大多数油田产出物均含有的 H2S，CO2 等介质，造成腐蚀泄露情况时有发生，最严重的区域甚至 3~5 年就达到钢管的腐蚀临界点，造成原油泄漏事故、废井事故或者需要重新更换管线，造成巨大的资源浪费。不论出现任何问题，不但造成停工停产，还有可能造成环境污染，给油田的后期运营造成了很大的困扰。因此非金属复合材料管线凭借优异的耐腐性能近几年在油田的应用规模逐步扩大，油田管线的发展趋势就是“以塑代钢”。 根据目前公开资料显示，从事纤维增强热塑性塑料复合连续管的企业有很多，国外的比较著名的公司有荷兰的Pipelife公司以及Airborne Oil & Gas公司，美国的Polyflow公司以及National Oil Verco公司，英国的Magma Global Limited公司等，其中Airborne Oil & Gas公司和英国的Magma Global Limited公司采用热塑性连续纤维带材并且采用全融合工艺制造，Magma公司的产品主要采用的材料是PEEK和PEEK碳纤带，加工方式采用3D打印和激光加热，加工难度大，加工成本高，目前还未见产品的规模性应用。荷兰Airborne Oil & Gas公司所生产的产品与采用玻璃纤维带增强，激光加热融合，也具有较高的制作难度。目前国内已经有多家生产纤维增强复合材料管的厂家有如南京晨光、天联汇通、河北恒安泰、宁波欧佩亚等。其中，南京晨光采用的是芳纶纤维带增强，产品价格昂贵，生产效率低，而且产品耐压最高只有10MPa；天联汇通、河北恒安泰的产品主要以涤纶工业长丝为主，属于非粘接结构，这种产品价格较低，但是环刚度差，抗负压变形能力差，接头结合性差，容易脱头；宁波欧佩亚采用钢丝缠绕增强，属于非粘接结构，其产品使用压力10MPa以内，盘卷半径大，制造成本高，效率低。目前复合材料管道的产品种类较多，但是未见量产的玄武岩纤维增强管道。如果采用玄武岩纤维增强，全融合工艺加工而成的复合材料管道，可以改善产品的承压性能，降低制造成本，对于产品的大规模推广非常有利。 全融合玄武岩纤维增强复合管是新一代的非金属复合材料管道产品，是钢管和其他非金属复合材料管道的升级替代产品，具有高强度、高韧性、抗腐蚀、重量轻、可盘卷、耐高温、耐气体渗透等特点，因此具有广阔的应用范围。据国内相关研究机构调研，未来十年我国陆地用复合材料管市场总量达27万km，市场规模超100亿元人民币；海洋复合材料管市场总量达6万km，市场规模超10亿元人民币，市场前景非常可观。除此之外，还有清洁能源，化工，矿浆输送等领域也有着巨大的需求，产品开发成熟后，预计年产值至少能够达到3000万元。