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圖片來源：沙特阿美
在技術(shù)不斷進步的時代，復(fù)合材料已經(jīng)取得了重大發(fā)展。然而，取得進一步進展的機會是巨大的，尤其是在石油和天然氣以及建筑行業(yè)。
在石油和天然氣行業(yè)，復(fù)合材料已經(jīng)找到了替代碳鋼合金的新用途，碳鋼合金是該行業(yè)使用的主要材料。降低生命周期成本和提高耐腐蝕性的承諾促使能源公司阿美（沙特阿拉伯達蘭）在其網(wǎng)絡(luò)中部署約 10,000 公里的非金屬管道，用于水、石油和天然氣應(yīng)用。這包括增強熱塑性管 (RTP)、增強熱固性樹脂 (RTR) 管和熱塑性內(nèi)襯管。該公司于 2016 年開始大規(guī)模部署非金屬管道，現(xiàn)在另一種非金屬材料碳纖維 (CF) 的進展——由沙特阿美于 2018 年次部署——表明這可能是向前發(fā)展的重要組成部分。
從那時起，沙特阿美開始在其運營的多個應(yīng)用中使用碳纖維基復(fù)合材料，由于安裝速度更快、抗腐蝕性更強、維護和運營成本更低，從而實現(xiàn)了廣泛的實際效益和成本節(jié)約。
碳纖維的優(yōu)勢
碳纖維固有的熱機械特性，以及高強度重量比和高耐化學(xué)性，使其成為需要輕質(zhì)部件、較低熱膨脹系數(shù)、低導(dǎo)電性和低化學(xué)惰性的行業(yè)的理想選擇。其在惡劣和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的卓越性能繼續(xù)推動包括石油和天然氣應(yīng)用在內(nèi)的許多領(lǐng)域的復(fù)合材料創(chuàng)新；CF-鋼筋混凝土、橋梁、甲板、覆層和建筑業(yè)中的麥加鐘樓（沙特阿拉伯）等結(jié)構(gòu)；氫動力運輸壓力容器；風(fēng)力發(fā)電機;以及在汽車和航空航天工業(yè)中的眾多應(yīng)用。在汽車領(lǐng)域，沙特阿美正在與主要利益相關(guān)者合作，以影響新車的設(shè)計，開發(fā)創(chuàng)新的CF技術(shù)來替代鋼和鋁，旨在提高設(shè)計和裝配過程的效率。
高生產(chǎn)成本限制了CF在某些行業(yè)的使用，但需求增加導(dǎo)致價格在過去八年中下降——從 2012 年的每公斤 30 美元到今天標(biāo)準(zhǔn)級CF的每公斤約 20 美元，具體取決于訂單大小和合同條款。[1,2]
“碳纖維復(fù)合材料具有為許多工業(yè)部門帶來更大價值的巨大潛力。通過與技術(shù)供應(yīng)商和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，我們渴望在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施、汽車、可再生能源以及石油和天然氣的各種應(yīng)用中推動尖端的、石油基碳纖維復(fù)合技術(shù)的部署，”沙特阿美咨詢服務(wù)部門經(jīng)理 Abdullah Humaid 指出。
增加石油和天然氣中的復(fù)合材料應(yīng)用
以碳纖維增強、粘結(jié)的非金屬管，即熱塑性復(fù)合管（TCP）為例。2018年，阿美石油公司次將TCP作為鵝頸式陸上井口立管部署在高含硫原油作業(yè)中，該作業(yè)含有高芳烴含量（~50%）。與碳鋼相比，TCP立管具有更好的靈活性，以及更高的抗疲勞性和隔熱性。由于壓力額定值為3000磅/平方英寸（PSIG），這種獨特的應(yīng)用減少了鉆機釋放后制造碳鋼井口立管的長前置時間，并克服了與修井相關(guān)的困難，例如由于采油樹（調(diào)節(jié)油井生產(chǎn)的裝置）的方向或高度變化而需要重新組裝套管。
除立管外，CF復(fù)合材料還可在陸上和海上碳鋼管道的維修中發(fā)揮作用，這些管道隨著使用年限的增加，更容易出現(xiàn)缺陷和故障。與傳統(tǒng)的金屬解決方案相比，CF復(fù)合材料維修不涉及高溫作業(yè)、無需關(guān)閉生產(chǎn)線，且交付周期更短。阿美石油公司已將CF復(fù)合材料應(yīng)用于無鉆機表面套管維修，這加快了周轉(zhuǎn)時間，迅速恢復(fù)了油井完整性，并實現(xiàn)了顯著的成本節(jié)約。
此外，還部署了 1.5 公里長的內(nèi)嵌CF的增強型熱固性樹脂 (RTR) 管道，為沙特阿美的一家工廠供應(yīng)柴油。這種嵌入 CF 的導(dǎo)電 RTR 管已使用層壓連接方法安裝，以安全地消散任何靜電積聚。RTR管道有助于確保完整性，因為它不會遇到任何內(nèi)部或外部腐蝕。
沙特阿美完全有能力利用CF的潛力，將其用于其自身設(shè)施的關(guān)鍵應(yīng)用中。雖然CF制造是能源密集型的，但它的優(yōu)點彌補了這一點：CF基復(fù)合管重量輕、可纏繞，對腐蝕管理和檢查的需求有限。
除了自身業(yè)務(wù)外，沙特阿美現(xiàn)正與供應(yīng)商合作，將先進的基于 CF 的復(fù)合技術(shù)引入更廣泛的石油和天然氣領(lǐng)域——包括用于陸上、海上和井下應(yīng)用的產(chǎn)品。我們還看到了與技術(shù)提供商和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，擴大在其他行業(yè)部署的機會。
放眼石油和天然氣之外，沙特阿美的科學(xué)家和研究人員正在探索進一步降低成本的方法，并擴大碳纖維復(fù)合材料在不同市場更廣泛應(yīng)用的機會。合作同樣是關(guān)鍵；例如，阿美已與貝克休斯（美國德克薩斯州休斯頓）合資成立了一家名為Novel的合資企業(yè)，該合資企業(yè)初將生產(chǎn)RTP，但可能擴展到更廣泛的非金屬產(chǎn)品，包括CF復(fù)合材料。
雖然降低成本仍然是提高碳纖維潛力的關(guān)鍵，但采用新的生產(chǎn)方法——如等離子氧化技術(shù)[3]以及開發(fā)低成本、高產(chǎn)量的前體和高反應(yīng)性樹脂[1]——可能會在復(fù)合材料以前無法企及的細分市場打開復(fù)合材料的潛力。這就是為什么沙特阿美繼續(xù)探索非金屬材料（包括 CF）的機會——為一種有望成為未來發(fā)展關(guān)鍵成分的材料奠定基礎(chǔ)。
參考資料：
1 Carbon Composite are Becoming Competitive and Cost Effective-White Paper, Sharma R., Simha, T.. Rao, K.P. and Ravi, K., White Paper, Infosys, 2018
2 http://4mio.com/carbon-fiber/
3 https://www.compositesworld.com/articles/getting-carbon-fiber-cost-down, 2018