對于石油和天然氣行業，碳鋼合金是該行業使用的主要材料，但是復合材料已經有了可以替代碳鋼合金的新用途。為了降低生命周期成本和提高耐腐蝕性，位于沙特阿拉伯達蘭的能源公司阿美石油公司在其管網中部署了約10000公里的非金屬管道，用于水、石油和天然氣應用。

 

這些非金屬管道包括增強熱塑性管（RTP）、增強熱固性樹脂管（RTR）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。2018年，該公司次部署了另一種非金屬材料——碳纖維（CF），事實證明這可能是向前發展的一個重要組成部分。

 

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。因此，從2018年阿美公司開始在其運營的多個應用中使用碳纖維復合材料。

　　碳纖維優勢分析

　　碳纖維（CF）固有的熱機械性能，以及其高比強度和高耐化學性，使其成為需要輕量化、低熱膨脹系數、導電性和化學惰性等特性行業的理想選擇。

　　碳纖維在惡劣和具有挑戰性的環境中的卓越性能不斷推動著復合材料在許多領域的創新，包括石油和天然氣應用；建筑和建筑行業內的CF鋼筋混凝土、橋梁、橋面、覆層和結構；氫動力運輸用壓力容器；風力渦輪機；以及在汽車和航空航天行業的大量應用。

　　在汽車領域，阿美正與主要利益相關者合作，在新車的設計，開發創新的CF技術以替代鋼和鋁，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，但在過去八年中，日益增長的需求致使CF的價格有所下降——根據訂單規模和合同條款，標準級CF的價格從2012年的每公斤30美元降至今天的每公斤20美元左右。

　　石油與天然氣應用案例分析

　　在石油與天然氣領域的一個應用實例是碳纖維增強熱塑性復合材料管（thermoplastic composite pipe，TCP）。2018年，阿美石油公司次在含高芳烴含量 (~50%) 的高酸原油作業中部署了 TCP 作為鵝頸式陸上井口立管。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。憑借壓力額定值為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，例如由于采油軸的方向或高度變化而需要重新組裝四通管（調節油井生產的裝置）。

　　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。CF復合材料維修不涉及動火作業，不關閉管線，與傳統金屬解決方案相比，交貨時間更短。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，從而加快了周轉時間，迅速恢復了油井完整性，并實現了顯著的成本節約。

　　此外，公司部署了長度1.5公里的碳纖維增強熱固性樹脂（reinforced thermosetting resin，RTR）管道用于為阿美石油公司一家工廠供應柴油。這種嵌入碳纖維的導電RTR管道采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。

　　阿美石油公司完全有能力利用CF的潛力，將其用于其自身設施的關鍵應用中。雖然碳纖維制造屬于能源密集型，但其有益的特性彌補了這一點：碳纖維復合材料管重量輕，可纏繞，對于腐蝕管理和檢查的需求也相當有限。

　　除了公司自己業務之外，阿美石油公司目前正在與供應商合作，向更廣泛的石油和天然氣行業引入基于CF的先進復合技術，包括陸上、海上和井下應用產品。

　　放眼石油和天然氣之外，阿美的科學家和研究人員正在探索進一步降低成本和擴大碳纖維復合材料在各個市場廣泛應用的機會的方法。阿美與貝克休斯（美國德克薩斯州休斯頓）建立了合資企業 Novel，該公司初將生產RTP，但有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可能會在以前無法企及的細分市場開拓復合材料的潛力。這就是為什么Aramco繼續探索非金屬領域包括CF的發展機遇，從而為有望成為未來發展關鍵成分的材料奠定基礎。