对于石油和天然气行业，碳钢合金是该行业使用的主要材料，但是复合材料已经有了可以替代碳钢合金的新用途。为了降低生命周期成本和提高耐腐蚀性，位于沙特阿拉伯达兰的能源公司阿美石油公司在其管网中部署了约10000公里的非金属管道，用于水、石油和天然气应用。
这些非金属管道包括增强热塑性管（RTP）、增强热固性树脂管（RTR）和热塑性内衬管。该公司于2016年开始大规模部署非金属管道。2018年，该公司次部署了另一种非金属材料——碳纤维（CF），事实证明这可能是向前发展的一个重要组成部分。
由于安装速度更快、抗腐蚀性更强、维护和运营成本更低，从而实现了广泛的实际效益和成本节约。因此，从2018年阿美公司开始在其运营的多个应用中使用碳纤维复合材料。
碳纤维优势分析
碳纤维（CF）固有的热机械性能，以及其高比强度和高耐化学性，使其成为需要轻量化、低热膨胀系数、导电性和化学惰性等特性行业的理想选择。
碳纤维在恶劣和具有挑战性的环境中的卓越性能不断推动着复合材料在许多领域的创新，包括石油和天然气应用；建筑和建筑行业内的CF钢筋混凝土、桥梁、桥面、覆层和结构；氢动力运输用压力容器；风力涡轮机；以及在汽车和航空航天行业的大量应用。
在汽车领域，阿美正与主要利益相关者合作，在新车的设计，开发创新的CF技术以替代钢和铝，旨在提高设计和装配过程的效率。
高生产成本限制了CF在某些行业的使用，但在过去八年中，日益增长的需求致使CF的价格有所下降——根据订单规模和合同条款，标准级CF的价格从2012年的每公斤30美元降至今天的每公斤20美元左右。
石油与天然气应用案例分析
在石油与天然气领域的一个应用实例是碳纤维增强热塑性复合材料管（thermoplastic composite pipe，TCP）。2018年，阿美石油公司次在含高芳烃含量 (~50%) 的高酸原油作业中部署了 TCP 作为鹅颈式陆上井口立管。与碳钢相比，TCP立管具有更好的灵活性，以及更高的抗疲劳性和隔热性。凭借压力额定值为3000磅/平方英寸（PSIG），这种独特的应用减少了钻机释放后制造碳钢井口立管的长前置时间，并克服了与修井相关的困难，例如由于采油轴的方向或高度变化而需要重新组装四通管（调节油井生产的装置）。
除立管外，CF复合材料还可在陆上和海上碳钢管道的维修中发挥作用，这些管道随着使用年限的增加更容易出现缺陷和故障。CF复合材料维修不涉及动火作业，不关闭管线，与传统金属解决方案相比，交货时间更短。阿美石油公司已将 CF 复合材料应用于无钻机表面套管维修，从而加快了周转时间，迅速恢复了油井完整性，并实现了显著的成本节约。
此外，公司部署了长度1.5公里的碳纤维增强热固性树脂（reinforced thermosetting resin，RTR）管道用于为阿美石油公司一家工厂供应柴油。这种嵌入碳纤维的导电RTR管道采用层压连接方法安装，以安全地消散任何静电积聚。RTR管道有助于确保完整性，因为它不会遇到任何内部或外部腐蚀。
阿美石油公司完全有能力利用CF的潜力，将其用于其自身设施的关键应用中。虽然碳纤维制造属于能源密集型，但其有益的特性弥补了这一点：碳纤维复合材料管重量轻，可缠绕，对于腐蚀管理和检查的需求也相当有限。
除了公司自己业务之外，阿美石油公司目前正在与供应商合作，向更广泛的石油和天然气行业引入基于CF的先进复合技术，包括陆上、海上和井下应用产品。
放眼石油和天然气之外，阿美的科学家和研究人员正在探索进一步降低成本和扩大碳纤维复合材料在各个市场广泛应用的机会的方法。阿美与贝克休斯（美国德克萨斯州休斯顿）建立了合资企业 Novel，该公司初将生产RTP，但有可能扩展到更广泛的非金属产品，包括CF复合材料。
虽然降低成本仍然是提高碳纤维潜力的关键，但采用新的生产方法可能会在以前无法企及的细分市场开拓复合材料的潜力。这就是为什么Aramco继续探索非金属领域包括CF的发展机遇，从而为有望成为未来发展关键成分的材料奠定基础。