沙特阿美對碳纖維復合材料的廣泛應用
來自沙特阿美（Aramco）的特約專欄作家解釋說，碳纖維價格的降低和不斷的創新將可能使碳纖維復合材料應用擴展到新市場，包括增加在石油和天然氣應用中的使用。
圖片來源：沙特阿美
在石油和天然氣行業，復合材料已經找到了替代碳鋼合金的新用途，碳鋼合金是該行業使用的主要材料。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）在其網絡中部署約 10,000 公里的非金屬管道，用于水、石油和天然氣應用。這包括增強熱塑性管 (RTP)、增強熱固性樹脂 (RTR) 管和熱塑性內襯管。該公司于 2016 年開始大規模部署非金屬管道，現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展的重要組成部分。
碳纖維的優勢
此外，還部署了 1.5 公里長的內嵌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柴油。這種嵌入 CF 的導電 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，將其用于其自身設施的關鍵應用中。雖然CF制造是能源密集型的，但它的優點彌補了這一點：CF基復合管重量輕、可纏繞，對腐蝕管理和檢查的需求有限。
除了自身業務外，沙特阿美現正與供應商合作，將先進的基于 CF 的復合技術引入更廣泛的石油和天然氣領域——包括用于陸上、海上和井下應用的產品。我們還看到了與技術提供商和行業領導者合作，擴大在其他行業部署的機會。
放眼石油和天然氣之外，沙特阿美的科學家和研究人員正在探索進一步降低成本的方法，并擴大碳纖維復合材料在不同市場更廣泛應用的機會。合作同樣是關鍵；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，該合資企業初將生產RTP，但可能擴展到更廣泛的非金屬產品，包括CF復合材料。
雖然降低成本仍然是提高碳纖維潛力的關鍵，但采用新的生產方法——如等離子氧化技術[3]以及開發低成本、高產量的前體和高反應性樹脂[1]——可能會在復合材料以前無法企及的細分市場打開復合材料的潛力。這就是為什么沙特阿美繼續探索非金屬材料（包括 CF）的機會——為一種有望成為未來發展關鍵成分的材料奠定基礎。
圖片來源：沙特阿美
在技術不斷進步的時代，復合材料已經取得了重大發展。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。
在石油和天然氣行業，復合材料已經找到了替代碳鋼合金的新用途，碳鋼合金是該行業使用的主要材料。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）在其網絡中部署約 10,000 公里的非金屬管道，用于水、石油和天然氣應用。這包括增強熱塑性管 (RTP)、增強熱固性樹脂 (RTR) 管和熱塑性內襯管。該公司于 2016 年開始大規模部署非金屬管道，現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用中使用碳纖維基復合材料，由于安裝速度更快、抗腐蝕性更強、維護和運營成本更低，從而實現了廣泛的實際效益和成本節約。
碳纖維的優勢
碳纖維固有的熱機械特性，以及高強度重量比和高耐化學性，使其成為需要輕質部件、較低熱膨脹系數、低導電性和低化學惰性的行業的理想選擇。其在惡劣和具有挑戰性的環境中的卓越性能繼續推動包括石油和天然氣應用在內的許多領域的復合材料創新；CF-鋼筋混凝土、橋梁、甲板、覆層和建筑業中的麥加鐘樓（沙特阿拉伯）等結構；氫動力運輸壓力容器；風力發電機;以及在汽車和航空航天工業中的眾多應用。在汽車領域，沙特阿美正在與主要利益相關者合作，以影響新車的設計，開發創新的CF技術來替代鋼和鋁，旨在提高設計和裝配過程的效率。
高生產成本限制了CF在某些行業的使用，但需求增加導致價格在過去八年中下降——從 2012 年的每公斤 30 美元到今天標準級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]
“碳纖維復合材料具有為許多工業部門帶來更大價值的巨大潛力。通過與技術供應商和行業領導者合作，我們渴望在建筑和基礎設施、汽車、可再生能源以及石油和天然氣的各種應用中推動尖端的、石油基碳纖維復合技術的部署，”沙特阿美咨詢服務部門經理 Abdullah Humaid 指出。
增加石油和天然氣中的復合材料應用
以碳纖維增強、粘結的非金屬管，即熱塑性復合管（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中，該作業含有高芳烴含量（~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的困難，例如由于采油樹（調節油井生產的裝置）的方向或高度變化而需要重新組裝套管。
除立管外，CF復合材料還可在陸上和海上碳鋼管道的維修中發揮作用，這些管道隨著使用年限的增加，更容易出現缺陷和故障。與傳統的金屬解決方案相比，CF復合材料維修不涉及高溫作業、無需關閉生產線，且交付周期更短。阿美石油公司已將CF復合材料應用于無鉆機表面套管維修，這加快了周轉時間，迅速恢復了油井完整性，并實現了顯著的成本節約。
此外，還部署了 1.5 公里長的內嵌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柴油。這種嵌入 CF 的導電 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，將其用于其自身設施的關鍵應用中。雖然CF制造是能源密集型的，但它的優點彌補了這一點：CF基復合管重量輕、可纏繞，對腐蝕管理和檢查的需求有限。
除了自身業務外，沙特阿美現正與供應商合作，將先進的基于 CF 的復合技術引入更廣泛的石油和天然氣領域——包括用于陸上、海上和井下應用的產品。我們還看到了與技術提供商和行業領導者合作，擴大在其他行業部署的機會。
放眼石油和天然氣之外，沙特阿美的科學家和研究人員正在探索進一步降低成本的方法，并擴大碳纖維復合材料在不同市場更廣泛應用的機會。合作同樣是關鍵；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，該合資企業初將生產RTP，但可能擴展到更廣泛的非金屬產品，包括CF復合材料。
雖然降低成本仍然是提高碳纖維潛力的關鍵，但采用新的生產方法——如等離子氧化技術[3]以及開發低成本、高產量的前體和高反應性樹脂[1]——可能會在復合材料以前無法企及的細分市場打開復合材料的潛力。這就是為什么沙特阿美繼續探索非金屬材料（包括 CF）的機會——為一種有望成為未來發展關鍵成分的材料奠定基礎。
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
